一种基于磁场的种子深度探测系统的制作方法

本实用新型涉及农业种植技术领域，尤其涉及一种能检测土壤中种子实际深度的基于磁场的种子深度探测系统。

背景技术：

在进行农业种植时，播种深度决定着种子的萌发、幼苗的出土、出土后的成活、成活后的长势以及营养物质含量等诸多问题。现有种子质量评定中，深度数据多为播种时的记录，数据误差大。通过育种实验发现，多枚种子播入土中后，土壤容重增加，种子实际深度随之改变，发芽时的深度与播种深度不符。因土壤可视性差，现有测深方法多为将苗挖出后检测数据，此方法对幼苗损伤大，影响后期发育阶段的观测。因此急需开发一套能精确无损的探测种子深度的系统。

现有研究中，S.Kiani等于2010年提出使用非接触式超声波传感器对种子单元进行自动在线深度控制，可精确控制播种坑深。李玉环等于2016年提出玉米播种深度智能调控系统，播种合格率明显优于机械仿形装置，实现了播种深度的自动调控，保证了玉米播种深度一致性。但以上方法都不能获取种子覆土后实际深度。闫述等在地球物理学报上发表了《瞬变电磁法的探测深度问题》一文，文中提到可利用瞬变电磁测探法勘探深度，若对种子采取一些措施，使其具有磁性，则可考虑利用该方法检测种子的深度，有效解决种子实际覆土深度检测的难题，实现无接触检测。

技术实现要素：

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于磁场的种子深度探测系统，通过检测磁场强度实现对种子深度的无接触检测，减少对种子的损伤，提高种子实验数据精度。

本实用新型采用的方案如下：

一种基于磁场的种子深度探测系统，包括上位机和探测器，还包括与种子同位置设置的磁体，所述探测器包括机架及其上安装的单片机、运动控制板、三维运动机构和数据采集单元，单片机、运动控制板均与上位机通信连接，单片机与运动控制板双向通讯连接，运动控制板的输出端与三维运动机构控制端连接；所述数据采集单元包括磁场强度传感器和距离传感器，两传感器位于三维运动机构的运动执行部件上，与运动执行部件同步移动，磁场强度传感器用于采集土壤内磁场强度，距离传感器用于采集自身距地面的距离，两传感器与单片机的输入端连接。

本实用新型中，上位机与运动控制板通信，向运动控制板发送运动控制指令，由其控制三维运动机构动作。三维运动机构的运动执行部件上设有距离传感器，通过测量不共线三点与土壤表面的距离，确保三维运动机构相对土壤高度不变，从而实现三维运动机构扫描运动平行于被测土壤平面。播种时，将每枚种子和一个磁体相互接触埋入土中，利用磁体模拟种子位置。三维运动机构扫描运动时，磁场强度传感器在土壤上方沿指定路径扫描，采集磁场强度数据。在每个设定测点停顿时，运动控制板向单片机发送数据采集指令，使单片机将磁场强度传感器采集的当前场强数据Z与运动控制板输出的测点位置坐标X、Y绑定并存储，单片机存储完数据后向运动控制板发送指令，运动控制板控制三维运动机构移动到下一个测点扫描。单片机一并将存储数据传输给上位机，由上位机根据场强数据分析得出种子深度。

优选的，所述三维运动机构采用Delta并联机构，该机构包括固定平台和浮动平台，磁场强度传感器和距离传感器位于浮动平台底部。

为使种子显示磁性，可以是外附磁体，将磁体与种子紧密相邻置入土壤中，所述磁体优选磁性金属球。也可以是通过包衣充磁方式使种子磁化。种子磁化工艺中，不同作物的适宜磁场强度从1000高斯到6500高斯不等，普通磁球磁场强度多为5000高斯以内，合理选用不同磁场强度的磁球不会阻碍种子正常萌发，因此不需要担心此种探测方式会对种子生长发育不利。

优选的，所述磁场强度传感器采用高斯计。高斯计内置霍尔效应传感器，该传感器经1.5V电压激励输出差分信号，其输出电压对应于磁场强度线性度好，高频特性优良，用来测量磁场强度，精度高。

优选的，所述单片机采用ATmega328型号，单片机的23脚连接高斯计，单片机的24脚连接距离传感器，单片机的IO1、IO2、IO3脚连接运动控制板通用输出模块的O1、O2、O3脚，运动控制板方向及脉冲信号输出模块的XS、XD、YS、YD、ZS、ZD脚连接三维运动机构。单片机集成了信号模式转换与放大电路、滤波电路，对采集到的数据进行初步处理后，再传输给上位机。

在多种探测方式中，红外光电探测法传感器成本高，数据处理复杂；超声波传感器受土壤介质影响大，难以识别小体积目标，探测数据精度低。而本实用新型提供的基于磁场的种子深度探测系统，通过使种子显示磁性，检测土壤中磁场强度，从而获得种子实际深度。在该方案中，磁体易于购得，属于非消耗品，可多次重复使用，传感器成本相对较低可实现简洁高效的算法，相对上述两种方式，成本低，检测精度更高。

附图说明

图1是本实用新型的系统控制原理图；

图2是探测器的结构示意图；

图3是单片机的电路原理图；

图4是运动控制板方向及脉冲信号输出模块电路原理图；

图5是运动控制板通用输出模块电路原理图；

图6是运动控制板MCU模块电路原理图；

图7是运动控制板USB传输模块电路原理图；

图中，1、上位机，2、探测器，21、单片机，22、运动控制板，23、三维运动机构，24、数据采集单元，25、机架，26、支链，27、浮动平台，28、固定平台，3、磁性金属球。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

一种基于磁场的种子深度探测系统，如图1、2所示，包括上位机1、探测器2和若干磁性金属球3，磁性金属球3在播种时与种子一起相互接触埋入土壤中，每个磁性金属球对应一处种子位置。所述探测器2包括机架25，机架25顶部安装有控制箱(图中未显示)，控制箱内装有单片机21和运动控制板22，所述单片机21采用ATmega328型号芯片，运动控制板22采用Mach3数控运动控制板。单片机通过USB数据线与上位机通信，向其传输数据。上位机还通过USB数据线与运动控制板通信，向其发送运动控制指令。机架25顶部下表面通过螺丝固定有三维运动机构23。所述三维运动机构23采用Delta并联机构，该机构包括固定平台28、浮动平台27及连接两平台的支链26，固定平台上设有驱动电机，运动控制板的输出端与三维运动机构的电机连接，用于控制其运行过程。所述数据采集单元包括高斯计和距离传感器，两者安装于三维运动机构的浮动平台27底部，随浮动平台运动，实现检测位置的调节。距离传感器用于测量浮动平台距土壤表面的距离，以便实现三维运动机构的扫描运动平行于土壤表面。高斯计用于测量土壤内的磁场强度，单片机将某点的磁场强度数据与其位置坐标存储在一起，集中传入上位机，由上位机进行分析处理，获得种子三维坐标。

本实用新型所涉及的具体电路连接关系如下：如图3所示，单片机ZU1的23脚连接高斯计U20，采集磁场强度数据；24脚连接距离传感器U21，获取浮动平台高度数据。

如图4-7所示，运动控制板包括MCU模块、USB传输模块、存储模块、输入输出模块和电源模块，其中输入输出模块又包含通用输出模块、方向及脉冲信号输出模块。MCU模块采用AT91SAM7S64芯片U39，该芯片的OUTPUT0-OUTPUT7信号线连接通用输出模块一端，通用输出模块另一端为达林顿管阵列U19，该阵列的O1、O2、O3脚连接单片机的IO1、IO2、IO3脚，进行指令和数据传输。芯片U39的USB_DM、USB_DM信号线连接USB传输模块，用于通过USB数据线实现与上位机的通信。芯片U39通过STEP&DIR信号线连接方向及脉冲信号输出模块，向其发送运动指令，方向及脉冲信号输出模块的XS、XD、YS、YD、ZS、ZD端子连接三维运动机构，控制X、Y、Z轴三个方向的电机运转。

本实用新型的工作过程如下：

播种时，将每枚种子与一个磁性金属球相互接触播入土壤中，利用磁性金属球模拟种子位置。上位机向运动控制板发送扫描指令，运动控制板控制三维运动机构动作，带动数据采集单元移动扫描。在扫描时，需使得数据采集单元相对土壤表面的高度不变，即三维运动机构的扫描运动平行于被测土壤表面，可通过如下方式实现：三维运动机构在被测土壤平面区域上方测量不共线三点，通过距离传感器使此不共线三点和土壤表面距离相同，由三点确定一个平面定理求得土壤平面空间解析方程，将平面方程参数传入上位机，通过上位机对运动控制板平面扫描程序做出相应修改，使三维运动机构扫描运动平行于被测土壤平面。之后，高斯计在三维运动机构带动下，在埋有磁性金属球的土壤上方沿指定路径扫描，在每个设定测点停顿时，运动控制板向单片机发送数据采集指令，使单片机将高斯计测得的当前场强数据Z与运动控制板传来的坐标X、Y绑定并存储。

对于单片机记录坐标的控制，方式如下：高斯计每到达一个测点时，使运动控制板改变输出口电平状态，触发单片机记录坐标X、Y。单片机执行完某次坐标记录命令后，向运动控制板发送下一次扫描动作可进行的电平信号，运动控制板控制完成下一次扫描。具体运行方式为：运行时，高斯计在X轴方向每运动一步，若单片机接收运动控制板O1口发出的X轴信号，则X轴坐标加1，若单片机没有接收到运动控制板O1口发出的X轴信号，则继续等待运动控制板O1口发出的X轴信号。高斯计在Y轴方向每运动一步，若单片机接收到运动控制板O2口发出的Y轴信号，则Y轴坐标加1后X轴坐标清零，若单片机没有接收到运动控制板O2口发出的Y轴信号，则继续等待运动控制板2口发出的Y轴信号。若单片机接收到运动控制板3口发出的扫描运动结束信号，则程序结束，若单片机没有接收到运动控制板O3口发出的扫描运动结束信号，则等待运动控制板O1口发出的X轴信号。

单片机存储的成组场强数据和坐标数据集中上传到上位机，由上位机进行存储、分析和处理，获得种子的三维坐标。具体过程如下：

步骤一、数据处理。

步骤101、为避免环境影响测量结果，分别测量随距离变化的N极、S极和无磁体三种情况的场强数据，求出无磁体时场强平均值以及N、S极场强随距离变化的实际拟合曲线。

步骤102、一次扫描结束后，将含有X、Y坐标和磁场强度Z的采集点数组平滑去噪后转换为矩阵，重新精细采样。

步骤二、区分磁体姿态。

步骤201、分别求磁场强度最大值点和最小值点，将最值点与平均值做差，得变量a和b。

步骤202、设置阀值j用以判断矩阵曲面特点，若|a|>j且|b|>j，则呈双峰状，N/S极倾斜摆放，执行步骤四；若|a|>j或|b|>j，则呈单峰状，N/S极竖直摆放，执行步骤三。

步骤三、N/S极竖直摆放时。

步骤301、判定N极、S极：将单峰极值a、b与无磁场时平均值对比，大于平均值则为N极朝上；小于平均值则为S极朝上。

步骤302、求坐标X、Y：最值点在矩阵中的行、列值作为X、Y坐标。

步骤303、求坐标Z：最值点Z即为磁场强度，事先测得将其带入场强-距离拟合曲线求得磁体深度坐标Z。

步骤四、N/S极倾斜摆放时。

步骤401、设A为场强最大值点，B为场强最小值点，O为直线AB与均值水平面的交点，c1为点A在均值水平面的投影点，C2为点B在均值水平面的投影点，则ΔAC1O、ΔBC2O为相似直角三角形。

步骤402、求最值点与磁体距离：将两最值点A、B的场强值a、b带入场强-距离拟合曲线求得线段OA、OB长度。

步骤403、求坐标X、Y：由相似三角形定理联立方程解得X、Y。

步骤404、求坐标Z：直角三角形ΔAC1O中，由勾股定理求解公式AC1²+OC1²＝AO²，得Z坐标。

以上上位机进行的数据处理过程采用现有技术，本实用新型的改进点在于探测系统的硬件结构，不涉及数据处理方法的改进。