杜馳平

(河南省水利水電學(xué)校，河南 周口 466001)

0 引言

近年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植模式發(fā)生改變，農(nóng)田開始向種植大戶集中，面積較大、地勢(shì)平坦的田塊數(shù)量增加。同時(shí)，農(nóng)村的勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力資源數(shù)量和質(zhì)量都大幅下降。受此影響，以往的生產(chǎn)方式無法適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，面臨效率低下和成本高的問題。另一方面，農(nóng)田連片集中、地勢(shì)平坦廣闊，為推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械提供了空間。機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)主要內(nèi)容，其作業(yè)效率高，可以快速完成農(nóng)業(yè)操作，增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵御自然風(fēng)險(xiǎn)的能力。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化起步較晚，但發(fā)展迅速，針對(duì)主要糧食作物設(shè)計(jì)了多種類型和功能的生產(chǎn)機(jī)械，促進(jìn)許多種植區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了全程機(jī)械化。但是，我國(guó)許多農(nóng)業(yè)機(jī)械的適應(yīng)性還沒有得到檢驗(yàn)，新技術(shù)少、自動(dòng)化水平不高的問題普遍存在，制約了進(jìn)一步推廣應(yīng)用的潛力。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的在于推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；蛯I(yè)化，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新的發(fā)展方向。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)賦予農(nóng)業(yè)機(jī)械不同的內(nèi)容，要求升級(jí)技術(shù)，提高自動(dòng)化水平[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化可以有效提高作業(yè)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

收割是作物生產(chǎn)的最終環(huán)節(jié)，合適的收割時(shí)機(jī)對(duì)保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)起著決定性作用。過早收割會(huì)導(dǎo)致作物日產(chǎn)量損失，太晚又會(huì)增加各種不利因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)；種植者必須把握最佳收割時(shí)機(jī)，且收割環(huán)節(jié)持續(xù)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。我國(guó)的許多作物都依靠農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行收割，糧食作物由于種植面積大，收割時(shí)期集中，機(jī)械化收割的需求迫切。目前，收割機(jī)在糧食產(chǎn)區(qū)的普及程度較高，但整體技術(shù)相比國(guó)外較為落后，機(jī)械控制的自動(dòng)化水平有待提高。

反映收割機(jī)運(yùn)行狀況的作業(yè)參數(shù)有多種，包括行走速度、滾筒轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速和喂入量等。在作業(yè)過程中，受人工操作和工作條件的影響，實(shí)際參數(shù)與設(shè)定值或最佳值之間存在偏差：偏差值過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致作業(yè)效率降低，或者機(jī)械的負(fù)荷過高，引起零部件變形甚至損壞，影響正常作業(yè)[2]。目前，收割機(jī)的作業(yè)狀況監(jiān)控大多由駕駛?cè)藛T根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行觀察和控制，對(duì)操作能力要求較高，也增加了工作強(qiáng)度，且控制精確度無法保證。為此，專家設(shè)計(jì)了收割機(jī)的各種監(jiān)控方法：袁文勝等利用壓力傳感器檢測(cè)喂入量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)收割機(jī)行走速度，使其保持正常的運(yùn)行負(fù)荷[3]；趙爽根據(jù)收割機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)行走速度，取得了理想的控制效果[4]。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，許多新型技術(shù)如單片機(jī)、嵌入式技術(shù)和PC機(jī)等都作為核心被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的監(jiān)控上。單片機(jī)的功能過于簡(jiǎn)單，以其為核心的監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)難度大，運(yùn)行穩(wěn)定性也不理想。以PC機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)成本太高，同時(shí)冗余的功能多，影響了推廣范圍[5]。與這兩種技術(shù)相比，嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)集成具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

嵌入式技術(shù)是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上建立的以應(yīng)用為核心，具有可編輯軟硬件，且對(duì)功能、可靠性、體積和功耗嚴(yán)格要求的專業(yè)計(jì)算機(jī)電子信息系統(tǒng)[6]。嵌入式系統(tǒng)具有微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，并兼顧了各項(xiàng)性能的平衡性，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)展前景廣闊[7]。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用范圍覆蓋國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活的許多領(lǐng)域，對(duì)各種機(jī)械和設(shè)施運(yùn)行狀況的監(jiān)控是嵌入式的一個(gè)重要功能。嵌入式與機(jī)械的整合主要集中在工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上，工程機(jī)械包括裝載機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和挖掘機(jī)等[8-10]。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械上，賈全忠提出了一種基于嵌入式開發(fā)平臺(tái)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的信息收集和檢測(cè)調(diào)度[11]。張微微等和錢坤等都設(shè)計(jì)了基于嵌入式云計(jì)算平臺(tái)的采棉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)采棉機(jī)的作業(yè)位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[12-13]。張建軍等提出了基于WSN和嵌入式的收割機(jī)智能監(jiān)測(cè)優(yōu)化方法，結(jié)果表明具有實(shí)際應(yīng)用的可行性[14]。此外，嵌入式技術(shù)還應(yīng)用在糧庫(kù)和溫室的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建中，并體現(xiàn)出明顯的效果[15-16]。本文基于嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)收割機(jī)的電子監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)收割機(jī)作業(yè)參數(shù)和狀況進(jìn)行監(jiān)控，以降低收割機(jī)的故障率，提高自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)組成和原理

收割機(jī)電子監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，由收割機(jī)的蓄電池提供電源。監(jiān)控終端設(shè)備安裝在各個(gè)作業(yè)部件上，采集收割機(jī)運(yùn)行的參數(shù)信息，通過連接器傳輸給微處理器。微處理上連接嵌入顯示屏、控制面板、時(shí)鐘復(fù)位電路和存儲(chǔ)器。其中，顯示屏用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，控制面板用于設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，時(shí)鐘復(fù)位電路用于保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)監(jiān)控的信息。系統(tǒng)的應(yīng)用程序和操作軟件安裝在存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以微處理器為核心，加上嵌入式的硬件設(shè)備和嵌入式軟件操作程序，安裝在收割機(jī)械上。微處理器為STM32F103VCT6型主控制芯片，具有32位Cortex-M3內(nèi)核。該型芯片具有48kB的RAM，256K的FLASH腳本，處理速度和存儲(chǔ)空間性能都較好，相對(duì)其10元左右的價(jià)格，體現(xiàn)出較高的性價(jià)比。另外，該芯片可適應(yīng)多種通信模式，與其它模塊之間建立通信及優(yōu)化設(shè)計(jì)都極為方便。

監(jiān)控設(shè)備包括1個(gè)安裝在收割機(jī)輸送器入口地板處的TJP-1型壓力傳感器，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)從而測(cè)定喂入量；3個(gè)HAL41F型霍爾元件，分別安裝在收割機(jī)的滾筒、攪龍和地輪上，檢測(cè)各部件轉(zhuǎn)動(dòng)形成脈沖信號(hào)，從而獲得部件的轉(zhuǎn)速和機(jī)械行走速度；監(jiān)控部件通過TLC1543CN型轉(zhuǎn)換器與微處理器連接。

圖1 系統(tǒng)的組成部分

電子監(jiān)控系統(tǒng)使用3.5V的電壓，以收割機(jī)12V的蓄電池作為電源。采用德州儀器TPS7A4700型低壓差線穩(wěn)壓器，在輸入電壓12V時(shí)的最小輸出電壓為3V，最大輸出電壓為36V，最大電流為1A，可以滿足系統(tǒng)的要求。微處理器外接S1D13506型顯示屏用于數(shù)據(jù)的顯示，采用分辨率500×800的TFT液晶屏，顯著提高了屏幕效果。參數(shù)設(shè)定設(shè)備為JZ-9型矩形控制面板，為方便收割機(jī)駕駛?cè)藛T使用，優(yōu)化了按鍵和電路的設(shè)計(jì)，增加編碼功能使操作人員可以根據(jù)各自的習(xí)慣對(duì)按鍵進(jìn)行設(shè)定。微處理器上還連接北京宏空HK-CRAM型存儲(chǔ)器進(jìn)行信息和分析結(jié)果的保存，以及706R型時(shí)鐘復(fù)位電路。

系統(tǒng)采用CAN總線的通信方式，抗干擾能力強(qiáng)，可以支持多條線路的有效連接，適合在復(fù)雜的自然環(huán)境條件下工作。通信線路采用RS232的串口，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的數(shù)量，裝備2個(gè)電源，2個(gè)CAN總線和3個(gè)RS232串口。為方便用戶根據(jù)實(shí)際需求嵌入新的功能，系統(tǒng)預(yù)留一定數(shù)量的連接端口。

3 軟件和算法

目前，嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)主要有面向控制及通信的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和面向電子消費(fèi)的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，種類包括Vxwork、WindowsCE、Embedded和Linux等。其中，WindowsCE為32位的實(shí)時(shí)操作軟件，具有較強(qiáng)的功能，且適合硬件內(nèi)存和體積小的系統(tǒng)，因此在研究中采用。監(jiān)控系統(tǒng)的操作程序?yàn)槟K化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行裁剪，將其內(nèi)核增加到4M即可實(shí)現(xiàn)圖像處理功能。程序基于API函數(shù)設(shè)計(jì)，便于開發(fā)升級(jí)，以增加監(jiān)控的信息種類。

收割機(jī)的部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的核心芯片負(fù)荷較重。微處理器既要接受監(jiān)控設(shè)備獲取的運(yùn)行狀況信息，又要對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并輸出控制信號(hào)。針對(duì)這一問題，本研究采用分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，分?jǐn)偤诵男酒倪\(yùn)行負(fù)荷，出現(xiàn)故障的嵌入式設(shè)備能被其它部件及時(shí)替代，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)收割機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法，以檢測(cè)作業(yè)負(fù)荷，即在保證總方差最小的前提下，通過自適應(yīng)方法計(jì)算最優(yōu)加權(quán)因子，獲得融合后的測(cè)量值。為應(yīng)對(duì)多傳感器的情況，嵌入式系統(tǒng)須要學(xué)習(xí)該算法，再引入控制收割機(jī)參數(shù)的程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速和行駛速度合理性的判斷。系統(tǒng)軟件的監(jiān)控過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件的監(jiān)控過程

4 系統(tǒng)測(cè)試

本研究中將嵌入式電子監(jiān)控系統(tǒng)安裝在稻麥類收割機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。收割機(jī)為久保田4LZ-2.5型全喂入式履帶收割機(jī)，適用于水稻、小麥和油菜等作物的收割作業(yè)。收割機(jī)的額定功率50kW，工作幅寬2m，喂入量2.5kg。測(cè)試的作物為水稻和小麥，分別以1.1、1.4、1.7m/s的速度行駛，完成5hm2作物的收割。測(cè)試過程中啟動(dòng)電子監(jiān)控器采集收割機(jī)作業(yè)狀況，為駕駛?cè)藛T提供參考，最后記錄收割機(jī)的作業(yè)效率和故障率。

測(cè)試的結(jié)果如表1所示。整個(gè)過程中監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在其輔助操作下，收割機(jī)的故障率極低，僅有的幾次故障都是由滾筒堵塞造成。收割機(jī)作業(yè)過程順利流暢，作業(yè)效率隨著行駛速度的增加而穩(wěn)步提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)的田間測(cè)試

5 結(jié)論

基于嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了收割機(jī)的電子監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)收割機(jī)作業(yè)參數(shù)和狀況進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，由監(jiān)控終端設(shè)備、嵌入式顯示屏、控制面板、復(fù)位電路和存儲(chǔ)器等部件組成。系統(tǒng)安裝在收割機(jī)上對(duì)水稻和小麥進(jìn)行收割試驗(yàn)，整個(gè)過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在其輔助操作下，收割機(jī)的故障率極低，作業(yè)過程順利流暢，作業(yè)效率隨著行駛速度的增加而穩(wěn)步提高。系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，可以降低收割機(jī)的故障率，提高自動(dòng)化水平。