任輝 李禧堯 鄧波 楊鑫宇 盧科

摘要：聯(lián)合收割機(jī)是我國(guó)最重要的農(nóng)業(yè)裝備之一，但在其工作中普遍面臨田間作業(yè)條件惡劣，存在其故障診斷困難的現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)基于Android客戶端的聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷，本文通過(guò)微處理器獲取了工作參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于目標(biāo)瞬時(shí)變化趨勢(shì)的故障診斷方法，采用了SOCKET通信方式將客戶端與云平臺(tái)結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于Android客戶端的聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)故障診斷系統(tǒng)，提供了一種對(duì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障診斷的設(shè)計(jì)方案，為農(nóng)業(yè)機(jī)械故障診斷方法設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī);工作參數(shù);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);故障診斷;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)裝備的改善是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化和現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)，是先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)能夠被有效使用和推廣的先驗(yàn)條件。聯(lián)合收割機(jī)近年來(lái)也得到了前所未有的飛速發(fā)展，正日益向機(jī)電一體化、信息化、智能化高速發(fā)展。目前大多聯(lián)合收割機(jī)都裝備了帶有空調(diào)的密閉駕駛室，駕駛員用耳朵已經(jīng)很難分辨收割機(jī)各部位的運(yùn)轉(zhuǎn)聲響異常與否[1]，此種條件下僅用人的聽(tīng)力和視力去識(shí)別故障將變得越來(lái)越困難，因此聯(lián)合收割機(jī)在使用過(guò)程中不免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障。

目前聯(lián)合收割機(jī)工作的環(huán)境仍然是復(fù)雜多變的，因而近年來(lái)，有很多針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。聯(lián)合收割機(jī)的故障頻發(fā)部位多為割臺(tái)、輸送槽、脫粒滾筒、輸糧攪龍等，主要為堵塞故障。因此，易堵塞部位和前進(jìn)速度多為收割機(jī)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象[2]。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以往的人工定期檢修收割機(jī)借助個(gè)人經(jīng)驗(yàn)維修收割機(jī)己不適應(yīng)當(dāng)今農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，當(dāng)今農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要有更智能的故障診斷方法應(yīng)用于收割機(jī)。綜上，聯(lián)合收割機(jī)的故障診斷智能化勢(shì)在必行，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化道路上必須要解決的重要問(wèn)題。

1. 聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1整體設(shè)計(jì)與工作原理

本系統(tǒng)主要通過(guò)C8051F020微處理器外接多霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)主要工作部件如脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵信息獲取，在單片機(jī)中采用基于目標(biāo)信號(hào)瞬時(shí)變化趨勢(shì)的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)三種工作狀態(tài)的有效判斷，將故障診斷結(jié)果進(jìn)行傳輸。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SIM900A模塊發(fā)送至云平臺(tái)，云平臺(tái)與客戶端通信采用SOCKET通信方式，經(jīng)客戶端請(qǐng)求獲取云平臺(tái)數(shù)據(jù)?；贘AVA在客戶端上相應(yīng)模塊3個(gè)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后的處理與展示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作業(yè)機(jī)械關(guān)鍵信息以及故障診斷狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

1.2數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)硬件由測(cè)量聯(lián)合收割機(jī)各重要工作參數(shù)的傳感器、PLC、自帶ARM系統(tǒng)的顯示器等組成[4]。數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置安裝在聯(lián)合收割機(jī)駕駛室內(nèi)，位于駕駛員左側(cè)便于駕駛員查看狀態(tài)信息。

采集系統(tǒng)以微處理器C8051F020為核心。采集信號(hào)包括前進(jìn)速度、輸送槽轉(zhuǎn)速、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速、切流滾筒轉(zhuǎn)速、縱流滾筒轉(zhuǎn)速、割臺(tái)攪龍轉(zhuǎn)速等信號(hào)，用多路霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)多路轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集。其中前進(jìn)速度信號(hào)與割臺(tái)割臺(tái)攪龍信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后分別接入C8051F020的外部中斷，與內(nèi)部定時(shí)器配合進(jìn)行獨(dú)立采集與處理。輸送槽轉(zhuǎn)速、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速、切流滾筒轉(zhuǎn)速、縱流滾筒轉(zhuǎn)速通過(guò)四選一多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052選通后經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路接入外部中斷2，循環(huán)進(jìn)行信號(hào)采集與處理。

故障診斷系統(tǒng)包括基于目標(biāo)信號(hào)瞬時(shí)變化趨勢(shì)的故障診斷方法與3種判斷情況子程序。系統(tǒng)基于差分理論完成瞬時(shí)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)[5]，對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后的數(shù)據(jù)執(zhí)行3種判斷情況子程序的判斷，當(dāng)系統(tǒng)判定信號(hào)出現(xiàn)預(yù)警狀態(tài)，觸發(fā)預(yù)警中斷子程序，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”;當(dāng)系統(tǒng)判定信號(hào)出現(xiàn)報(bào)警狀態(tài)，觸發(fā)報(bào)警子程序，發(fā)送數(shù)據(jù)“2”;轉(zhuǎn)速正常情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，數(shù)據(jù)均通過(guò)SIM900A模塊發(fā)送至云平臺(tái)再接收至Android客戶端中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊。

1.3物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

采用SIM900A模塊通過(guò)UART0串行接口與C8051F020單片機(jī)連接，發(fā)送TCP連接至OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[6]。通過(guò)注冊(cè)登錄OneNet平臺(tái)，在創(chuàng)建的項(xiàng)目中分別為作業(yè)數(shù)據(jù)采集與故障信息處理各創(chuàng)建6個(gè)設(shè)備、6個(gè)數(shù)據(jù)流以及1個(gè)設(shè)備應(yīng)用。數(shù)據(jù)流接收工作狀態(tài)參數(shù)與故障診斷信號(hào)。

1.4 基于Android客戶端設(shè)計(jì)

Android客戶端主要分為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊，故障信息處理模塊和數(shù)據(jù)存取模塊3個(gè)模塊，采用Android JAVA開(kāi)發(fā)，所有源代碼編譯完成后打包生成APK文件，即為該系統(tǒng)的安裝文件[7]。將APK文件直接安裝在Android手機(jī)上，相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)不受時(shí)間、地域、環(huán)境、距離等因數(shù)限制，用戶可隨時(shí)輕松安裝該系統(tǒng)，操作方便靈活。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)時(shí)獲取如縱切流滾筒、滾筒轉(zhuǎn)速、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速等部位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示采用經(jīng)典三段式儀表盤(pán)式樣顯示，可繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)折線圖便于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。故障信息處理模塊用于接收“0”、“1”、“2”數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“0”表示正常，“1”表示預(yù)警，“2”表示報(bào)警的數(shù)據(jù)報(bào)警方案，報(bào)警顯示同樣采用經(jīng)典三段式儀表盤(pán)式樣顯示。數(shù)據(jù)存取模塊由手機(jī)自帶SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和管理，人工故障診斷信息采集界面和參數(shù)設(shè)置界面[8]。

2. 聯(lián)合收割機(jī)田間故障診斷性能測(cè)試

將本文設(shè)計(jì)的基于Android客戶端的聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)故障診斷系統(tǒng)安裝在水稻聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行水稻田間收割試驗(yàn)及其工作參數(shù)故障診斷驗(yàn)證。田間試驗(yàn)表明：智能控制和診斷系統(tǒng)可以在保證最佳作業(yè)性能和不發(fā)生堵塞等故障的情況下，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)的信息讀取，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷，提高了聯(lián)合收割機(jī)的工作效率和降低了故障率，減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

將基于C8051F020的數(shù)據(jù)采集與故障診斷系統(tǒng)與聯(lián)合收割機(jī)智能控制模擬試驗(yàn)臺(tái)連接，進(jìn)行信息采集、傳輸、顯示及儲(chǔ)存等試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集顯示。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SIM900A模塊發(fā)送至云平臺(tái)，經(jīng)客戶端請(qǐng)求獲取云平臺(tái)數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，數(shù)據(jù)接收延時(shí)在2s內(nèi)，數(shù)據(jù)丟失率控制在5‰以內(nèi)。

3.結(jié)果與討論

基于Android客戶端可以將聯(lián)合收獲機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障狀況監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多源信息融合，增強(qiáng)數(shù)據(jù)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障實(shí)時(shí)診斷。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)丟失率小于5‰，信息獲取延遲時(shí)間小于2s，報(bào)警及時(shí)、正確，滿足聯(lián)合收獲機(jī)戶外工作遠(yuǎn)程信息采集與故障監(jiān)測(cè)要求，具有良好推廣運(yùn)用前景。

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