棉花精量穴播器取种状态监测系统设计与试验

针对棉花精量穴播作业过程中取种、排种不畅造成空穴的问题,该研究开发了一种棉花精量穴播器取种状态监测系统。以齿盘式穴播器为对象,在分析其工作过程的基础上,确定监测点位置。采用激光对射型传感器和霍尔传感器作为信息监测元件,用STM32单片机实现合格穴数和空穴率的计算,通过nRF24L01无线通信模块实现人机交互终端数据交互,并进行室内和田间试验。台架试验表明,在穴播器工作转速30～45 r/min范围内,系统转动圈数监测精度不变,为100%,合格穴数监测精度达到97%以上,空穴数监测精度达到93%以上,监测系统的准确性满足使用要求。田间试验结果表明,光照对监测系统无影响,合格穴数监测精度最低为96.17%,空穴数监测精度最低为93.11%,与台架试验相比,系统精度下降不超过1个百分点。系统监测与人工实测的合格穴数、空穴数的F值0.05,系统监测值与人工实测值差异不显著。该研究提出的齿盘取种性能的监测方法有效可行,开发的取种状态监测系统在田间作业时具有良好的准确性和稳定性,满足棉花精量穴播器取种状态监测的要求,对促进棉花精量穴播作业自动化、智能化具有重要意义。     

夹持式棉花精密穴播轮作业振动对取种的影响

为了提高夹持式棉花精密穴播轮对作业地表的适应性,通过分析穴播轮作业时的主要振动形式及其振动加速度值得出穴播轮作业时存在失重和超重现象。穴播轮的作业振动对种子的可靠夹持影响较大,分析得出在超重状态下种子可以被可靠夹持,在失重状态下重块会产生反向转动,夹种口张开,种子不受夹持力,处于不稳定状态,依据研究结果改进了穴播轮的取种机构,经试验改进后的穴播轮在振动条件下作业时空穴率由9.3%降低到2.6%,穴播轮对地面的适应能力有明显提高。     

基于空间电容传感器的马铃薯排种状态监测系统研制

针对传统光电式马铃薯排种监测系统因抗尘、抗振能力差所导致的可靠性偏低问题,该研究通过构建空间电容传感器并基于排种过程获取电容变化量信息进行排种状态监测。本文首先进行了理论推导,证明了通过最大净电容变化量信号对马铃薯排种状态判别的可行性;然后,在典型马铃薯播种机基础上采用Maxwell完成了空间电容传感器建模和电容值变化范围确定;通过恒温恒湿环境种薯运动模拟台架试验,获得温湿度影响回归模型,使不同条件下的测量数据可以自由转化。进一步研究发现,同一品种、不同大小种薯对应的最大净电容变化量与其质量之间线性关系明显,并提出一种基于空间电容传感器测量种薯质量获取排种状态识别策略。基于该理论构建的台架试验表明,该系统空间电容测量误差小于1%,种薯质量获取误差小于3%;试验范围内的漏播均可被准确判定;由于试验种薯的不规则性较大,2.33%的正常单粒排种被误判为重播,而2.78%的重播被误判为正常,故系统排种状态识别的准确率依然较高。本文所述方案可一次性完成正常、漏播及重播判断,可为马铃薯排种监测提供参考。     

双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器设计与试验

针对棉花竖直圆盘穴播排种器充种性能差、破损率高等问题,结合棉花穴播农艺,设计了一种双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器。介绍了穴播排种器结构组成及工作原理,设计计算了取种盘结构参数,对充种区和转运区临界状态棉种进行受力分析,建立力学模型,分析说明了窝孔安置角和取种盘转速对充种性能的影响,得出棉种临界破损状态时,取种盘和种子间隔圈的最小配合间隙为1.47 mm。以取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙为试验因素,单粒率、破损率为响应指标,利用穴播器试验台开展响应面试验,并利用Design-Expert8.0进行多目标寻优。结果表明,3个因素对单粒率的影响大小顺序依次为窝孔安置角,排种间隙,取种盘转速。对破损率影响的大小顺序依次为取种盘转速,排种间隙,窝孔安置角。最优排种组合为取种盘转速23.9 r/min,窝孔安置角31.7°,排种间隙2.08 mm。对最优排种组合进行田间验证试验,分别将取种盘转速、窝孔安置角、排种间隙修定为24 r/min、32°、2.0 mm,得到单粒率为94.3%,破损率0.09%,试验指标满足国家标准,该研究可为棉花双仓转盘式竖直圆盘穴播排种器的结构设计、优化提供参考。     

气吸滚筒式花生穴播器投种性能分析与试验

针对气吸滚筒式花生穴播器投种过程中种子不能准确落入导种机构而造成漏播、重播的问题,该研究提出了一种通过调整穴播器盖边缘开口位置和导种机构安装角度的方法寻求最佳投种轨迹,对种子脱离穴播器盖进入导种机构阶段建立动力学模型,明确了投种轨迹变化机理,确定了穴播器盖和导种机构的安装参数。借助EDEM仿真软件研究了穴播器盖和导种机构在不同安装角度下的投种性能,得出种子在与分种盘挡片接触状态下脱离穴播器盖边缘的投种性能最佳。选取穴播器盖安装角度、导种机构安装角度和机具前进速度为试验因素,以排种粒距合格率、漏播率、重播率为试验指标,在排种试验台上进行三因素三水平组合试验。结果表明：在穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角为11.18°、机具前进速度为3.85 km/h的条件下投种性能最优,此时排种粒距合格率为95.37%。田间试验结果表明,调节穴播器盖安装角为17.10°、导种机构安装角11.18°,机具前进速度在3.05～4.65 km/h范围内,试验结果与台架试验结果基本相符,排种粒距合格率大于89%、漏播率小于7%,重播率小于5%,满足花生单粒精量播种要求。     

振动气吸式精密穴播机的排种性能

为了研究振动气吸式精密穴播机的排种性能,根据空气动力学理论,结合水稻的物料特性,分析了稻种的吸种过程及穴播机的吸种性能;根据振动理论,分析了薄层种子和厚层种子在种盘上的运动。种子抛掷条件与振动频率、种盘振幅和种层厚度有关,种层越厚,振动部件所要求的振动强度越大。对于杂交水稻种子精密穴播,当吸种高度大于1 mm时,气室负压随吸种高度的增加而迅速增大,当吸嘴口直径小于1 mm时,气室负压随吸嘴口直径的减小而迅速增大,较优的气室负压为10～15 kPa。试验研究表明,该穴播机播种合格率达97.7%,能完全满足杂交水稻精密穴播农艺要求。     

勺匙式玉米精量取种器的设计与试验

为实现玉米精量播种,设计了一种适用于穴播轮的新型勺匙式取种器.在确定了取种器关键参数后,对其工作原理和过程作了分析,得出了影响勺匙式取种器性能主要因素和临界条件.以导种管弯角、容种高度和机组行走速度为因素,以单粒率、空穴率为指标进行了正交试验,通过试验数据分析可知,使勺匙式取种器性能最佳的参数组合是:导种管弯角90°、...     

光电传感器结合旋转编码器检测气吸式排种器吸种性能

高速精密播种作业是大豆、玉米等作物播种的主要发展方向之一。该文针对高速精密播种作业中气吸式排种器,设计了排种器吸种状态检测系统(seed disc suction performance detection system,SDSPS),该系统采用凹形光电传感器采集排种盘吸种信息、应用光电旋转编码器采集排种轴转动角度等信息,通过对光电传感器的输出信号和光电编码器脉冲信号进行处理,得到排种盘每个吸孔的吸种情况,从而进一步获取整个排种器的工作状况。与排种器试验台常用的图像处理检测系统(seeding detecting system based on image processing,SDSIP)在6组作业条件下进行了试验台对比试验,并单独进行了检测单个吸孔吸种量可行性试验。试验通过F检验和T检验(α=0.05)得出2种系统测量值总体方差相同和均值一致。精度分析结果表明SDSPS相比于SDSIP的最大相对误差为0.31%,系统稳定性分析结果表明SDSPS与SDSIP的波动幅值比较接近,两者的最大相对偏差值都不超过1%,SDSPS检测单个吸孔吸种量的最大相对误差为16.67%。通过田间试验验证,SDSPS对于漏吸种量和多吸种量,检测系统检测值与实际值相对误差平均值分别为3.87%和8.42%。SDSPS能有效的进行排种盘吸种性能检测,对单个吸孔吸种量的检测也具有较高的可信度,可以为气吸式排种器性能检测与改进提供技术支撑。     

气吸式杂交稻单粒排种器研制

针对气力式水稻精量排种器充种不稳定、单粒播种精度不高和播种量大的问题,该研究设计了一种具有矩形吸种孔和辅助充种装置的气吸式杂交稻单粒排种器。根据“吉田优”型杂交稻的长短轴重力分布情况,确定排种盘吸种孔形状;基于CFD-DEM(Computational fluid dynamics, Discrete element method)流固耦合理论,以吸附力为指标,进行5类具有相同面积的吸种孔单因素仿真试验,确定吸附力最大的吸种孔规格为0.8 mm×2.25 mm;以该型吸种孔为基础,选取辅助充种角、工作转速和工作负压为试验因素,以单粒率S、多粒率M和漏播率L为试验指标,开展Box-Bhnken台架试验,对试验结果进行响应曲面分析和多目标优化,得到排种盘辅助充种角为80.90°、工作转速为42.65 r/min、工作负压为621 Pa时,排种器的单粒率为86.91%,漏播率为3.63%。验证试验结果的排种器单粒率为86.36%、漏播率为3.41%,与优化结果吻合。研究结果可为后续气吸式杂交稻单粒排种器的优化设计和直播机整机作业精度的提高提供指导。     

气吸式马铃薯排种器正压吹种零速投种性能优化试验

为提高马铃薯排种精度,弥补现有零速投种技术存在的不适合高速作业、投种点高等缺点,提出利用正压气流为下落的种薯沿播种机前进方向反向加速以实现零速投种。对投种过程进行基础解析,获悉影响零速投种性能的主要因素及各因素的试验取值范围。以吹种正压、投种角和排种器转速为试验因素,合格指数、重播指数、漏播指数及变异系数为评价指标,进行二次正交旋转回归试验,建立各指标与因素间的回归数学模型,分析各因素对评价指标的影响规律,可知当排种器转速为25～31 r/min时,影响排种性能的主要因素是排种器转速,当排种器转速>31～40 r/min时,随着吹种正压的升高,合格指数上升、变异系数下降,此时零速投种对提升排种质量效果明显。根据回归模型进行参数优化,当吹种正压15 kPa、投种角57°、排种器转速35 r/min时,排种合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数分别为95.22%、3.51%、1.27%和9.43%,满足马铃薯排种作业要求。该研究为优化气吸式马铃薯排种器、提升马铃薯等大粒种子作物及其他作物排种精度提供技术支持。     

基于电容信号的玉米播种机排种性能监测系统

为了改善玉米播种机排种性能监测的可靠性,利用种子介电性质,研究一种基于电容信号获取与分析的播种性能监测方法。通过对玉米播种机排种过程的运动学分析,获得电容传感器极板长度的约束条件,为传感器设计提供理论性参考。设计了以单片机PIC18F2580、电容转换芯片MS3110及AD7685为核心的快速高精度电容检测电路。通过获取相邻种子的电容脉冲峰值间隔并计算脉冲积分面积,可以得到播种工况下的排种量、漏播量及重播量等参数。试验结果表明:系统对单粒玉米种子的监测精度为97.3%,在模拟播种机前进速度4.0km/h的条件下,系统的播种量监测精度为94.6%,漏播量监测精度为93.5%,重播量监测精度为88.1%。该系统能够有效地监测机具排种性能,有助于提高播种作业质量。     

小麦播种实时监控系统设计与试验

为实现小麦播种作业性能实时监控,设计了一种基于CAN总线的小麦精密播种机播种实时监控系统,阐述了系统总体结构,设计了系统硬件和软件,并进行了田间试验。该系统包括传感器信号采集单元、播种监测模块、CAN 模块和播种监测终端,能够实时监测种管状态、机具前进速度和排种轴转速。采用光电传感器和霍尔传感器分别检测排种管落种状态和地轮转速并输出电压或脉冲信号,播种监测模块根据传感器输出的信号,判断排种管播种状态（正常、堵塞和空管）,计算出地轮转速和排种轴转速,并计算出机具前进速度,以上信息通过CAN总线传输给播种监测终端并实时显示。试验结果表明,该系统故障状态监测准确率为>98%,堵塞响应时间<0.2 s,空管报警响应时间<0.5 s。系统工作稳定可靠,抗尘、抗震能力强,能够有效监测小麦播种作业性能。该研究成果能满足小麦播种性能实时监测要求,有助于提高小麦播种作业质量。     

马齿形玉米种子尖端激光定向与胚面识别装置研制

为了实现玉米种子的尖端定向与胚面识别,该文以现有尖端定向装置输出的马齿型玉米种子为对象,基于激光开关和测距原理,提出了一种尖端定向与胚面识别方法:依据马齿形玉米种子尖端窄大头宽的轮廓特征,利用激光开关传感器等部件对玉米种子的尖端朝向进行识别,并将大头朝前的玉米种子进行剔除;依据马齿形玉米种子胚面上有胚沟而反面较为平整的表面特征,利用激光测距传感器等部件对尖端朝前的玉米种子进行胚面识别。设计并搭建了玉米种子尖端定向与胚面识别装置,配合现有的尖端定向装置进行试验,结果表明:尖端定向与胚面识别装置的尖端定向成功率达到99.1%,相比现有的尖端定向装置提升了9.5个百分点,胚面识别准确率为96.4%。该方法基本可以实现玉米种子的尖端定向,同时保证胚面识别准确率达到较高水准。该文提出的玉米种子尖端定向与胚面识别方法可为后续玉米种子的自动化定向包装提供参考。     

太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统的研制

目前,商业化的土壤水分传感器在野外观测土壤剖面含水率时仍然存在测量深度不可调节、多传感器探头之间的互换误差、野外长期监测供电困难、成本较高等问题.为此,该研究设计并研制了一种太阳能供电的可实现野外长期工作的介电管式土壤剖面水分原位自动监测系统.该系统组成包括:传感器模块、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件.测量时,...     

Field measurements of the water content in the top soil using a new capacitance sensor with a flat sensitive volume

Water content directly near the soil surface plays an essential role for degradation of natural organic material and agrochemicals by soil microbes. Furthermore, the water losses by evaporation depend sensitively on the top‐soil water content. Rain, irrigation, evaporation, and the water flow between the soil horizons together with the natural inhomogeneity of soils cause a high spatial gradient and a pronounced time dependence of the water content in the top soil. To understand processes in top soil such as redox gradients, the knowledge on ecological conditions in the top soil, which is subject to rapid changes, is essential. In order to meet the requirements for such field measurements, a capacitance sensor with a depth resolution of 1 cm and an active area of 7.5 cm × 14 cm was constructed and operated by a special electronic circuit. Field measurements using these sensors at 1 cm depth showed the high dynamics when measurements were carried out every 10 min. As simultaneous measurements of the soil temperature at 1 cm depth exhibit large temperature variations during the day, its influence on the measurements must be compensated for. As the data, measured during drying periods, allow the assessment of the temperature coefficient, the water content at a reference temperature can be calculated. The course of the water content reflects precipitation events and quantifies the drying of the soil, providing these parameters for process evaluation. Furthermore, the diurnal variation exhibits the drying during the day and the possible rewetting from deeper horizons during the night.     

水稻精量穴直播机播量监测系统研制

播种量是水稻精量穴直播机的关键技术参数。为了实时监测水稻精量穴直播机的播种量,提高播种作业性能,该文以环形布置安装于排种管的面源式光电传感器为主要监测元件,设计了水稻精量穴直播机播量监测系统。根据型孔式排种器结构与工作原理,确定了面源式光电传感器和旋转编码器的安装方式。采用高速摄像技术建立了水稻种子流通过监测区时种子数量与脉冲宽度之间的数学模型;通过时间分割节点得到穴粒数监测时间窗口,根据监测时间窗口内的脉冲宽度信息得到每穴播种粒数。选用南粳46和象牙香占2种具有代表性的水稻品种,对水稻精量穴直播机播量监测系统进行试验,将人工统计数据与监测系统统计数据进行对比分析,台架试验结果表明:对于南粳46(短粒型品种),平均穴粒数监测误差不超过7.99%,穴数监测误差不超过6.07%;对于象牙香占(长粒型品种),平均穴粒数监测误差不超过24.07%,穴数监测误差不超过5.66%。该系统基本满足不同工作转速下不同粒型的水稻播种量实时监测要求,可为后期实现水稻精量穴直播机大田作业参数监测提供了参考。     

基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发

农田墒情信息是现代农业实施精准施肥、精确灌溉的重要科学依据。为了实现快速准确地采集墒情信息,研究开发了基于3S（GPS/GIS/GPRS）技术联合的农田墒情远程监测系统。该系统主要由农田信息监测网络节点和远程服务器组成,在小范围内由传感器节点基于ZigBee通讯协议组成无线传感器网络,在大尺度上通过网关节点集成GPS网络,利用GSM/GPRS网络实现与Internet的信息交互,完成了墒情数据的自动采集、无线传输和准确定位。设计了太阳能自供电的长寿命无线传感器节点和网关节点,开发了服务器端农田墒情信息管理系统软件,实现了Web方式下的参数远程设置和信息实时监测。该系统的设计开发为农田墒情信息监测和分析决策提供了有效的工具。     

基于反射光谱的植物群体叶绿素含量监测系统的研制

针对农业生产环境中植物群体叶绿素的监测,该文提出了一种基于可见-近红外反射光谱的植物群体相对叶绿素含量实时监测系统。系统以太阳光为光源,设计了特殊光路同时获得植物冠层反射的700和830 nm 2种波长光信号以及该2种波长光的入射信号。采用ZigBee协议搭建无线传感器监测网络,由终端节点将以上光路获取的4路信号进行采集和处理,并将其转发至协调器,进而由协调器发送至用户中心进行计算与存储。系统试验研究中测量的有效样本点共124个,将前36个点的两波长吸光度值与样本叶绿素指数值采用最小二乘法进行多元回归,建立定量分析模型,模型决定系数和标准差分别为0.919和9.26958;用后88个点建立预测集,模型预测值与标准值建立的线性函数决定系数为0.913,标准差为9.372,系统稳定性试验变异系数CV1.82%。结果表明,该系统可用于自然光照条件下群体叶绿素的准确测量与实时监测,为精细农业自动无损检测技术提供理论及实践基础。     

无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发

该文在Microsoft Visual C++ 6.0和National Instruments LabVIEW 8.6等环境下,开发了WSN-CWSM系统的上位机软件。该上位机软件由后台管理软件和数据管理软件2个模块组成。后台管理软件由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件4个子模块组成;数据管理软件由参数设置、数据采集、数据处理、控制输出和数据管理5个子模块组成。WSN-CWSM系统上位机软件提供了与Internet的标准接口,集成了传感器节点的校正引擎和传感数据的数据融合机制,所有人机接口采用友好的图形化界面设计。试验结果表明：所开发的上位机软件具有良好的稳定性、完善的功能性和便捷的人机接口等优点,实现了对各种传感数据和系统数据的有效组织与管理。目前,上位机软件能够满足WSN-CWSM系统的应用需求。