盧科 李禧堯 任輝 劉鑫 張彪

摘要：由于我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)信息化水平普遍較低，且普遍存在故障率高、平均無故障時(shí)間短、作業(yè)過程中損失率偏高等問題，因此設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過結(jié)合傳感器技術(shù)、視頻技術(shù)、通信技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將聯(lián)合收割機(jī)的故障監(jiān)測(cè)預(yù)警與故障分析結(jié)合，有效的對(duì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，從而解決技術(shù)人員由于空間距離帶來的時(shí)間消耗以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員技術(shù)水平不足的問題，可以有效解放勞動(dòng)生產(chǎn)力;基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷技術(shù)具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng);故障診斷;數(shù)據(jù)庫(kù)

隨著科技的發(fā)展及農(nóng)機(jī)裝備的現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，聯(lián)合收割機(jī)已經(jīng)逐步向自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)管理上，傳統(tǒng)的方式是通過走訪記錄農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)作情況，但由于我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械分布范圍廣泛，傳統(tǒng)的方式獲取到的信息滯后且不夠全面，對(duì)于季節(jié)性強(qiáng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械長(zhǎng)時(shí)間工作的高可靠性就是作業(yè)按時(shí)完成的保證。管理人員可以通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲取更加全面的數(shù)據(jù)[1]，針對(duì)不同的情況采取不同的作業(yè)策略，得到最佳的作業(yè)路線。同時(shí)通過車載端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，預(yù)防故障的發(fā)生從而減少對(duì)作業(yè)的影響。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷上[2]，傳統(tǒng)的方式主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷或者故障出現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常工作時(shí)才進(jìn)行故障的處理，故障處理的不及時(shí)將嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用性能。將故障診斷技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，一定程度上改善了傳統(tǒng)的方式無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確定位故障的情況[3]。但是農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境的惡劣以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期的特殊性，故障的診斷與預(yù)測(cè)的效果并不理想，因此針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要方向。

1.聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)[4]的功能需求，結(jié)合B/S架構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用，設(shè)計(jì)了主要包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和web服務(wù)器等三個(gè)部分組成的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通信服務(wù)器部署在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，負(fù)責(zé)與車載采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，并完成數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來保存運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、用戶信息、設(shè)備信息等。Web服務(wù)器用來響應(yīng)管理人員和車主的請(qǐng)求，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的診斷與預(yù)警，也能通過該平臺(tái)了解聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行狀況，對(duì)跨區(qū)作業(yè)的聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)配。

1.2物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)組織架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是基于相關(guān)管理平臺(tái)上的資源模型所搭建的多數(shù)據(jù)輸入平臺(tái)。在每個(gè)用戶下，對(duì)終端傳感器上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)的管理都是以設(shè)備的形式進(jìn)行的，每個(gè)用戶可以創(chuàng)建多個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備下也能添加多個(gè)傳感器，設(shè)備表示一組傳感器的集合，來自終端的數(shù)據(jù)點(diǎn)則上傳至對(duì)應(yīng)的傳感器下，通過終端設(shè)備中編寫物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入程序，完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)點(diǎn)上傳等工作，數(shù)據(jù)成功上傳至平臺(tái)后，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)會(huì)在相應(yīng)的傳感器下生成隨時(shí)間推移的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以更直觀的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況，用戶可以對(duì)其管理范圍內(nèi)的產(chǎn)品、設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)點(diǎn)等資源進(jìn)行管理，包括創(chuàng)建、編輯、羅列、查看、刪除等操作。

2.聯(lián)合收割機(jī)故障故障診斷系統(tǒng)

2.1故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)建立

建立故障征兆數(shù)據(jù)庫(kù)和故障查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并設(shè)計(jì)故障查詢系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)視中心的工作人員可以結(jié)合傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]和視頻圖像信息來判斷故障的原因并利用故障查詢系統(tǒng)迅速找到解決故障的方法。在尋找故障解決辦法的時(shí)候，根據(jù)情況的不同可以有兩種查找方式選擇：目錄查找和模糊查找。目錄查找適用于對(duì)故障的發(fā)生原因比較清楚的情況下;模糊查找適用于對(duì)于故障發(fā)生的原因不太確定的情況下，根據(jù)查找結(jié)果進(jìn)行排除或逐一判斷。以此作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的故障診斷方法[6]，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)具有較高的實(shí)用意義，降低了對(duì)故障診斷工作的難度，提高了故障診斷效率，有利于聯(lián)合收割機(jī)正常的生產(chǎn)作業(yè)。

2.2數(shù)據(jù)采集傳感器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳感器采集滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、割臺(tái)攪龍轉(zhuǎn)速都是采集其相關(guān)轉(zhuǎn)速，其中前進(jìn)速度通過測(cè)量聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)輪獲得。轉(zhuǎn)速的測(cè)量有多種方法：霍爾、光電、多普勒效應(yīng)等。由于收割機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)以及作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，本系統(tǒng)選用抗干擾性能好的霍爾傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)速，其使用方便、輸出信號(hào)穩(wěn)定并且實(shí)惠。其工作的原理是傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電壓脈沖，電壓脈沖經(jīng)過整形電路后輸出可識(shí)別的電平信號(hào)。傳感器的工作電壓為12V，檢測(cè)到磁場(chǎng)信號(hào)后的輸出脈沖電壓通過光電隔離器件將信號(hào)的幅值整定至3.3V電平并由施密特觸發(fā)器74HC14對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。

2.3遠(yuǎn)程監(jiān)視端設(shè)計(jì)

對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)視端[7]，既要接收工作參數(shù)信息，也要接收視頻圖像信息，從機(jī)載端發(fā)來的信息經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)后被遠(yuǎn)程監(jiān)視中心的計(jì)算機(jī)接收[8]。根據(jù)系統(tǒng)功能需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)程序功能將應(yīng)用程序分為機(jī)載視頻監(jiān)視程序、嵌入式視頻服務(wù)器程序、接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所需的圖像、定位信息處理程序及信息交互工具等三個(gè)部分，分模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，有利于降低耦合，便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展及后期調(diào)試和維護(hù)。在遠(yuǎn)程監(jiān)視端建立故障征兆數(shù)據(jù)庫(kù)和故障查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，故障征兆數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)故障發(fā)生時(shí)各個(gè)被監(jiān)測(cè)部件的工作參數(shù)，故障查詢數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各種故障以及故障發(fā)生的原因和解決方法，并設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)故障的快速查詢。

3.聯(lián)合收割機(jī)故障診斷性能測(cè)試

本文中設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試。當(dāng)設(shè)備處于在線狀態(tài)時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)視端可進(jìn)行視頻請(qǐng)求，視頻流從機(jī)載端由媒體服務(wù)器傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)視端，并在遠(yuǎn)程監(jiān)視端播放，可在遠(yuǎn)程端看到的割臺(tái)、駕駛室和脫粒滾筒的圖像。測(cè)試結(jié)果表明，隨著分辨率和幀率的提高，CPU和內(nèi)存資源占用率增加。因?yàn)椴杉膱D像分辨率與幀率越高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越大，圖像數(shù)據(jù)處理需要占用更多的CPU和內(nèi)存資源。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)視屏幕在田間測(cè)試時(shí)仍能得到實(shí)時(shí)性良好、清晰流暢的視頻圖像，滿足聯(lián)合收割機(jī)正常工作需求。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障數(shù)據(jù)庫(kù)[9]和遠(yuǎn)程視頻能夠幫忙快速地判斷故障并找出解決方案，指引現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)排查聯(lián)合收割機(jī)故障狀態(tài)，盡快使聯(lián)合收割機(jī)恢復(fù)正常工作。

4.結(jié)果與討論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)跨越空間限制的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，也為聯(lián)合收割機(jī)跨區(qū)作業(yè)提供了更為方便的平臺(tái)。通過分析歷史數(shù)據(jù)得到聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，并與采集到的數(shù)據(jù)相融合，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。此遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中具有較好的表現(xiàn)，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了優(yōu)越的條件，具有良好的市場(chǎng)推廣前景。

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