基于微波反射法的谷物含水率在線檢測(cè)裝置研制

張 偉，楊 剛，雷軍波，劉成良，陶建峰，覃程錦

基于微波反射法的谷物含水率在線檢測(cè)裝置研制

張 偉，楊 剛，雷軍波※，劉成良，陶建峰，覃程錦

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

針對(duì)稻麥聯(lián)合收割機(jī)在收獲作業(yè)時(shí)難以對(duì)小麥、水稻等谷物的含水率進(jìn)行準(zhǔn)確在線測(cè)量的問題，該文基于微波反射法研究了谷物含水率在線檢測(cè)方法，建立了稻麥含水率檢測(cè)模型，研發(fā)了一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)谷物含水率在線檢測(cè)裝置。該裝置采用微波測(cè)量模塊對(duì)稻麥含水率進(jìn)行非接觸式測(cè)量，設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路將微波參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，采用滑動(dòng)平均濾波算法進(jìn)行信號(hào)濾波，最后通過標(biāo)定試驗(yàn)所建立的含水率檢測(cè)模型進(jìn)行稻麥含水率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)CAN總線通訊在顯示器上實(shí)時(shí)顯示?；谏鲜隼碚撗芯?、技術(shù)開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)所研制的谷物含水率在線檢測(cè)裝置分別進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)和田間收割試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：檢測(cè)裝置的對(duì)稻麥含水率的測(cè)量范圍為14%～34%，在室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)和田間收割試驗(yàn)中的性能標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.458 3%和1.078 0%，相對(duì)誤差分別在2.5%和5%左右，具有良好的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

含水率；農(nóng)業(yè)機(jī)械；微波；滑動(dòng)平均濾波；試驗(yàn)研究

0 引 言

含水率是稻麥等糧食收獲、交易、儲(chǔ)存和加工中最重要的指標(biāo)之一，含水率過高不僅會(huì)導(dǎo)致糧食發(fā)霉變質(zhì)、儲(chǔ)存時(shí)間變短，還會(huì)導(dǎo)致交易價(jià)格下降、加工成本上升等一系列問題[1-3]。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)收獲機(jī)械在收獲作業(yè)時(shí)無損在線測(cè)量糧食含水率的需求越來越迫切，準(zhǔn)確檢測(cè)糧食含水率不僅可為儲(chǔ)存、加工提供參考數(shù)據(jù)，而且還可對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)而對(duì)下一季的農(nóng)作物種植提供指導(dǎo)性意見[4]。

目前，谷物含水率的測(cè)量方法可分為直接法和間接法兩大類[5-6]。直接法精度較高，但程序繁瑣耗時(shí)，如烘干法、甲苯蒸餾法和卡爾·費(fèi)休滴定法等屬于破壞式測(cè)量，主要用于試驗(yàn)室檢測(cè)和標(biāo)定，其中烘干法是國(guó)際通用的谷物含水率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法[7]；間接法特別是電容法和微波法易于實(shí)現(xiàn)谷物含水率無損測(cè)量，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[8]。電容法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但需要考慮邊緣效應(yīng)而且對(duì)谷物品種、密度、環(huán)境等因素敏感，一定程度上限制了其檢測(cè)精度[9]。微波法具有非接觸無損測(cè)量、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，按原理可以分為微波透射法和微波反射法?；谖⒉ㄍ干浞ǖ暮蕚鞲衅饕呀?jīng)成功應(yīng)用于冬小麥、大豆、脫粒玉米、帶殼花生、大體積原棉和顆粒狀流動(dòng)物質(zhì)的含水率測(cè)量[1-2,10-16]，精度較高，但是接收和發(fā)射天線需要雙邊安裝，對(duì)安裝角度和距離要求嚴(yán)格，裝置體積較大?；谖⒉ǚ瓷浞ǖ暮蕚鞲衅鞑捎美忍炀€或者微帶天線單邊安裝，降低了安裝精度要求并有效節(jié)省空間。近年來由于微帶天線技術(shù)的發(fā)展，微波反射法已經(jīng)開始應(yīng)用于土壤、沙子、木屑和橡膠等材料的含水率檢測(cè)[17-20]，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步階段[21-22]。

在稻麥聯(lián)合收割機(jī)含水率無損在線檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)外的企業(yè)已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了商業(yè)化推廣，但國(guó)內(nèi)尚處于研究階段[23-25]。方建卿[23]設(shè)計(jì)了一套聯(lián)合收割機(jī)含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量范圍為10%～25%，但含水率高于25%時(shí)谷物的介電損耗較大，無法準(zhǔn)確測(cè)量。陳進(jìn)等[24]對(duì)平行電容極板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了高頻電容式聯(lián)合收割機(jī)谷物含水率在線監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)量范圍為10%～30%，但沒有考慮機(jī)械振動(dòng)、電路元件等干擾，直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，導(dǎo)致誤差較大[25]。

基于上述研究背景，本文針對(duì)稻麥聯(lián)合收割機(jī)在收獲作業(yè)時(shí)無法精準(zhǔn)在線測(cè)量小麥、水稻籽粒含水率的問題，采用微波反射法從理論上建立微波參數(shù)和谷物含水率的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)谷物含水率在線檢測(cè)裝置，并進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)以及田間收割試驗(yàn)研究。

1 原理與方法

1.1 基于微波反射法的含水率檢測(cè)原理

注：為坐標(biāo)系；E為入射波，V·m-1；E為透射波，V·m-1；E為反射波，V·m-1；為測(cè)量材料的密度，kg·m-3；為測(cè)量材料的含水率，%；為溫度，℃；為測(cè)量材料的厚度，m。

Note:is coordinate system;Eis the incident wave, V·m-1;Eis the transmitted wave, V·m-1;Eis the reflected wave, V·m-1;is the density of the material, kg·m-3;is the moisture content of the material, %;is the temperature, °C;is the thickness of the material, m.

圖1 微波測(cè)量模型

Fig.1 Microwave measurement model

自由空間中，當(dāng)入射波E垂直射到厚度為的測(cè)量材料表面時(shí)，一部分被材料反射形成反射波E，另一部分透過材料形成透射波E，模型如圖1所示。假設(shè)微波經(jīng)材料反射后連續(xù)且沒有進(jìn)一步反射，反射波和入射波相互疊加形成行駐波，行駐波電場(chǎng)表達(dá)式為[22]

式中為斜率，與谷物密度有關(guān)；為系數(shù)，通過標(biāo)定得到。

將式（6）、式（7）代入式（5），行波電壓比S可表示為

1.2 谷物含水率檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法

谷物含水率在線檢測(cè)過程如圖2所示，微波測(cè)量模塊基于微波反射法對(duì)谷物樣品進(jìn)行測(cè)量并輸出行駐波E，電壓轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)和提取行駐波E的相關(guān)參數(shù)，將行波電壓比S轉(zhuǎn)換成電壓輸出V，由于存在噪聲干擾，使用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)A/D采樣后的信號(hào)平滑化，經(jīng)含水率檢測(cè)模型計(jì)算可得谷物含水率，最后通過CAN總線通訊將含水率在聯(lián)合收割機(jī)顯示屏上在線顯示。

圖2 谷物含水率測(cè)量實(shí)現(xiàn)過程

1.2.1 滑動(dòng)平均濾波

由于存在機(jī)械振動(dòng)、粉塵雜質(zhì)、電路元件等因素干擾，實(shí)際采集到的輸出信號(hào)是上下波動(dòng)而且不穩(wěn)定的，本文采用滑動(dòng)平均濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；瑒?dòng)平均濾波繼承了算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)，可以有效跟蹤變量的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，抑制數(shù)據(jù)中的高頻噪聲和周期性干擾，滿足實(shí)時(shí)性的要求[28]。假設(shè)原始信號(hào)()經(jīng)過檢測(cè)裝置離散采樣后采樣信號(hào)()為

式中′()為采樣信號(hào)中真實(shí)信號(hào)；()為采樣信號(hào)中干擾信號(hào)。

為減少干擾信號(hào)()的影響,使采樣信號(hào)()更接近于真實(shí)信號(hào)′()，對(duì)采樣信號(hào)()在固定長(zhǎng)度為的窗口內(nèi)做局部平均，用局部均值將窗口中的最后一個(gè)位置的數(shù)據(jù)替代，通過逐一對(duì)長(zhǎng)度為的采樣信號(hào)在窗口內(nèi)不斷進(jìn)行滑動(dòng)平均，就可以得到一組新的濾波后的信號(hào)()，滑動(dòng)平均濾波的計(jì)算公式如下

式中為窗口長(zhǎng)度。

但在采樣初始階段采樣數(shù)據(jù)數(shù)量未能達(dá)到窗口值，可以根據(jù)精度要求，取小窗口長(zhǎng)度，對(duì)滑動(dòng)平均濾波算法進(jìn)行一次或者多次嵌套使用，取窗口0，其中0<，對(duì)于前<個(gè)數(shù)據(jù)：

本文采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、信噪比（signal noise ratio，SNR）作為滑動(dòng)平均濾波方法濾波效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[29]，如式（12）、（13）所示，信噪比越高、均方根誤差越小，濾波效果越好。

對(duì)不同含水率的稻麥樣品采樣到的信號(hào)濾波，經(jīng)過調(diào)試計(jì)算，在N=25、N0=5時(shí)信噪比較高，均方根誤差較小，濾波效果較好。例如含水率為32.24%小麥樣品采樣信號(hào)的濾波效果如圖3所示，計(jì)算可得RRMSE=0.001 4，RSNR=61.625 6，滑動(dòng)平均濾波算法有效抑制了采樣信號(hào)中的高頻隨機(jī)噪聲，保留了原始信息，信號(hào)基本在1.689 3 V附近輕微波動(dòng)。

1.2.2 谷物含水率檢測(cè)模型

經(jīng)過濾波后的信號(hào)基本為穩(wěn)定的電壓值，隨含水率的變化而變化，為建立谷物含水率檢測(cè)模型，取濾波結(jié)果的電壓均值作為該含水率下對(duì)應(yīng)的電壓輸出，含水率32.24%的小麥樣品的電壓輸出均值為1.689 3 V。由式（8）可知，在測(cè)量厚度和密度一定的前提下，谷物含水率與輸出電壓成線性函數(shù)關(guān)系，因此對(duì)不同含水率的谷物樣品進(jìn)行輸出電壓-含水率標(biāo)定即可建立含水率檢測(cè)模型。本文采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終得到的谷物含水率檢測(cè)模型的形式為

=+（14）

式中為濾波后的電壓均值，V；、為系數(shù)，由標(biāo)定得到。

2 谷物含水率檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.螺栓緊固孔 2.微帶天線 3.舵機(jī)臂擋孔 4.采樣容腔 5.十字形葉片

聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，谷物從檢測(cè)裝置的上方持續(xù)流入采樣容腔中，保證了谷物樣品的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。采樣容腔底部是一個(gè)可以繞軸旋轉(zhuǎn)的十字形葉片，舵機(jī)臂的伸出和縮回可對(duì)十字形葉片阻擋和釋放，進(jìn)而控制采樣容腔采樣和棄樣。舵機(jī)由脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）信號(hào)來控制：采樣狀態(tài)下，PWM信號(hào)占空比為7.5%，舵機(jī)臂旋轉(zhuǎn)至90°位置，舵機(jī)臂從舵機(jī)臂擋孔伸出，十字形葉片被舵機(jī)臂阻擋，無法轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣容腔開始采集谷物樣品，經(jīng)采樣時(shí)間1裝滿容腔；測(cè)量狀態(tài)下，PWM信號(hào)占空比為7.5%，舵機(jī)臂位置不變，微帶天線開始對(duì)樣品進(jìn)行靜止測(cè)量，測(cè)量時(shí)間2；棄樣狀態(tài)下，PWM信號(hào)占空比為2.5%，舵機(jī)臂旋轉(zhuǎn)至0°位置，從舵機(jī)臂擋孔縮回，十字形葉片可以繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，谷物由于重力作用從采樣容腔流出，棄樣時(shí)間為3。重復(fù)上述動(dòng)作，保證檢測(cè)裝置周期性采樣、測(cè)量和棄樣。

本文所涉及的試驗(yàn)樣機(jī)為雷沃重工股份有限公司研制的GK120稻麥聯(lián)合收割機(jī)，在正常的稻麥?zhǔn)斋@作業(yè)時(shí)，前進(jìn)速度為1.5 m/s，升運(yùn)器絞龍的轉(zhuǎn)速為500 r/min，谷物流量較大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明2～3 s可裝滿檢測(cè)裝置的采樣容腔，故將采樣時(shí)間設(shè)置為3 s，2 s可以滿足谷物的棄樣，棄樣時(shí)間設(shè)置為2 s，根據(jù)項(xiàng)目要求含水率數(shù)據(jù)10 s在顯示屏上刷新一次，所以本文將測(cè)量時(shí)間設(shè)定為5 s。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

谷物含水率在線檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)包括微波測(cè)量模塊、電壓轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路三部分，如圖5所示。微波測(cè)量模塊由微波源、隔離器、功率分配器、微帶天線和混頻器等組成，其主要功能是產(chǎn)生高頻微波信號(hào)完成對(duì)谷物含水率的微波測(cè)量。電壓轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)微波參數(shù)到電壓參數(shù)的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)放大電路解決了電壓信號(hào)微弱和負(fù)載效應(yīng)明顯的問題。信號(hào)處理電路以STM32F103RCT6微控制單元為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、算法處理、采樣機(jī)構(gòu)控制和數(shù)據(jù)通訊等功能，使用上位機(jī)對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行程序調(diào)試，使用顯示屏進(jìn)行含水率實(shí)時(shí)顯示，這部分主要為程序和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

圖5 谷物含水率在線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 微波測(cè)量模塊

微波源選用壓控微波振蕩器，輸出功率為5 dBm，可產(chǎn)生450 MHz的導(dǎo)行電磁波，微波源連接隔離度為18 dB的同軸隔離器，防止負(fù)載反射信號(hào)對(duì)微波源產(chǎn)生干擾。功率分配器將導(dǎo)行電磁波分成2路功率相等的信號(hào)，一路作為參考信號(hào)發(fā)送到混頻器的LO端口，另一路經(jīng)饋線發(fā)送到收發(fā)復(fù)用微帶天線，以空間電磁波的形式垂直射入采樣容腔內(nèi)的樣品中。由于受到樣品反射作用，一部分反射波被微帶天線接收并將其發(fā)送至混頻器的RF端口，反射波和入射波經(jīng)混頻器形成行駐波E。

2.2.2 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

電壓轉(zhuǎn)換電路主要原理圖如圖6所示，行駐波作為輸入信號(hào)輸入至電壓轉(zhuǎn)換電路INPUT端口，電壓轉(zhuǎn)換電路將行駐波信號(hào)的最大值和最小值進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算，將行波電壓比S轉(zhuǎn)換成電壓形式輸出。經(jīng)示波器測(cè)量，輸出電壓微弱，分辨率很低，含水率為14%～38%的谷物樣品對(duì)應(yīng)的輸出電壓僅有10～30 mV，而且對(duì)負(fù)載電路很敏感，無法直接對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

針對(duì)輸出電壓很微弱、抗干擾能力差的問題，本文采用高阻抗、高精度的AD620芯片，輸入阻抗10 GW，最大輸入失調(diào)電壓50V，增益范圍為1～10 000，可以有效減少后續(xù)負(fù)載電路對(duì)輸出電壓產(chǎn)生的影響，同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行精確放大。由于STM32的ADC外設(shè)采樣電壓范圍為0～3.3 V，所以調(diào)節(jié)AD620的放大增益為100即可滿足要求，計(jì)算公式如下

式中為放大增益；G為外部調(diào)節(jié)電阻，kW。

所設(shè)計(jì)的電路圖如圖7所示，采用IN+和IN-差分輸入，二者之差為上述電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓，圖中的外部調(diào)節(jié)電阻9=499W，C8和C12為去耦電容，降低電源噪聲防止電源抖動(dòng)，C9、C10和C11為輸入信號(hào)濾波電容，可以提高信號(hào)穩(wěn)定性，OUTPUT為最終的輸出信號(hào)V。

圖7 放大電路原理圖

為盡量降低并抑制電路干擾、提高電路的穩(wěn)定性，本文將電壓轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)處理電路集成在同一塊電路板上，并在布線方面規(guī)范化，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的電路板

2.3 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路以STM32F103RCT6微控制單元為核心實(shí)現(xiàn)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、采樣機(jī)構(gòu)控制、滑動(dòng)平均濾波、谷物含水率計(jì)算和CAN總線通訊等功能。微控制器的ADC1的PA1口對(duì)輸出信號(hào)V進(jìn)行采樣，采樣頻率為100 Hz，通用定時(shí)器的通道2產(chǎn)生PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣機(jī)構(gòu)控制。

谷物含水率在線檢測(cè)裝置的信號(hào)處理程序采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，按照單片機(jī)外設(shè)執(zhí)行功能的不同劃分為相應(yīng)程序模塊，用C語(yǔ)言編寫，由Keil uVision5編譯并燒錄，信號(hào)處理程序流程圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)處理程序流程圖

本文基于Linux3.2.0使用QT開發(fā)框架開發(fā)了聯(lián)合收割機(jī)參數(shù)顯示應(yīng)用程序。應(yīng)用程序包含用戶登錄退出、CAN數(shù)據(jù)包解析、檢測(cè)參數(shù)圖標(biāo)顯示及數(shù)值顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和異常報(bào)警等功能[30]。通過CAN總線通訊，聯(lián)合收割機(jī)上安裝的多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)，如撥禾輪轉(zhuǎn)速、行進(jìn)速度、谷物流量、破損率和含水率等，可在聯(lián)合收割機(jī)駕駛室內(nèi)的車載顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。圖10是使用16%的含水率數(shù)據(jù)對(duì)顯示屏應(yīng)用程序進(jìn)行通訊調(diào)試，試驗(yàn)表明CAN總線通訊正常，顯示屏數(shù)據(jù)顯示正常。

圖10 顯示屏參數(shù)應(yīng)用程序調(diào)試

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文開展了室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)和田間收割試驗(yàn)。室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)制備水稻和小麥樣品各30組，完成了含水率-電壓的標(biāo)定試驗(yàn)，分別建立了水稻、小麥的含水率檢測(cè)模型并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。田間收割試驗(yàn)以水稻為對(duì)象驗(yàn)證了谷物含水率在線檢測(cè)裝置的實(shí)用性與可靠性。

3.1 室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)

3.1.1 樣品制備與數(shù)據(jù)采集

將30份等量水稻樣品放入30個(gè)一次性試驗(yàn)盒中，分別加入不同體積的水，然后將樣品放入4 ℃的恒溫箱保存3 d，每天攪拌3～4次，使水分被充分吸收并均勻分布。使用同樣的方法制備30份不同含水率的小麥樣品。在試驗(yàn)之前，將上述稻麥樣品移至24 ℃的恒溫箱保存24 h[31]。

從已制備完成的稻麥樣品中取出適量樣品，采用低溫烘干法[32]確定每份樣品的標(biāo)準(zhǔn)含水率，所使用烘箱為上海一恒科學(xué)儀器有限公司的DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，標(biāo)準(zhǔn)含水率計(jì)算如下

式中m為樣品中水分的質(zhì)量，g；m為樣品中干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

在室內(nèi)使用本文所設(shè)計(jì)的谷物含水率在線檢測(cè)裝置分別對(duì)30組小麥樣品和30組水稻樣品進(jìn)行測(cè)量，環(huán)境溫度為20 ℃，空氣相對(duì)濕度為73%。試驗(yàn)時(shí)將樣品裝滿采樣容腔，每組樣品靜止測(cè)量5 s，通過串口通訊將裝置采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行打印和存儲(chǔ)。

3.1.2 稻麥含水率檢測(cè)模型的建立

實(shí)驗(yàn)中同一組樣品采集到的信號(hào)經(jīng)過滑動(dòng)平均濾波處理后基本為穩(wěn)定的電壓值，并與含水率是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨含水率的變化而變化。鑒于同一含水率下輸出電壓波動(dòng)較小，為減少誤差并充分利用數(shù)據(jù)，取濾波后的電壓均值作為該含水率所對(duì)應(yīng)的輸出電壓。試驗(yàn)完成后，將30組水稻樣品和30組小麥樣品的電壓-含水率數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并對(duì)線性區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性回歸擬合，如圖11所示。

圖11 水稻、小麥含水率與其輸出電壓的關(guān)系

由圖11可以看出，當(dāng)?shù)钧満试?4%～38%范圍內(nèi)，輸出電壓和含水率的關(guān)系基本上是分段線性函數(shù)，根據(jù)擬合結(jié)果得到水稻和小麥的含水率檢測(cè)方程如下

根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，將式（17）或式（18）寫入STM32信號(hào)處理程序的谷物含水率檢測(cè)模型，檢測(cè)裝置即可根據(jù)測(cè)得的電壓值對(duì)水稻或小麥的含水率進(jìn)行計(jì)算。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)量精度是表示谷物含水率在線檢測(cè)裝置性能的重要特征參數(shù)之一，儀器的測(cè)量精度一般使用性能標(biāo)準(zhǔn)差（standard error of performance，SEP）來評(píng)估[1,13]，SEP越小則表示測(cè)量精度越高。

為確定檢測(cè)裝置的測(cè)量精度，在上述試驗(yàn)環(huán)境中另外制備了8組小麥測(cè)試樣品和8組水稻測(cè)試樣品，使用谷物含水率檢測(cè)裝置對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，每組樣品重復(fù)測(cè)量10次，結(jié)果取均值，如表1所示。

表1 稻麥樣品含水率檢測(cè)結(jié)果

3.2 田間收割試驗(yàn)

為驗(yàn)證谷物含水率在線檢測(cè)裝置的實(shí)用性與可靠性，2018年10月28日在江蘇省海門市三和鎮(zhèn)進(jìn)行了水稻收獲試驗(yàn)，如圖12a。水稻品種為南粳9108，自然屬性為：自然高度86 cm，容重502 g/L，千粒質(zhì)量31.1 g，草谷比1.69。聯(lián)合收割機(jī)為雷沃重工股份有限公司GK120試驗(yàn)樣機(jī)，割幅寬度為4.25 m，留茬高度為10 cm，作業(yè)前進(jìn)速度為1.5 m/s。收獲作業(yè)時(shí)，檢測(cè)裝置安裝在聯(lián)合收割機(jī)糧倉(cāng)內(nèi)升運(yùn)器絞龍出糧口下方，如圖4b所示，在聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)方向每隔20 m選取一個(gè)4.25 m×2 m的樣本區(qū)域，共選取5個(gè)，假設(shè)每個(gè)樣本區(qū)域內(nèi)含水率一致并采樣適量籽粒樣品。由于田間溫度較高，水分蒸發(fā)很快，所以選擇對(duì)樣品含水率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量而非試驗(yàn)室低溫烘干，以減少水分損耗，所使用的測(cè)量?jī)x器型號(hào)為L(zhǎng)DS-1G電腦水分測(cè)定儀，測(cè)量絕對(duì)誤差≤0.5%，重復(fù)誤差≤0.2%。當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)入樣本區(qū)域時(shí)，記錄顯示屏上檢測(cè)裝置測(cè)得的含水率，如圖12b所示，并與水分測(cè)定儀測(cè)量的含水率進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

a. GK120樣機(jī)收割作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)a. GK120 prototype on-site harvestingb. 含水率在線顯示b. Moisture content online display

表2 田間收割試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1）本文基于微波反射法設(shè)計(jì)了一種稻麥聯(lián)合收割機(jī)谷物含水率在線檢測(cè)裝置，搭建了微波測(cè)量模塊對(duì)稻麥進(jìn)行無損在線測(cè)量，設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路將微波參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)，設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路以STM32F103RCT6微控制器為核心實(shí)現(xiàn)采樣機(jī)構(gòu)控制、信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換、滑動(dòng)平均濾波、谷物含水率計(jì)算和CAN總線通訊等功能，最后將含水率在車載顯示器上實(shí)時(shí)顯示。

2）為減小信號(hào)中的干擾，采用了滑動(dòng)平均濾波算法，有效還原了真實(shí)信號(hào)；開展了水稻和小麥的電壓-含水率標(biāo)定試驗(yàn)，建立了稻麥含水率分段線性檢測(cè)方程；所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置對(duì)稻麥含水率的測(cè)量范圍為14%～34%。

3）對(duì)谷物含水率在線檢測(cè)裝置進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)以及田間收割試驗(yàn)，室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)中其性能標(biāo)準(zhǔn)差為0.458 3%，平均相對(duì)誤差在2.5%左右，田間收割試驗(yàn)中其性能標(biāo)準(zhǔn)差為1.078 0%，相對(duì)誤差在5%左右。

本文所設(shè)計(jì)的稻麥聯(lián)合收割機(jī)的谷物含水率在線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用性較高，適用于聯(lián)合收割機(jī)狹小空間安裝和稻麥含水率無損在線測(cè)量，對(duì)于農(nóng)作物收獲參數(shù)在線測(cè)量、提升農(nóng)業(yè)裝備智能化水平和實(shí)現(xiàn)中國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略具有重要意義。

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Development of on-line detection device for grain moisture contentusing microwave reflection method

Zhang Wei, Yang Gang, Lei Junbo※, Liu Chengliang, Tao Jianfeng, Qin Chengjin

(,,200240,)

Moisture content is one of the important indicators in grain harvesting, trading, storage and processing. High moisture content will lead to a series of problems of grain such as mildew, deterioration, shortened storage time, lower transaction price and higher processing cost. With the development of precision agriculture, accurate detection of grain moisture content can also accurately assess the growing situation of crops, and then provide guidance for the next season’s crop planting. Compared with the drying method, the capacitance method and the electric resistance method, the microwave method is easy to realize the non-destructive measurement of the grain moisture content, which is an important direction of moisture content detection. In the field of on-line detection of moisture content of rice and wheat in combine harvesters, foreign related research started earlier, and enterprises have commercialized, but this technology is still in the research stage in China. Aiming at the problem that the rice-wheat combine harvester is difficult to accurately measure the moisture content of wheat and rice during harvesting operation, this paper studied a non-destructive on-line detection method of grain moisture content based on microwave reflection method, established the grain moisture content measurement model, designed a non-destructive on-line detection device for grain moisture content used on rice-wheat combine harvesters. The device used a 450 MHz microwave measurement module to measure the moisture content of rice and wheat non-destructively. The voltage conversion circuit was designed to convert microwave parameters into voltage signals, and the average filtering algorithm was used for signal filtering to reduce the impact of interference factors. Finally, the moisture content detection model of rice and wheat, which was established by the calibration experiment, was used to calculate the moisture content. The calculation result was displayed on the display in real time via CAN bus communication. Due to the insufficient installation space in rice-wheat combine harvester, the structure of the detecting device was designed and optimized, and the circuit portion and the sampling mechanism were integrated in a compact structure. Based on the above theoretical research, technology development and structural design, this paper carried out laboratory static experiments and field harvesting experiments. The laboratory static experiment used rice and wheat to illustrate the establishment process of the grain moisture content detection model: 30 groups of rice and 30 groups of wheat samples were prepared, moisture contents and voltages calibration experiment was completed, the rice and wheat moisture content detection models was established and the experimental results were analyzed. The field harvesting experiment was verified the practicability and reliability of the grain moisture content detecting device with rice as the test object. The experiment results show that the performance standard deviations of the laboratory static experiment and the field harvest experiment are 0.458 3% and 1.078 0%, respectively, and the relative error are around 2.5% and 5%, respectively. Moisture content measuring range of the detection device for rice and wheat is 14%-34%, which meets the project requirements.

moisture content; agricultural machinery; microwave; sliding average filtering; experimental study

張 偉，楊 剛，雷軍波，劉成良，陶建峰，覃程錦. 基于微波反射法的谷物含水率在線檢測(cè)裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(23)：21－28.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003 http://www.tcsae.org

Zhang Wei, Yang Gang, Lei Junbo, Liu Chengliang, Tao Jianfeng, Qin Chengjin. Development of on-line detection device for grain moisture contentusing microwave reflection method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 21－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003 http://www.tcsae.org

2019-08-01

2019-11-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0702001）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0700105）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（16391903102）

張 偉，博士生，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：zhang_wei@sjtu.edu.cn

雷軍波，助理研究員，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：jblei@sjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.003

S225.3

A

1002-6819(2019)-23-0021-08