基于微应变感知的智能阵列播种监测装置
一、开发背景
精密播种是现代农业发展的重要方向，核心在于精准控制种子的间距、深度与数量以实现高质量播种作业。播种监测装置可实时监测播种质量，及时检测漏播、重播等问题。因此，研发高性能播种监测装置，不仅能节省成本、提升农业生产效率，更是推动农业智能化发展的关键技术支撑。
二、结构说明
该装置主要由控制器模块和检测模块两部分构成，各模块组件及功能如下：
- 控制器模块
- 核心组件：包含主控制器（型号 STM32F103ZET6）、GPS 测速模块、蓝牙通讯模块（型号 HC-08）、声光报警器、触摸显示屏。
- 功能分工：主控制器负责根据作业速度、传感器信号及目标株距计算播种质量，并将结果传输至显示模块；GPS 测速模块通过 GPS 定位技术实时计算播种单体行进速度并反馈给控制器；蓝牙通讯模块以无线传输方式将传感器信号传送至控制器；声光报警器在出现重播、漏播时启动，提醒操作人员检修播种机；触摸显示屏用于展示播种质量相关数据。
- 检测模块
- 核心组件：由压种舌、柔性压阻传感器阵列（含四个柔性压阻传感器）、信号转换电路组成，且传感器与压种舌接触面增设柔性贴合层。
- 功能分工：压种舌上部与导种管连接，下部安装传感器阵列以扩大种子检测范围；柔性贴合层可降低机械冲击对测量精度的影响；信号转换电路（电阻 - 电压转换电路）负责将传感器输出的电阻信号转换为可输入控制器的电压模拟信号。
三、功能和使用说明
（一）系统功能与定位
装置核心功能是直接在种沟内对已播种种子进行终端实时质量监测，能精准识别单粒种子、重播、漏播等情况，并计算播种合格率、重播率、漏播率。相比传统在排种器处监测的方式，该装置可有效克服 “无法反映种子落地后真实情况” 的弊端。
（二）核心操作流程与参数设置
- 工作流程：系统启动后自动完成初始化，随后持续采集传感器信号。控制器通过分析输出高电平的传感器数量及高电平持续时间判断种子类型，结合 GPS 测速模块提供的前进速度计算实际株距，最终判定播种质量。
- 关键参数设定：需预设一个电压区间，区间下限为种子与传感器全域接触时的输出电压，上限为种子与传感器半域接触时的输出电压，仅当输出电压处于该区间内时，判定有种子。
（三）推荐工作条件与性能指标
- 最佳工况
- 前进速度：4-6 km/h 为最佳精度区间，10 km/h 内系统可正常工作。
- 土壤含水率：15%-25%，含水率低于 10% 或高于 30% 会显著降低检测精度。
- 土壤坚实度：50-200 kPa 范围内，系统能有效区分种子与土壤信号。
- 性能指标
- 检测精度：4-10 km/h 速度范围内，单粒种子检测准确率＞97.4%，重叠种子检测准确率＞96.2%，低速（4-6 km/h）时精度均高于 98%。
- 田间误差：田间试验中，低速时合格率、重播率、漏播率的检测误差不高于 0.39%，高速时不高于 1.39%。
- 传感器耐久性：经 2000 次循环测试，传感器性能保持稳定。
四、设计说明
（一）设计原理
播种机作业时，种子在自重作用下经导种管落入种沟，压种舌随即压住种子防止弹跳。压种舌底部的柔性传感器阵列与种子接触后，传感器受力发生变化，内部产生压阻效应导致电阻率改变。信号处理模块将电阻信号转为电压信号，通过蓝牙模块传至控制器：
- 若种子按目标株距分布，传感器阵列会以均匀频率与种子接触，输出时间间隔均匀的高电平信号，控制器判定播种正常；
- 若出现漏播，检测区域无种子，对应时域内传感器电平信号无变化，控制器判定漏播；
- 若出现重播，检测区域种子间隔小于目标株距（甚至横、纵向重叠），输出电压信号的传感器个数及电压值发生变化，控制器判定重播。
（二）设计方案
- 材料选取：传感器为柔性压阻式，整体结构含基底层、电极层、导电层三部分。
- 基底层：由基底层 1（PDMS，聚二甲基硅氧烷）和基底层 2（PE，聚乙烯）叠加而成，用于将外界作用力传递至内部功能层。
- 导电层：基体材料为室温硫化硅橡胶、二甲基硅油、硅酸四乙酯、二月桂酸二丁基锡按 40:4:2:1 比例混合制备，导电填料为炭黑；导电层与电极层配合实现电阻值的应变效应 —— 外力挤压基底层使其形变，将力传递至电极层与导电层，导电层产生压阻效应导致电阻变化，从而将力信号转化为电阻信号。
- 信号处理：采用电阻分压测量法将传感器电阻信号转为电压信号。柔性压阻传感器与电阻 R0 串联构成分压电路，搭配双运算放大器（LM358）作为电压跟随器实现缓冲隔离；电源提供固定电压 Vcc，通过测量传感器电阻两端电压确定其阻值变化。
- 传感器设计：室内试验采用 ENS-DVU 质构仪测试传感器性能。该质构仪可施加由上而下的稳定下压力（最大量程 1000 N，满足应力测试需求），挤压探头配备压力传感器实时测压，内置位移传感器实现精准测量。
五、产品特色
（一）创新性
区别于传统前置检测方法，该装置在压种板尾部集成柔性阵列传感器，可对种子触土终端阶段进行实时监测；通过解析种子与土壤的激励差异判定种子分布，利用阵列结构实现多点同步检测，能精确评估合格率、重播率、漏播率、株距等指标，为补种决策提供真实的田间数据支撑。
（二）市场价值
该设计为播种终端性能精准监测难题提供创新解决方案，可准确获取种子在土壤中的分布信息。在国内播种机保有量庞大的背景下，产品市场潜力显著：
- 直接效益：初步估算，20% 播种单体渗透率下，可直接产生约 8 亿元市场效益；
- 间接效益：基于分布数据指导精准补种，可助力玉米亩产提升 2%-5%，间接经济效益远超设备本身价值。
