熊思華，李彥明，焦中元，劉成良

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206)

0 引言

在農(nóng)機智能化要求越來越高、精準農(nóng)業(yè)需求越來越迫切的背景下，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)機智能化、信息化技術(shù)的應用成為趨勢[1]。監(jiān)控系統(tǒng)是精準農(nóng)業(yè)的信息集成中心，具有數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)信息顯示、故障報警與診斷等功能。在精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，監(jiān)控系統(tǒng)的改進不可或缺。

美國JOHN DEERE公司、德國CLAAS公司、美國Case IH公司等國外的一些收割機的監(jiān)測技術(shù)較為成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了一些工作參數(shù)的監(jiān)測和產(chǎn)量的記錄與分析及定位系統(tǒng)等的應用，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、作業(yè)面積及損失率等[2-4]。目前，國外技術(shù)積累較為成熟，占據(jù)全球市場的絕大部分，國內(nèi)起步較晚，與國外差距較大。我國收割機械作業(yè)時主要靠人為判斷機器性能的優(yōu)劣，狀態(tài)監(jiān)測的手段處于大力研發(fā)階段。近年來，國內(nèi)研究主要體現(xiàn)在監(jiān)測過程中對行走速度、喂入量、損失率、割臺高度及GPS等基于ARM和CAN總線的軟硬件研究實現(xiàn)[5-9]，尚處于研發(fā)階段，并未實現(xiàn)量產(chǎn)。因此，國內(nèi)進行相關研究很有必要。參考SAE J1939通信協(xié)議及ISO11783農(nóng)機總線通信協(xié)議作為收割機械總線標準基礎[10-11]，總線化監(jiān)測系統(tǒng)是本文的研究重點。

1 整體框架

收割機械總線化監(jiān)測系統(tǒng)包括對各傳感器、ECU節(jié)點與監(jiān)測診斷系統(tǒng)之間進行總線標準化的柔性組態(tài)，包括用戶登錄、參數(shù)分類顯示、多線程CAN總線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲及用戶幫助等功能。收割機械監(jiān)測系統(tǒng)大致結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸方向)。收割機械各個傳感器和ECU部分包括需要監(jiān)測收割機械相關部件的所有值，如發(fā)動機冷卻水溫、機油壓力、轉(zhuǎn)速等；收割機ECU部分包括工作時間、總里程、行駛速度、燃油位、轉(zhuǎn)向、遠近光燈、主離合卸糧筒等狀態(tài)、擋位狀態(tài)、風機增減速按鈕及卸糧筒展開收回等按鈕等；傳感器監(jiān)測部分包括復脫器轉(zhuǎn)速、清選風扇轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)速、上下尾篩開度、含水率、平方米產(chǎn)量、糧食干濕重、清選損失率及割臺損失率等。參考SAE J1939協(xié)議，采用ISO11783標準的CAN通信協(xié)議作為通信標準，設計各傳感器節(jié)點、收割機ECU和收割機械智能監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信機制，同時在終端中能實時顯示各個電磁閥相關狀態(tài)、相關參數(shù)的變化情況及故障報警等。

2 系統(tǒng)設計

2.1 參數(shù)分類

由于聯(lián)合收割機具有大量豐富的參數(shù)監(jiān)測需求，基于此需要設計的傳感器種類、形式繁多，因而對這些豐富的作業(yè)及工作狀態(tài)參數(shù)進行分類整理顯得非常必要。這些參數(shù)分為4大類：發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)、行進傳動系統(tǒng)參數(shù)、作業(yè)狀態(tài)參數(shù)和參數(shù)設置。發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)主要是與發(fā)動機相關的參數(shù)，如發(fā)動機水溫、發(fā)動機機油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。行進傳動系統(tǒng)參數(shù)主要是收割機械行進過程中有關車輛傳動相關的參數(shù)，如行走速度、行駛里程、行走時間、馬達轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向燈及檔位等。作業(yè)狀態(tài)參數(shù)包括狀態(tài)顯示和參數(shù)檢測值兩部分，狀態(tài)顯示是收割機械作業(yè)過程中駕駛員對駕駛室相關操作引起某些狀態(tài)的改變而進行的顯示，如風機增速按鈕、撥禾輪提升按鈕、主離合嚙合按鈕及卸糧筒展開按鈕、割臺上升按鈕、割臺提升電磁閥、撥禾輪提升電磁閥、軸流滾筒速度提升電磁閥、卸糧筒展開電磁閥等；參數(shù)檢測值顯示是收割機械作業(yè)時對作物相關值進行實時監(jiān)測后的顯示，如含水率、谷物流量檢測質(zhì)量、平方米產(chǎn)量、糧食濕重、糧食干重、升運器轉(zhuǎn)速、清選損失率、清選含雜率及破碎率等。參數(shù)設置部分是由駕駛員設置的相關參數(shù)，需要由顯示系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，然后相應的部分進行更新這個設置后的值，如米計清零、割臺高度一鍵復位、卸糧筒控制、千粒質(zhì)量設置值、仿形高度設置值、割臺返回高度上限設置值、當前作物種類及切碎器工作模式等。

使用CAN總線化的好處：一是對數(shù)據(jù)傳輸進行標準化，使得這些數(shù)據(jù)的讀寫更具有可靠性、可擴展性和靈活性，同時可根據(jù)不同的優(yōu)先級滿足不同的實時性需求；二是對參數(shù)進行分類，可以減少節(jié)點數(shù)和ID數(shù)，提高效率，并且便于系統(tǒng)測試管理。一個總線數(shù)據(jù)幀包括8個數(shù)據(jù)字節(jié)，這些字節(jié)可能不僅僅只包括1個需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)，很可能包含多個數(shù)據(jù)，而這樣的一組數(shù)據(jù)的分組標準已在ISO11783/J1939中部分已有定義。相比較于其他傳輸協(xié)議1個數(shù)據(jù)幀只能傳輸1個監(jiān)測的數(shù)據(jù)而言，這樣傳輸數(shù)據(jù)效率要高得多；但是通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)時，每個監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳感器不能直接連接總線，需要將至少1個或多個參數(shù)組里的這8個字節(jié)的數(shù)據(jù)通過1個轉(zhuǎn)換節(jié)點打包到一起，然后將這個節(jié)點再連接到總線上，因為CAN總線不允許不同的物理單元共同擁有相同的ID。

圖1 具體實現(xiàn)方案Fig.1 The specific realization

2.2 軟件構(gòu)成

收獲機械總線化智能監(jiān)測系統(tǒng)基于Cortex-A8處理器，運行Linux3.2.0操作系統(tǒng)，使用跨平臺界面庫QT開發(fā)框架開發(fā)的顯示系統(tǒng)應用程序。Linux是基于Unix的多用戶、多任務、多線程和多CPU的開源操作系統(tǒng)，約占35%的國內(nèi)市場份額[12]?；贚inux環(huán)境下開發(fā)的QT程序很容易實現(xiàn)跨平臺運行，如在Windows下、Ubuntu虛擬機下及開發(fā)板下運行都比較方便。QT在嵌入式平臺中使用范圍廣，且開發(fā)的圖形界面程序簡潔優(yōu)美，功能齊全，QT庫以及自定義庫等功能的使用都很方便，易于上手。

系統(tǒng)是包含用戶登錄退出、CAN通訊方案、報警信息的顯示、參數(shù)圖標顯示及檢測參數(shù)數(shù)值顯示、按鈕狀態(tài)顯示、電磁閥狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能，提供了近128個參數(shù)信息顯示功能。其中，主線程主要運行界面顯示、CAN數(shù)據(jù)包解析及UI更新等。CAN通訊中的數(shù)據(jù)收發(fā)在兩個次線程中進行。整個系統(tǒng)流程如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

在QT界面程序設計過程中，由于數(shù)據(jù)是實時收發(fā)的，同時也可能需要手動切換頁面，因此需要采用多線程進行數(shù)據(jù)收發(fā)，這樣才不會導致手動切換頁面時出現(xiàn)反應慢、“卡頓”現(xiàn)象。其中，主線程用于更新界面UI及界面操作，次線程用于數(shù)據(jù)收發(fā)。為了使主線程效率更高，可以選擇只更新當前顯示的界面和故障報警信息。由于收割機械總線上數(shù)據(jù)傳送量較大，也會有很多id號與本系統(tǒng)無關，因此在設計時必須加上濾波器，其功能是只接收需要接收ID的數(shù)據(jù)。

該軟件運行時，先初始化CAN并設置波特率等，然后初始化數(shù)據(jù)庫，圖形界面啟動。進入用戶登錄頁面，輸入正確的用戶名和密碼后進入收割機械智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面，如圖 3 所示。該系統(tǒng)共有4個頁面，主頁面顯示一些比較重要的收獲機械的狀態(tài)和參數(shù)值32個：如第1排糧倉狀態(tài)、油水分離狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈、離合狀態(tài)、手剎及充電指示等，參數(shù)值如行進速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、撥禾輪轉(zhuǎn)速、切碎器轉(zhuǎn)速、風機轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速、復脫器轉(zhuǎn)速、燃油位、發(fā)動機冷卻液溫度、含雜率、破碎率、總里程、總小時數(shù)及發(fā)動機機油壓力等。系統(tǒng)圖標大部分是按照GBT8593和ISO7000等標準進行設計的，有些圖標該標準沒有列出，需要自行根據(jù)相關標準進行改動設計。當顯示頁面為此界面時，本界面的參數(shù)會0.5s更新1次，報警信息也會實時更新。而其他界面非報警值不會實時更新，當界面切換到其他界面某個時，這個界面會0.5s更新1次。一共有4個界面：第2個界面主要是收割機械作業(yè)狀態(tài)的參數(shù)值，如割臺高度、割茬高度、凹版間隙、上篩開度、下篩開度、尾篩開度、糧食干重、前后馬達轉(zhuǎn)速、喂入量、割刀頻率等參數(shù)監(jiān)測值，以及儀表控制、參數(shù)設置的設置值，如關閉語音報警、米計清零、糧食質(zhì)量清零、糧食千粒質(zhì)量及當前作物種類設置等；第3個頁面主要是按鈕和電磁閥狀態(tài)及報警具體信息顯示；第4個頁面是一些有關軟件的幫助信息。

圖3 收獲機械智能監(jiān)測系統(tǒng)主界面Fig.3 The main interface of intelligent monitoring system for harvesting machine

3 CAN總線傳輸

聯(lián)合收割機監(jiān)測系統(tǒng)總線通信符合ISO11783農(nóng)林業(yè)拖拉機械串行控制和通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡標準。該標準以SAEJ1939協(xié)議為參考，將控制器局域網(wǎng)總線協(xié)議(CAN)作為網(wǎng)絡協(xié)議支持，規(guī)定了拖拉機械或農(nóng)具懸掛或安裝不同設備(包括任務管理器、參數(shù)組分配、VT虛擬終端、設備控制器、傳感器以及執(zhí)行器等)之間進行信息傳輸和交換的方法和格式。

ISO11783協(xié)議在CAN2.0B協(xié)議的基礎上具體實現(xiàn)了應用層，ISO11783把CAN2.0B協(xié)議中的29位ID識別封裝成為一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。在傳輸時，這些PDU被分隔成1個或多個CAN數(shù)據(jù)幀，通過物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡掛接設備上。PDU由優(yōu)先級P、保留位、數(shù)據(jù)頁位、PDU格式、特定PDU、源地址和數(shù)據(jù)字段組成。其中，保留位、數(shù)據(jù)頁位、PDU格式字段和特定PDU用于建立18位參數(shù)組編號(PGN)。ISO11783中定義了串行拖拉機械大部分參數(shù)組編號及參數(shù)類型的定義，如時間、日期、相對地面的速度和距離、動力輸出相關參數(shù)、輔助閥參數(shù)、照明參數(shù)等。SAE J1939中定義了車輛應用層相關參數(shù)，如扭矩、減速器控制、發(fā)動機結(jié)構(gòu)、進氣口排氣口及渦輪壓縮機信息等。定義參數(shù)組的格式如表1所示，參數(shù)定義格式如表 2所示。

表1 參數(shù)組分配舉例Table 1 Example of parameter group assignment

表2 參數(shù)定義舉例Table 2 Example of parameter definition

收獲機械中也有些參數(shù)組合參數(shù)沒有在ISO11783和SAE J1939中定義，這時需要根據(jù)標準定義。參數(shù)組的分配應使用ISO11783中列出的未定義且保留可供需要使用的參數(shù)組。參數(shù)組中參數(shù)按照如下準則定義：①按照實現(xiàn)功能，而不按照類型；②具有相近的更新速度；③按照通用的子系統(tǒng)。表3為自己定義的參數(shù)組編號。

表3 自定義參數(shù)組舉例Table 3 Example of customized parameter group

收獲機械智能監(jiān)測系統(tǒng)中，設計了30個參數(shù)組的數(shù)據(jù)收發(fā)及顯示，基本滿足收獲機械參數(shù)監(jiān)測功能，較為全面地顯示了收獲機械運行狀態(tài)及作業(yè)狀態(tài)。

4 應用實例

建立的系統(tǒng)可實際應用在系列聯(lián)合收割機械中，如雷沃GK100型聯(lián)合收割機。將該總線智能監(jiān)測系統(tǒng)接入收割機總線上，安裝位置如圖4所示。其總線上相應接上雷沃收割機的ECU及傳感器節(jié)點，給檢測系統(tǒng)供電12～36V上電開機后，將會自動讀取總線上相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對收獲機械狀態(tài)的實時顯示。在山東濰坊、黑龍江嫩江農(nóng)場及東營孤島某農(nóng)場保護區(qū)調(diào)試時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，基本沒有數(shù)據(jù)丟失，相應速度快，能實現(xiàn)基本功能。

圖4 收獲機械智能監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)試Fig.4 Field installation and debugging of intelligent monitoring system for harvester

5 結(jié)論

設計了一種基于Linux系統(tǒng)QT/C++的稻麥收獲機械作業(yè)參數(shù)與工況參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用SAE J1939高速通信的網(wǎng)絡協(xié)議和ISO11783標準。介紹了稻麥聯(lián)合收獲機械監(jiān)控系統(tǒng)的運行環(huán)境、軟件架構(gòu)、硬件組成、相關協(xié)議，以及作業(yè)與控制參數(shù)歸類方法。試制了原理樣機，并進行了車間調(diào)試和田間試驗，結(jié)果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)稻麥聯(lián)合收獲機械 128個工況參數(shù)和作業(yè)參數(shù)的實時在線顯示，運行穩(wěn)定可靠，滿足稻麥聯(lián)合收獲機械使用需求。