韓長杰，韓鴻飛，尤佳，芮雪，張靜，高杰

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052； 2. 新疆師范高等?？茖W(xué)校，烏魯木齊市，830043；3. 新疆中收農(nóng)牧機(jī)械有限公司，烏魯木齊市，830013)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，農(nóng)機(jī)裝備朝自動化和智能化方向發(fā)展成為趨勢[1]。智能化農(nóng)機(jī)不僅可以完成傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)任務(wù)，還可以監(jiān)測機(jī)械狀態(tài)、作業(yè)質(zhì)量、土壤情況、運行軌跡等工況信息，成為精細(xì)化作業(yè)的技術(shù)支撐[2-4]。

國內(nèi)外研究人員對農(nóng)機(jī)裝備工況信息監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。梁學(xué)修等運用CAN總線技術(shù)設(shè)計了聯(lián)合收割機(jī)信息在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將機(jī)械運動工作部件轉(zhuǎn)速、谷物夾帶損失、油耗等顯示于車載控制器上進(jìn)行信息監(jiān)測和控制。史國濱等[5]運用地理位置定位、無線通信等技術(shù)，設(shè)計了一種農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)作業(yè)軌跡回放、作業(yè)實時定位及長度面積測量等功能。苗中華等[6]設(shè)計了一種適用于采棉機(jī)的數(shù)字化智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測采棉機(jī)的地面速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水壓等信息，也可以對采棉機(jī)的對行情況和作業(yè)狀況進(jìn)行監(jiān)測。

針對自動移栽機(jī)無法實時監(jiān)測工況信息問題，確保監(jiān)測系統(tǒng)的拓展性與集成性，設(shè)計一種自動移栽機(jī)工況信息監(jiān)測系統(tǒng)，可對機(jī)械狀態(tài)、取喂苗數(shù)量等基本信息進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以圖像、視頻、表格等形式直觀顯示移栽機(jī)作業(yè)狀況[7-8]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案

根據(jù)韓長杰等[9]設(shè)計的自動穴盤苗移栽機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行工況信息監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)。該移栽機(jī)基于2ZBX—2型吊籃式半自動移栽機(jī)，研制出的一種穴盤移栽自動取喂苗裝置，實現(xiàn)自動移栽的效果，如圖1所示。其主要硬件結(jié)構(gòu)由苗盤輸送機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)械手、隨動苗筒喂苗機(jī)構(gòu)、柔性鏈旋轉(zhuǎn)苗筒以及栽植器等，自動取喂苗裝置結(jié)合機(jī)械、氣動與電氣控制技術(shù)，按照PLC程序設(shè)計各執(zhí)行機(jī)構(gòu)順序執(zhí)行，完成對缽苗取喂轉(zhuǎn)移的全部流程，取喂苗效率可達(dá)到83株/min。工況信息監(jiān)測系統(tǒng)對原有的檢測控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使用多種傳感設(shè)備對機(jī)械狀態(tài)和作業(yè)信息進(jìn)行多方面采集。并對這些基礎(chǔ)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與算法分析，完成整體監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計[10-11]。

圖1 自動穴盤苗移栽機(jī)Fig. 1 Automatic plug seedling transplanter1.栽植器 2.工業(yè)相機(jī)安裝位置 3.柔性鏈旋轉(zhuǎn)苗筒 4.絕對值編碼器安裝位置 5.隨動苗筒喂苗機(jī)構(gòu) 6.GNSS接收器安裝位置 7.苗盤輸送機(jī)構(gòu) 8.取苗機(jī)械手 9.電氣控制柜 10.缽苗計數(shù)葉片

1.1 系統(tǒng)總體框架

工況信息監(jiān)測系統(tǒng)基于自動移栽機(jī)主體，以GNSS接收器、絕對值編碼器、磁性開關(guān)、接近開關(guān)等傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以PLC作為邏輯控制器，以集成了RS485、USB、RJ—45等數(shù)據(jù)傳輸接口的工控一體機(jī)作為數(shù)據(jù)接收、智能分析運算、前端界面展示的操控中心，采用電氣控制技術(shù)、檢測技術(shù)、多線程任務(wù)管理等技術(shù)，搭建起集自動化、模塊化、智能化為一體的自動移栽機(jī)綜合信息處理與決策分析系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)框架圖Fig. 2 Framework of monitoring system

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)備、軟件開發(fā)環(huán)境介紹

經(jīng)過綜合考慮作業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)所需要的設(shè)備的性能、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)因素，選擇的硬件設(shè)備如表1所示。

軟件系統(tǒng)的開發(fā)以Python作為程序設(shè)計語言、PyCharm作為其開發(fā)環(huán)境，并結(jié)合開發(fā)工具庫完成?？紤]其兼容性，該系統(tǒng)在搭建有Windows10 64位系統(tǒng)的工業(yè)一體機(jī)上運行。系統(tǒng)軟件最終在搭建有Windows10 64位系統(tǒng)的工業(yè)一體機(jī)上運行，考慮到兼容性問題，軟件的編寫也需要在使對應(yīng)系統(tǒng)的電腦上進(jìn)行。

系統(tǒng)主要采用PyQt5工具庫進(jìn)行軟件界面與業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計，其作為Qt框架的Python語言實現(xiàn)，是最強大的GUI庫之一，它提供了一個設(shè)計良好的窗口控件集合。PyQt5能夠跨系統(tǒng)運行在Linux、Window和Mac OS系統(tǒng)上，可以使用信號與槽機(jī)制進(jìn)行通信，并且對Qt庫進(jìn)行完全封裝。在使用成熟的IDE進(jìn)行界面設(shè)計后，可以自動生成可執(zhí)行的Python代碼[12-13]。

表1 硬件設(shè)備統(tǒng)計表Tab. 1 Hardware equipment statistics

2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

工況信息監(jiān)測系統(tǒng)以工控計算機(jī)為控制計算中心，與PLC、GNSS接收器等多種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并根據(jù)功能要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析。采用PyQt5工具庫中QThread類進(jìn)行多線程任務(wù)管理，將不同設(shè)備的通信設(shè)置和重要功能的設(shè)計放入子線程中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、解析和計算工作，流程示意圖如圖3所示。

針對不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備創(chuàng)建相應(yīng)子線程，使用不同通信手段與計算方法對各設(shè)備中采集數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理，數(shù)據(jù)集成后打包傳輸至主線程中進(jìn)行后續(xù)操作。使用該種方法進(jìn)行多設(shè)備數(shù)據(jù)集成時，系統(tǒng)不會出現(xiàn)顯示卡頓、閃退及信息延時接收等問題，也可有效解決工況信息在前端界面中的實時顯示問題，使軟件系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

圖3 多線程任務(wù)管理流程示意圖Fig. 3 Multi thread task management flow diagram

2.1 主線程任務(wù)管理

監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源主要包含工業(yè)控制計算機(jī)與PLC之間通信交互以及GNSS接收器采集的地理位置信息。通過程序設(shè)計，在整個系統(tǒng)啟動前，各設(shè)備應(yīng)順序啟動相應(yīng)子線程，將需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、計算、打包后發(fā)射信號。主線程應(yīng)建立相應(yīng)的功能槽函數(shù)進(jìn)行信號的接收，在各子線程依次啟動完畢后，系統(tǒng)才算正式啟動，否則任一子線程啟動失敗，將會返回初始判斷條件重新加載啟動，具體程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 主線程程序設(shè)計流程圖Fig. 4 Main thread programming flow chart

2.2 PLC端口與通信設(shè)置

2.2.1 PLC端口設(shè)置與程序設(shè)計

PLC主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制工作[14-16]，與監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互包括PLC中寄存器數(shù)據(jù)的存儲、PLC與系統(tǒng)之間的通信和數(shù)據(jù)的集成讀寫操作。將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳入指定寄存器存儲，等待后續(xù)與監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。接近開關(guān)、磁性開關(guān)、絕對值編碼器以及取喂苗系統(tǒng)中的執(zhí)行元件都由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和邏輯控制，具體I/O口分配表如表2所示。

通過如表2中所示接入PLC，在程序設(shè)計中插入高速計數(shù)器進(jìn)行二進(jìn)制碼的記錄，再將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)化為格雷碼進(jìn)行編碼器的定位功能，轉(zhuǎn)換之后的格雷碼值范圍為1～360，對應(yīng)編碼器所裝軸轉(zhuǎn)一圈為360個脈沖，方便之后實現(xiàn)定位功能

2.2.2 PLC與工控機(jī)通信設(shè)置

PLC子線程主要工作包括PLC與監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信設(shè)置、對PLC中寄存器存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、根據(jù)需求對讀取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行運算等。需要將PLC與工控機(jī)通過網(wǎng)線連接，并在Python中加載Snap7工具庫，通過Client類函數(shù)設(shè)置以太網(wǎng)IP地址完成對PLC的通信。系統(tǒng)設(shè)置IP地址為192.168.2.2，應(yīng)與PLC中IP地址為同一網(wǎng)段。完成對PLC的通信后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和打包工作。編寫對PLC中寄存器讀取代碼并依次調(diào)用所需數(shù)據(jù)，對于一些讀取格式與打包格式不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，完成以上工作后發(fā)射信號等待主線程中函數(shù)接收，具體流程如5所示。

圖5 PLC子線程程序流程圖Fig. 5 PLC sub thread program flow chart

2.3 地理位置信息的采集

系統(tǒng)使用北天GNSS BN-808接收器作為地理位置信息的采集設(shè)備，其通過USB串口與主控中心進(jìn)行連接，采用Serial工具庫對串口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取[17]。采集到的數(shù)據(jù)是根據(jù)NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的，采用Pynmea2工具庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行再次解析，將經(jīng)緯度坐標(biāo)值、對地速度等所需信息提取出來進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換與計算。GNSS子線程主要工作是GNSS接收器與監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信設(shè)置、NMEA數(shù)據(jù)的提取與解析以及對解析后數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換等。設(shè)置串口、波特率、采集頻率等參數(shù)采集串口數(shù)據(jù)，通過條件判斷識別串文格式，在不同的格式中解析出所使用的具體數(shù)據(jù)，完成對串口信息的提取與解析工作。程序流程如圖6所示。

圖6 GNSS子線程程序流程圖Fig. 6 GNSS sub thread program flow chart

2.4 數(shù)據(jù)處理與儲存

由于移栽機(jī)取喂苗裝置與栽植器存在傳動關(guān)系，將絕對值編碼器安裝至主動軸上，利用其定位功能確定每個栽植點的具體位置。當(dāng)編碼器檢測到缽苗從鴨嘴栽植至地中，提取該點經(jīng)緯度坐標(biāo)值及對地速度并儲存。由于受到地輪打滑等因素的影響，每兩株缽苗栽植點距離有一定的誤差。將相鄰兩點的經(jīng)緯度坐標(biāo)值由角度轉(zhuǎn)換為弧度，通過式(1)～式(4)進(jìn)行兩點距離的估算。

(1)

b=cos(lat 1)×cos(lat 2)×c

(2)

(3)

(4)

其中：兩點經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為(lat 1,lon 1)(lat 2,lon 2)，r=6 371(地球半徑值，單位為km)，a、b、c為中間代數(shù)值，計算出最終距離單位為m。

通過上述公式可以計算出兩點栽植株距，將經(jīng)緯度坐標(biāo)值及對地速度等數(shù)據(jù)處理與存儲后，打包傳輸至主線程中以折線圖、表格和文字等形式顯示至前端界面，以達(dá)到監(jiān)測的效果。

2.5 監(jiān)測界面設(shè)計

系統(tǒng)采用PyQt5工具庫進(jìn)行監(jiān)測界面的設(shè)計與業(yè)務(wù)邏輯的編寫工作，為了達(dá)到界面與邏輯分離的效果，使用外部工具Qt Designer進(jìn)行控件添加與擺放工作。系統(tǒng)監(jiān)測界面由登錄界面與工作界面兩部分構(gòu)成[18-20]。

登錄界面包括用戶名輸入、密碼驗證以及系統(tǒng)簡介等功能，其目的是為了記錄操作人員信息與監(jiān)測系統(tǒng)的介紹。若用戶名密碼輸入錯誤，會伴有相應(yīng)的提示信息，反之則進(jìn)入工作界面，如圖7所示。

圖7 登錄界面設(shè)計圖Fig. 7 Login interface design

工作界面包括系統(tǒng)啟動停止操作、手自動切換、常規(guī)工況信息監(jiān)測、手動調(diào)試按鈕組以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行狀態(tài)等功能，具體界面如圖8所示。

(a) 作業(yè)信息監(jiān)測界面

(b) 運行狀態(tài)監(jiān)測界面圖8 工作界面設(shè)計圖Fig. 8 Working interface design

監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，各設(shè)備按照默認(rèn)設(shè)置依次開始工作，同時工況信息與運行狀態(tài)信息實時顯示在相應(yīng)信息欄。作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)自動生成一份報表，匯總工作時長、栽植苗數(shù)、漏苗數(shù)等關(guān)鍵工況信息。

系統(tǒng)包括自動運行與手動調(diào)試兩種狀態(tài)。自動運行模式下，各機(jī)構(gòu)按照程序設(shè)置有序進(jìn)行工作，界面中會實時顯示關(guān)鍵工況信息，可以直觀的監(jiān)視移栽機(jī)的工作狀態(tài)。手動調(diào)試模式下，通過各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的虛擬按鈕與運行狀態(tài)信息配合調(diào)試，在實際工作中可以更為方便的排除控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。

3 移栽機(jī)工況信息監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

自動移栽機(jī)工況信息監(jiān)測系統(tǒng)整體性能的測試地點在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)牧機(jī)械重點實驗室，系統(tǒng)測試條件如圖9所示。

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)試驗條件Fig. 9 Test conditions of monitoring system

將設(shè)計好的監(jiān)測系統(tǒng)打包成軟件在工控一體機(jī)上運行，按照接線標(biāo)準(zhǔn)連接傳感器、PLC以及GNSS接收器等設(shè)備，軟件運行完畢后，將樣機(jī)置于土槽間運行。測試內(nèi)容包括登錄界面功能的完善性、設(shè)備通信的穩(wěn)定性、工況信息顯示的準(zhǔn)確性與系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計操作方式進(jìn)行觀測，對比機(jī)械實際運行狀態(tài)、各設(shè)備采集原始數(shù)據(jù)與監(jiān)測界面顯示數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)整體性能。

由于移栽機(jī)使用8×16穴型苗盤進(jìn)行移栽工作，準(zhǔn)備三盤該規(guī)格苗盤培育的缽苗進(jìn)行移栽試驗。首先對移栽機(jī)工作狀態(tài)界面的基礎(chǔ)信息顯示準(zhǔn)確性、實時性進(jìn)行測試。伴隨系統(tǒng)啟動，各傳感控制設(shè)備依次通信成功，移栽機(jī)調(diào)至自動運行狀態(tài)，工作時間、株距、行駛速度、栽植信息、缽苗定位信息等作業(yè)數(shù)據(jù)都實時變化，并以不同形式顯示至軟件界面。系統(tǒng)調(diào)至手動調(diào)試狀態(tài)，配合運行狀態(tài)界面，通過界面下方虛擬按鈕對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動調(diào)試，操作對應(yīng)按鈕系統(tǒng)將信號寫入PLC中，達(dá)到對執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸的控制目的。

為測試系統(tǒng)自動運行狀態(tài)下缽苗轉(zhuǎn)移信息是否準(zhǔn)確，觀測機(jī)械手取苗、旋轉(zhuǎn)苗筒投苗、栽植器栽苗3個缽苗轉(zhuǎn)移階段中缽苗數(shù)量，分別進(jìn)行5組試驗，每組為50株缽苗。觀測三個階段中缽苗實際轉(zhuǎn)移數(shù)量與系統(tǒng)檢測數(shù)量，數(shù)據(jù)總結(jié)如表3所示。

表3 缽苗轉(zhuǎn)移信息準(zhǔn)確性試驗Tab. 3 Accuracy test of bowl seedling transfer information

經(jīng)過自動移栽機(jī)工況信息監(jiān)測系統(tǒng)整體測試，系統(tǒng)設(shè)計功能運行正常，工作狀況信息顯示準(zhǔn)確無誤，手動操作配合UI界面運行顯示無誤，數(shù)據(jù)的記錄儲存等功能都可以穩(wěn)定持續(xù)運行，機(jī)械手取苗、旋轉(zhuǎn)苗筒投苗、栽植器栽苗3個缽苗轉(zhuǎn)移階段檢測準(zhǔn)確率分別為99.2%、99.5%、99.2%，基本達(dá)到工況信息監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)有自動移栽機(jī)的田間工作狀況，確定了移栽機(jī)作業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并選擇合適的硬件設(shè)備和軟件開發(fā)環(huán)境。

2) 采用工業(yè)控制計算機(jī)作為主控中心，將PLC與GNSS接收器中采集的數(shù)據(jù)集成至系統(tǒng)中進(jìn)行計算、分析、決策，并基于PyQt5進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計，實現(xiàn)了移栽機(jī)多傳感設(shè)備數(shù)據(jù)的集成和可視化。

3) 通過監(jiān)測系統(tǒng)整體性能測試表明，機(jī)械手取苗、旋轉(zhuǎn)苗筒投苗、栽植器栽苗3個缽苗轉(zhuǎn)移階段檢測準(zhǔn)確率分別為99.2%、99.5%、99.2%，工況實際信息與監(jiān)測信息基本無誤，可以達(dá)到信息顯示的實時性、準(zhǔn)確性，系統(tǒng)整體功能運行穩(wěn)定可靠。