气吸式播种机质量监控系统设计_基于ZigBee无线传感网络_阳琼芳

目前，国内外 研 发 了 一 些 新 的 播 种 技 术，如 日 本 提出了一种静电播 种 技 术 ，适 用 于 种 子 颗 粒 较 小 的 蔬 菜播种; 英国提出了一种超音速播种技术，可以应用 在蔬菜和牧草的播种; 美国利用液压马达驱动设计了 新型气压式播种机; 东德研制了精密播种机采用液压 马达驱动等。我国开始研究精密播种技术是在 20 世 纪 70 年代，到目前为止，精密播种在全国的实施范围
根据经验数值，可以完成排种器的初始结构设计， 为了提高播种机的播种质量，需要提高振动台的性能， 并实时对其播种情况进行监测。
器 ，主要特点是结 构 简 单 、灵 敏 性 高 和 抗 干 扰 能 力 强 ， 其结构如图 5 所示。在测定位移时，激励线圈和涡流 体之间距离的变化 会 引 起 涡 流 强 度 的 变 化 ，随 着 距 离 的降 低，涡 流 强 度 逐 渐 增 大，电 感 降 低，谐 振 频 率 升 高，幅值也会下降。根据不同幅值对 应 的 位 移 值，可 以对播种机的位移 进 行 实 时 监 测 ，本 设 计 中 选 用 的 涡 流位移传感器为型号 JX20 系列电涡流位移传感器。
变。由图 3 可以看出: 合力的大小开始吸种时最大，
当 G 和 J 方向相反时种子收到的合力最小，此时的真
空度也需要最小 。 吸 附 力 必 须 满 足 能 够 吸 附 种 子 ，以
种区充满所需要的 压 力 为 基 准 ，吸 住 种 子 必 须 满 足 的
受力条件为
F × d/2 ≥ T × h
( 2)
孔径的大小确定主 要 依 据 种 子 的 尺 寸 ，吸 种 孔 的 直 径
是通过实验方法得到的，吸种孔的直径计算公式为
d = ( 0． 64 － 0． 66) b
( 4)
其中，b 表示种子的平均宽度。真空度是排种和
吸种效果最主要的 影 响 因 素 ，不 同 类 型 的 种 子 真 空 度
最 佳 范 围 是 不 同 的，真 空 度 降 低 会 造 成 漏 吸 率 增 大 ;
种子所受的吸附作用力表达式为
F
=
πd2 4
(
pa
－ p1 )
( 3)
其中，pa 表示外界气压; p1 表示真空室压力。由式 ( 3) 可以看出: 随着吸针直径的增大，种子所需的真空
度变小，排种性能有所增强; 当孔径增大到一定程度
时，针 孔 的 漏 气 量 也 会 增 大，排 种 性 能 又 开 始 降 低。
排种盘吸针位置的旋转半径; λ 表示摩擦力的综合系
数; γ 表示种子的止休角; g 表示吸种的可靠性系数，
当种子的形状近似球形时，K1 选择较小值，反之选择 较大值。对于玉米、高粱、大豆等作物可以选择 K1 = 1． 7 ～ 1． 9; K2 表示工作的稳定性可靠系数，一般取值 为1． 7 ～ 2． 1，种子千粒质量大时取大值。排种器的种
2 振动台和播种质量监测系统设计
要实现精密播种 关 键 是 使 用 精 密 播 种 机 ，而 精 密 播种机的核心部件是排种器。气吸式精密播种机的 排种器主要由振动 台 和 气 吸 部 分 构 成 ，振 动 台 主 要 是 使种子运动，有利于种子的吸附。排 种 器 在 工 作 前， 启动电磁振动器使 排 种 盘 产 生 振 动 ，在 振 动 盘 上 安 装 传感器对振动幅值和频率进行采集，利用 A / D 转换器 将采集的模拟量转换为数字量，将数据通过 ZigBee 传 输给远程控制中心; 控制单元利用单片机进行控制， 电磁振动排种器工 作 时 ，启 动 电 磁 振 动 器 使 排 种 盘 产 生振动。通过安装在种子盘上的传感器采集种子盘 的震动振幅和振动频率数据，用 A / D 转换器将采集的 模拟量转换成数字量传递给主控制系统; 控制系统是 由单片机为主的微 控 单 元 ，根 据 采 集 信 号 可 以 对 振 动 参数进行调整，实现精密化播种作业。
2016 年 11 月
农机化研究
第 11 期
续表 1
播种作物
吸针直径 / mm
吸室真空度 / kPa
向日葵
2． 3 ～ 3． 3
2． 32 ～ 2． 58
小花生
5． 2
5． 89 ～ 7． 89
丸粒化甜菜
2． 2 ～ 2． 6
1． 22 ～ 1． 58
谷子
长孔 22 × 0． 5
0． 52 ～ 0． 58
近年来，精密播种技术在农作物种植作业中逐渐 应性强、通用性好，具备高速作业的性能，工作幅度也
开始使用，并成为热门研究的课题。精密播种技术是 较大，是当前精密播种机的发展方 向。因 此，对 气 吸
提高粮食产量的一项现代化综合技术，包括种子的培 式播种机的研究和改进，具有重要的意义。
育和加工 、精密播 种 机 具 的 使 用 、土 壤 的 精 耕 细 作 ，以 及高精度的施肥灌溉等一系列技术。精密播种技术
的惯性力 J、吸针的吸附力 P 和吸孔 处 的 支 持 力 N。
其中，摩擦力可以忽略不计，J 的表达式为
J = mＲω
( 1)
其中，ω 表示排种盘的角速度; Ｒ 表示种子重心到
排种盘重心的距离。当排种盘进行转动时，J 大小是
不变 的，但 是 方 向 不 断 变 化，而 重 力 大 小 和 方 向 都 不
收稿日期： 2015 － 09 － 08 基金项目： 广西高校科学技术研究项目( 2013YB295) 作者简介： 阳琼芳( 1973 － ) ，女，广西桂林人，高级实验师，硕士，( E －
mail) 1973yqf@ sina． com。
气吸式播种机利用振动气吸设备可以实现精量化 播种 ，其排种器一 般 由 气 源 、吸 针 、振 动 盘 和 一 些 其 他 类型的辅助设备 构 成 。 播 种 作 业 时 ，种 子 在 振 动 台 的 作用下向上抛掷，在负压作用下吸针将种子吸住; 播 种机 运 行 一 段 距 离 后，负 压 被 改 为 真 空 状 态，种 子 在 自身重力作用下落到指定播种位置。气吸式播种机 的工作原理如图 1 所示。
1 气吸式播种机工作原理和排种器设计
可以节省大量的种 子 及 再 次 补 苗 定 苗 的 用 工 ，种 子 合 理分布降低了肥料 和 光 能 的 损 失 ，提 高 了 作 物 产 量 和 综合经济效益。气吸式播种机是一种利用气吸原理， 使用气流将种子吸 附 并 从 种 堆 中 分 离 出 来 ，达 到 单 粒 或者双粒精密播 种 的 目 的 。 同 机 械 式 播 种 机 相 比 ，气 吸式 精 密 播 种 机 具 有 节 省 种 子 、不 伤 种 子、对 种 子 形 状的适应性强 、易于 实 现 单 粒 精 播 及 作 业 速 度 高 等 优 点，是目前国内外精密播种机发展的重点。
2016 年 11 月
农机化研究
第 11 期
气吸式播种机质量监控系统设计
—基于 ZigBee 无线传感网络 阳琼芳
( 广西职业技术学院 计算机与电子信息工程系，南宁 530226)
摘 要： 针 对 气 吸 式 播 种 机 常 出 现 的 漏 播 和 重 播 现 象 ，在 ZigBee 技 术 和 单 片 机 的 基 础 上 提 出 了 一 种 新 的 气 吸 式
子吸附所需要真空 度 的 最 大 值 主 要 和 吸 针 直 径 、种 子
物理性质和排种孔处的线速度有关。常见作物的吸
针直径和吸室真空度如表 1 所示。
表 1 常见播种作物吸针直径和吸室真空度值
Table 1 Suction needle diameter and vacuum degree vaFra bibliotekue of the
suction chamber for common planting crops
播种作物
玉米 大豆 高粱
吸针直径 / mm
4． 1 ～ 5． 6 3． 3 ～ 4． 3 2． 2 ～ 2． 3
吸室真空度 / kPa
2． 72 ～ 2． 96 2． 71 ～ 2． 98 2． 15 ～ 2． 34
·87·
当真空度超过一 定 范 围 时 ，重 吸 率 会 增 加 。 考 虑 风 机
和 管 路 的 压 力 损 失 ，真 空 度 的 计 算 一 般 取 最 大 值 ，计
算公式为
( ) Hcmax
=
8K1 K2 mgC πd3
1 + v2 gr
+λ
( 5)
其中，C 表示排种盘和种子重心之间的距离; m 表
示种子的质量; v 表示排种盘中心孔的线速度; r 表示
图 4 表示气吸振动器的工作原理图。其使用的主 要器 件 为 压 电 加 速 度 传 感 器，由 于 阻 抗 较 高，需 要 前 置一个 放 大 电 路，将 高 阻 抗 值 转 换 为 低 阻 抗 值。因 此，可以选择 ICP 传感器，其内置了集成电路，其结构 如图 4 所示。
图 5 涡流传感器测位移原理图 Fig． 5 Displacement diagram of eddy current sensor
播 数 据 进 行 采 集 ，实 现 了 振 动 台 的 自 动 化 控 制 和 远 程 报 警 功 能 ，以 及 LCD12864 液 晶 对 监 测 参 数 的 实 时 显 示 。通
过 对 播 种 机 的 大 量 测 试 ，得 到 了 不 同 播 种 机 行 进 速 度 的 排 种 质 量 曲 线 ，由 测 试 结 果 可 以 看 出 : 排 种 质 量 监 测 系 统
1． 真空通断器 2． 真空连接管 3． 种子室 4． 排种盘 图 2 气吸式排种器结构原理图
Fig． 2 The air suction metering device structure diagram
图 3 种子的受力分析图
Fig． 3 Stress analysis of seed