張曉云

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

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履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能終端的研究

張曉云

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，常常存在信息管理不集中、設(shè)備利用率低及設(shè)備維修不及時(shí)等問(wèn)題。為此，以履帶式收割機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種基于STM32的履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能終端，采用嵌入式智控平臺(tái)、GPS、GSM以及CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)履帶式收割機(jī)地理信息、工作信息、清洗夾帶損失、機(jī)械故障，以及預(yù)防突發(fā)性障礙的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)終端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶式聯(lián)合收割機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和潛在故障信息的準(zhǔn)確采集與判斷，對(duì)實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的地理信息、主動(dòng)維護(hù)和預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生具有重要的參考價(jià)值。

履帶式收割機(jī)；智能監(jiān)測(cè)；CAN總線；STM32

0 引言

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展步伐的加快，給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)較大的需求空間。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)農(nóng)村、農(nóng)業(yè)的投入支持力度將不斷加大。20世紀(jì)以后，機(jī)械、電子等科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。在這個(gè)時(shí)代背景下，履帶式收割機(jī)獲得快速發(fā)展，聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械和電子控制系統(tǒng)比較復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差、工作負(fù)荷大，容易引起其工作不穩(wěn)定、故障率高。為此，各種收割機(jī)工作狀態(tài)和故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，人們提出了“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的思想，綜合了現(xiàn)代信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械等幾大學(xué)科，應(yīng)用了智能決策、GPS、GSM、CAN總線及自動(dòng)控制理論技術(shù)。本文將“數(shù)字農(nóng)業(yè)”的思想應(yīng)用于履帶式聯(lián)合收割機(jī)，通過(guò)各個(gè)檢測(cè)模塊和智能監(jiān)測(cè)終端，實(shí)時(shí)對(duì)收割機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及機(jī)身各部件進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，使聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)過(guò)程中具有最高的效率。

1 履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依托GIS系統(tǒng)、GSM數(shù)字公眾通訊網(wǎng)絡(luò)、嵌入式智能終端及GPS系統(tǒng)等高科技，可以準(zhǔn)確判斷和預(yù)警收割機(jī)是否偏離正常狀態(tài)，檢測(cè)其運(yùn)行情況，防止突發(fā)性障礙的發(fā)生。同時(shí)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤收割機(jī)的作業(yè)情況，提供有效的作業(yè)里程、油耗等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并可提供收割機(jī)歷史行走軌跡的檢索和回放。

聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理：利用車載嵌入式智能終端，收集聯(lián)合收割機(jī)的GPS信息、GIS信息及特征狀態(tài)信息，通過(guò)STM32控制器處理并經(jīng)由GSM數(shù)字公眾通訊網(wǎng)絡(luò)傳回至檢測(cè)控制中心，數(shù)據(jù)再次處理后存入主服務(wù)器；同時(shí)可根據(jù)定位系統(tǒng)在地圖上實(shí)時(shí)標(biāo)出目標(biāo)收割機(jī)的位置和移動(dòng)軌跡。為方便廠商和用戶使用，主服務(wù)器的信息可以WEB的形式公布到互聯(lián)網(wǎng)上，讓授權(quán)人員對(duì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)和預(yù)警，預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能終端可以安裝在移動(dòng)的收割機(jī)上，將收割機(jī)的GPS信息、GIS信息及特征狀態(tài)信息傳回至主服務(wù)器，方便公司技術(shù)人員隨時(shí)了解在全國(guó)投入使用機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和地理位置，判斷收割機(jī)工作性能，方便售后人員主動(dòng)維修和服務(wù),以達(dá)到提高效率、節(jié)約成本的目的，做到移動(dòng)資產(chǎn)的安全生產(chǎn)管理和運(yùn)行。智能終端的設(shè)計(jì)主要包括需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬軟件設(shè)計(jì)、整機(jī)調(diào)試和仿真試驗(yàn)等階段，其流程圖如圖2所示。

圖2 智能終端的設(shè)計(jì)流程圖

2 履帶式收割機(jī)智能終端的需求分析

根據(jù)履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)設(shè)計(jì)智能監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，首先需要對(duì)該智能監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)進(jìn)行需求性分析，根據(jù)收割機(jī)各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，確定智能監(jiān)測(cè)終端的最終需求方案。

履帶式收割機(jī)是依靠履帶移動(dòng)的聯(lián)合收割機(jī)，屬于大型收割裝備，廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)作物的收割現(xiàn)場(chǎng)；與輪式收割機(jī)相比，履帶式收割機(jī)在松軟的田間行走方面，對(duì)農(nóng)田土壤壓力較小。履帶式收割機(jī)由HST液壓無(wú)極變速控制系統(tǒng)、割臺(tái)、脫粒裝置、分離裝置、清洗裝置、行走系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等部件組成。

履帶式聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，一定會(huì)產(chǎn)生力和能量等參數(shù)的傳遞與變化，這些狀態(tài)的變化反應(yīng)了履帶式收割機(jī)的工作狀態(tài)。對(duì)一臺(tái)收割機(jī)而言，有很多特征信息可以判斷機(jī)運(yùn)行器狀態(tài)，這些信息主要包括直接信息和間接信息兩類。

1)直接信息：如履帶式收割機(jī)各個(gè)零部件的磨損程度和老化狀況，這些變化極易使收割機(jī)產(chǎn)生故障，但收割機(jī)在出售使用后，就很難獲取各部件使用狀況的信息，所以在檢測(cè)中不能將其作為狀態(tài)特征參數(shù)。

2)間接信息：如履帶式收割機(jī)的喂入量、作業(yè)生產(chǎn)率、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及液壓系統(tǒng)的中壓力與溫度等，這些數(shù)據(jù)信息都間接地反應(yīng)了收割機(jī)工作能力的變化，在收割機(jī)作業(yè)過(guò)程中可根據(jù)這些信息對(duì)收割機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警，是比較有用的狀態(tài)特征信息。

在收割機(jī)工作中，某些故障的發(fā)生可能導(dǎo)致一些物理量的變化，但能夠直接用于判斷機(jī)器故障的狀態(tài)信息應(yīng)該有以下特點(diǎn)。

1)可靠性：某些特定參數(shù)會(huì)隨著收割機(jī)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，而且這些特性的參數(shù)應(yīng)該和收割機(jī)的工作情況之間呈單值關(guān)系，不能出現(xiàn)模糊的關(guān)系。

2)敏感性：該特征參數(shù)必須在收割機(jī)工作狀態(tài)有細(xì)微變化時(shí)產(chǎn)生較大的變化，能夠最大程度地映射出收割機(jī)客觀狀態(tài)。

3)實(shí)用性：選定的特征參數(shù)容易采集和分析。

根據(jù)收割機(jī)日常使用情況及對(duì)特征信息的仔細(xì)分析，本系統(tǒng)主要選用工況信號(hào)、壓力信號(hào)、溫度信號(hào)及轉(zhuǎn)速信號(hào)為檢測(cè)的特征參數(shù)。

智能終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求有功能性和非功能性兩種：功能性需求主要是數(shù)據(jù)采集和信息無(wú)線傳輸?shù)墓δ?；非功能性需求則主要是智能終端的性能、功耗及成本等方面。

遠(yuǎn)程狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)終端是收割機(jī)上的車載裝置，主要任務(wù)是采集和檢測(cè)收割機(jī)工作狀態(tài)信息，并由智能控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效處理，然后將數(shù)據(jù)以無(wú)限傳輸?shù)姆绞絺魉徒o監(jiān)測(cè)控制中心的主服務(wù)器。遠(yuǎn)程狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)終端的主要功能如下：CAN總線數(shù)據(jù)采集、GPS定位、自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸及時(shí)間標(biāo)簽。

遠(yuǎn)程狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)終端工作環(huán)境在收割機(jī)機(jī)體內(nèi)，工作環(huán)境比較惡劣，因此需要有高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)，主要包括工作電壓、工作環(huán)境溫度、GPS精度及軟硬件的可靠性等。

3 收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)智能終端的硬軟件設(shè)計(jì)

收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)智能終端包括硬件和軟件兩部分的設(shè)計(jì)：硬件包括STM32核心處理器及外圍檢測(cè)和控制設(shè)備；軟件包括各類傳感器檢測(cè)信息及智能控制模塊信息的采集和處理、多參數(shù)的計(jì)算及顯示等。其中，檢測(cè)信息包括履帶式收割機(jī)的喂入量、作業(yè)生產(chǎn)率、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以及液壓系統(tǒng)的中壓力與溫度等。

3.1 智能監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)

智能檢測(cè)終端的硬件系統(tǒng)主要包括STM32處理器、電源管理模塊、GPS模塊、GSM模塊、雙CAN總線模塊、時(shí)鐘模塊、JIAG調(diào)試模塊及參數(shù)采集存儲(chǔ)模塊等，其框架圖如圖3所示。

圖3 智能監(jiān)測(cè)終端的硬件框架圖

1)雙CAN總線的設(shè)計(jì)。CAN總線作為整個(gè)智能終端控制和通訊的中心，采用TMS32內(nèi)部的雙路控制模塊。雙CAN總線的設(shè)計(jì)為CAN收發(fā)器提供物理總線接口。一般情況下，會(huì)采用兩個(gè)高速光耦實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)電氣上的隔離。由于這種設(shè)計(jì)方法體積大、成本較高，因此采用自帶隔離的CAN收發(fā)模塊。

2)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊。數(shù)據(jù)接收和發(fā)送系統(tǒng)采用GSM和GPS系統(tǒng)，利用GSM數(shù)字公眾通訊網(wǎng)絡(luò)和GPS全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的接收發(fā)送，GSM采用西門子公司的TC35為核心模塊，經(jīng)過(guò)RS232與STM32相接，可以將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到主服務(wù)器上。GSM模塊的工作框架圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊的工作框架圖

3)自斷電電路的設(shè)計(jì)。為了檢測(cè)和控制履帶式收割機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間，方便關(guān)機(jī)時(shí)刻數(shù)據(jù)的傳輸，本智能終端采取了自動(dòng)斷電的設(shè)計(jì)，其原理如圖5所示。當(dāng)收割機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，控制繼電器處于常閉狀態(tài)，電流可直接給智能終端供電，在收割機(jī)開(kāi)機(jī)的同時(shí)開(kāi)始工作；當(dāng)收割機(jī)關(guān)閉電源時(shí)，收割機(jī)整機(jī)關(guān)機(jī)，智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到變化，控制繼電器動(dòng)作，此時(shí)智能終端改由蓄電池供電，帶智能終端發(fā)送完?duì)顟B(tài)信息后，再次控制繼電器動(dòng)作，智能終端自動(dòng)斷電。

圖5 智能終端自斷電原理圖

3.2 智能監(jiān)測(cè)終端的軟件設(shè)計(jì)

智能檢測(cè)終端系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)后，進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入main函數(shù)，啟動(dòng)BIOS，交由BIOS控制。智能監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 智能監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6中，HWI_cana和HWI_canb是對(duì)總線信息進(jìn)行采集的，一旦CAN總線上有數(shù)據(jù)信號(hào)出現(xiàn)，就會(huì)引起中斷，并觸發(fā)SWI_cana和SWI_canb軟中斷。HWI_clk是通訊時(shí)鐘信息，負(fù)責(zé)整合GPS、GIS和收割機(jī)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)整合后再激活TSK_send，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在數(shù)據(jù)發(fā)送期間不影響其他數(shù)據(jù)的采集。

4 收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)智能終端仿真試驗(yàn)分析

為了測(cè)試智能終端硬軟件的兼容性，在研究過(guò)程中利用CCS集成軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并對(duì)智能終端系統(tǒng)進(jìn)行硬軟件模擬仿真。該仿真平臺(tái)設(shè)備主要包括Seed XDS USB硬件仿真器、CAN mini接口、2臺(tái)帶GPRS數(shù)據(jù)接收功能的電腦、1臺(tái)裝有ZLGCANTest軟件的電腦以及智能終端等。仿真平臺(tái)框架圖如圖7所示。

通過(guò)仿真平臺(tái)的反復(fù)調(diào)試和改進(jìn)，智能終端達(dá)到設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，硬件運(yùn)行正常，軟件執(zhí)行順暢，整個(gè)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。

經(jīng)過(guò)調(diào)試和改進(jìn)后，智能終端的設(shè)計(jì)基本結(jié)束，為驗(yàn)證其實(shí)際效果，于2015年10月進(jìn)行了一次試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)位于綿陽(yáng)游仙區(qū)。試驗(yàn)中，對(duì)幾臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并將狀態(tài)信息傳送回位于武漢的服務(wù)器上，服務(wù)器上可以通過(guò)智能終端實(shí)時(shí)對(duì)收割機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)備SGJ2511-TEST工作狀態(tài)檢測(cè)如圖8所示。

圖7 智能終端仿真平臺(tái)框架圖

圖8 設(shè)備SGJ2511-TEST工作狀態(tài)檢測(cè)圖

開(kāi)機(jī)時(shí)，智能終端將進(jìn)行自檢，檢測(cè)收割機(jī)核心工作部件是否正常，并將實(shí)時(shí)采集處理的信息發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器。智能終端將接收的信息通過(guò)系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，根據(jù)收割機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)速度、喂入量及液壓系統(tǒng)的溫度和壓力判斷機(jī)器發(fā)動(dòng)機(jī)、割臺(tái)裝置、液壓控制系統(tǒng)是否有故障或者潛在故障，并將數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器上固定的路徑上，方便技術(shù)人員查找。試驗(yàn)表明:雙CAN總線通訊正常，采集參數(shù)準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)的定位。通過(guò)檢測(cè)機(jī)器喂入量、作業(yè)生產(chǎn)率、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)的中壓力與溫度等信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)了解收割機(jī)工作狀態(tài)和潛在故障，對(duì)主動(dòng)維護(hù)和預(yù)防突發(fā)性故障有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于STM32的履帶式收割機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能終端的設(shè)計(jì)方案，采用嵌入式智控平臺(tái)、GPS、GSM及CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和預(yù)警。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)完成與服務(wù)器信息的共享，能夠提前對(duì)收割機(jī)的潛在故障進(jìn)行預(yù)警，并能通過(guò)服務(wù)器的跟蹤檢測(cè)，集中調(diào)度收割機(jī)的作業(yè)區(qū)域，提高聯(lián)合收割機(jī)的工作效率，為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)提供了重要的參考價(jià)值。

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Research on the Intelligent Terminal of the Remote Monitoring System of the Crawler Harvester

Zhang Xiaoyun

(Mianyang Vocational and Technical College (Mianyang Polytechnic), Mianyang 621000, China)

With the social and economic level of a large increase, China's various industries have made great progress and development. As an important strategy to improve farmers' income and promote agricultural modernization, agricultural mechanization has been developed very rapidly in recent years, but it also has a shortage in the process of wide application. Agricultural machinery and equipment in the actual production and application, often there is a problem of information management is not concentrated, low equipment utilization and equipment maintenance is not timely and other issues. In this paper, the research object of this paper is to study the remote monitoring system of the crawler harvester based on STM32. The intelligent terminal adopts embedded intelligent control platform, GPS, GSM and CAN bus technology to realize remote monitoring and early warning of geographic information, job information, washing and entrainment loss, mechanical failure and Prevention of sudden obstacles. The experiment shows that the system can realize the accurate collection and judgment of the real-time working state and potential failure information of the crawler type combine harvester, which has important reference value for the realization of the information, the active maintenance and the prevention of the sudden failure of the harvester.

crawler harvester; intelligent monitoring; CAN bus; STM32

2015-12-16

四川省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015SC1552)

張曉云(1968-)，女，四川眉山人，副教授，碩士，(E-mail)1318747794@qq.com。

S225;TP274

A

1003-188X(2017)02-0176-05