張藝越，李超超，王清清，范晉偉

（1.浙江廣廈建設職業(yè)技術大學智能制造學院，浙江 金華 321000；2.安徽信息工程學院機械工程學院，安徽 蕪湖 241000）

隨著中國農業(yè)機械化進程的不斷推進，農業(yè)機械的使用量以及其覆蓋面不斷上升[1-2]，對于中國農業(yè)生產而言起著積極的作用。通過農業(yè)機械代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力與畜力進行農業(yè)生產活動，生產能力與生產效率都大幅提高，但由于缺乏科學的管理，農機在作業(yè)過程中的標準化水平較低，一定程度上對農業(yè)生產起著制約作用。由于墾區(qū)農業(yè)生產面積較大，簡單地通過人力監(jiān)測或管理農機作業(yè)水平與質量較為困難，因此本文旨基于物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)了一款農機管理平臺，以實現(xiàn)一定區(qū)域內農機的統(tǒng)一管理與監(jiān)測。

1 農機管理平臺總體設計

1.1 平臺系統(tǒng)工作流程

農業(yè)生產過程中，拖拉機是主要農業(yè)機械之一，它不僅可以提供較大的扭矩實現(xiàn)對其他農業(yè)機具（如移栽機等）的作業(yè)牽引，還可以通過其動力輸出裝置，即PTO（Power Taken Off）實現(xiàn)動力傳遞，為與它相連的農業(yè)機械（如旋耕機等）提供動力。本文以黑龍江墾區(qū)目前所主要應用的約翰迪爾7830 型拖拉機為例，該拖拉機具有扭矩大[3]、性能可靠、便于操縱、能夠支持多種農業(yè)生產作業(yè)等特點，特此選用該拖拉機為實驗模型進行測試。農機管理平臺的組成部分如圖1所示。

圖1 農機管理平臺組成部分

通過定位模塊，實現(xiàn)作業(yè)農機具（本文中為拖拉機）的位置確定。同時可通過加裝在農機具中的各類傳感器，在農機作業(yè)過程中實現(xiàn)作業(yè)信號的采集[4]，并將信號通過無線傳輸模塊發(fā)送到平臺中。農機具的管理人員則通過顯示模塊，觀測到相應的信息，并進行判斷與分析，對農機具的下一步作業(yè)給出及時指示，管理人員與農機操作人員通過遠程通訊模塊實現(xiàn)實時通訊。

1.2 平臺總體架構設計

本農機管理平臺主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術，因而總體架構由4 部分構成，分別為感知層、核心層、網(wǎng)絡層和應用層。4 部分的任務與功能各不相同，但是在工作過程中又互有聯(lián)系，任何一部分出現(xiàn)故障或任一功能無法實現(xiàn)，都將影響農機管理平臺的運行，只有當4部分全部正常運行，所有功能正常的情況下，整個農機管理平臺才能正常運行。農機管理平臺的總體架構如圖2 所示。

圖2 農機管理平臺的總體架構圖

由圖2 可知，感知層主要由傳感器和衛(wèi)星構成，其作用在于對農機作業(yè)過程中的各個信號進行采集，由此可以實現(xiàn)對農機作業(yè)情況的了解，感知層將信號進行分類轉換，并將轉換后的信號發(fā)送到核心層中。核心層主要由CAN（Controller Area Network）總線、ECU（Electronic Control Unit）、定位板卡、基站和顯示終端構成，核心層接收感知層上傳的信號，并將信號通過無線技術發(fā)送給網(wǎng)絡層[5]。網(wǎng)絡層主要由定位模塊及網(wǎng)絡通訊模塊構成，其中定位模塊將相關數(shù)據(jù)信息進行轉發(fā)，最終將數(shù)據(jù)信息儲存在云平臺中，數(shù)據(jù)轉發(fā)部分可通過TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議予以實現(xiàn)；而網(wǎng)絡通訊模塊的作用是將ECU 或智能控制器中整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，從而將信息傳遞到農機管理平臺的應用層中，這一過程可通過利用GPRS（General Packet Radio Services）與移動4G網(wǎng)絡等無線網(wǎng)絡通訊手段加以實現(xiàn)。人機交互功能可以通過搭建農機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺加以實現(xiàn)，通過感知層、核心層、網(wǎng)絡層的共同作用，實時掌握農機具的作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，通過利用無線通訊技術，對農機具的操作人員進行指示與交流，及時對農機具的操作及作業(yè)參數(shù)進行修正。

2 農機管理平臺具體化設計

2.1 用戶界面設計

農機管理平臺主要提供給類似于黑龍江墾區(qū)等具備大地塊與大量作業(yè)機具的單位，以便于針對同時作業(yè)的各種農機具進行統(tǒng)一管理，因而軟件平臺主要在辦公室等地點登錄，并不是在農業(yè)生產一線，主要使用人群為管理人員。農機管理平臺的用戶界面主要由“用戶名”“密碼”及“驗證碼”等輸入界面，以及“登錄”和“退出”按鈕構成，其中驗證碼可在每次登錄時隨機抽取4 位由數(shù)字和字母構成的信息要求用戶填寫，是為了加強系統(tǒng)平臺的安全性，避免農機管理平臺受到攻擊的必要保障措施。在農機管理平臺正式投入使用之前，農機管理單位應委托系統(tǒng)管理員將每位管理者的用戶名與密碼輸入到平臺的數(shù)據(jù)庫中，每個用戶名可對應一個密碼，只有當用戶名與密碼相匹配，且用戶名與密碼均存在于數(shù)據(jù)庫中的情況下，用戶方可進入管理系統(tǒng)。

同時，根據(jù)管理者的職責不同，其管理內容也不盡相同，因而系統(tǒng)設計了相應的權限，在用戶對農機具作業(yè)參數(shù)進行調閱及對農機具操作人員進行指示的情況下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫會根據(jù)用戶名和相應權限進行判斷，只有在用戶名與權限相匹配的情況下，用戶才能進行相關的操作，否則無法對系統(tǒng)內相應的功能進行使用。

農機管理單位內的人員流動，包括人員離職、退休、新人員進入及人員內部崗位調動，均可將相關信息上報到系統(tǒng)管理員，由系統(tǒng)管理員在最高權限下對農機管理平臺數(shù)據(jù)庫中的信息進行增、刪、改等修正。

2.2 農機監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.2.1 農機作業(yè)監(jiān)測

農機在作業(yè)過程中環(huán)境較為惡劣，且針對于墾區(qū)這種大量農機具同時工作的情況下，對其作業(yè)質量的監(jiān)控十分困難。為了實現(xiàn)對農機具的統(tǒng)一管理與監(jiān)測，農機具的各種作業(yè)信息可通過事先加裝在農機具上的傳感器進行采集，傳感器采集到的信號通過局域控制網(wǎng)絡CAN 總線上傳至ECU 及智能控制器，再上傳至農機管理平臺的數(shù)據(jù)處理裝置；農機管理平臺將通過顯示電路為主體的顯示模塊，將相應的信息可視化地展示給管理人員（即用戶），管理人員通過對這些信息進行判斷與分析，可有針對性地對某些或某個農機具的操作給出指示；通過終端與農機具的遠程通訊模塊實現(xiàn)通訊，將指示及時傳達給農機具的操作人員，及時對農機具的操作及作業(yè)參數(shù)進行修正，建立閉環(huán)的控制策略。

2.2.2 農機位置監(jiān)測

農機作業(yè)過程中，位置變化頻繁，且整體位移量較大，如果無法對農機的位置進行及時準確的掌握，會影響農業(yè)生產的經(jīng)濟性，導致農機燃油消耗過大，因此對于農機位置的監(jiān)測十分有必要。本農機管理平臺通過定位模塊與北斗定位系統(tǒng)實現(xiàn)定位監(jiān)測，其中定位模塊由北斗衛(wèi)星、基準站、云平臺及移動站構成；再通過對農機作業(yè)區(qū)域進行網(wǎng)格劃分與坐標劃分，有效地提高了農機位置信息的精確程度及管理指示的便捷程度。

2.3 農機ABS 防抱死制動系統(tǒng)診斷系統(tǒng)設計

2.3.1 農機ABS 防抱死制動系統(tǒng)診斷的意義

中國的生產原則與方針為“安全第一、預防為主”，農業(yè)生產也要首先考慮安全，自走式農機具自身具備動力，操作過程中有一定的安全隱患，因此自走式農機具的制動系統(tǒng)則是保障農機具安全生產的重要部分?，F(xiàn)階段拖拉機也為了提高制動性能而裝備有ABS（Anti-Lock Brake System）防抱死制動系統(tǒng)，其工作原理則是在檢測到制動減速度過大的情況下，防止車輪長時間抱死制動，通過不斷地“點剎”實現(xiàn)制動，相較于車輪直接抱死進行制動，ABS 防抱死制動系統(tǒng)的優(yōu)點在于在載具制動的過程中，操作人員仍然可以對載具的行駛方向進行一定的調整，有效避免了因方向調整而導致載具側翻等危險事故的發(fā)生。因此，ABS防抱死制動系統(tǒng)是否正常，直接關系到拖拉機的制動安全與行駛安全，針對拖拉機的ABS 制動防抱死裝置的監(jiān)測是很有必要的。

2.3.2 常見診斷方法的弊端

針對ABS 防抱死制動系統(tǒng)目前常見的監(jiān)測方法為直觀法與讀取故障碼法，其中直觀法是在操作人員感覺到ABS 防抱死制動系統(tǒng)存在故障的情況下，通過視覺觀察ABS 防抱死制動系統(tǒng)的各個部件（如駐車制動器、輪速傳感器、各繼電器等）是否完好或連接正常，容易操作但主觀性過強，很難提前對ABS 防抱死制動系統(tǒng)的故障進行及時的檢測；而讀取故障碼法需要載具在非工作狀態(tài)下進行，ABS 防抱死制動系統(tǒng)的故障信息無法在第一時間通知到農機具的操作人員及管理人員，給農業(yè)生產帶來一定的安全隱患。因此，本農機管理平臺在制動系統(tǒng)檢測部分采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對載具的ABS 防抱死制動系統(tǒng)進行診斷，力求在載具ABS 防抱死制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障的早期能夠對故障進行識別，并及時地將信息發(fā)送至農機管理平臺。

2.3.3 概率神經(jīng)網(wǎng)絡的建立

概率神經(jīng)網(wǎng)絡不僅結構簡單、算法容易設計實現(xiàn)，且對于非線性學習算法的功能，可以通過線性學習方法實現(xiàn)，因而應用范圍十分廣泛。概率神經(jīng)網(wǎng)絡共包含輸入層、模式層、求和層及輸出層4 部分[6-7]。針對ABS 防抱死制動系統(tǒng)的具體情況，輸入的特征值包括載具速度、左前輪速、右前輪速、左后輪速、右后輪速及橫向輪速；而模式層中神經(jīng)元的數(shù)目應為不同類別的訓練樣本之和[8]；在求和層中，應為一個神經(jīng)元對應一個訓練類別；輸出層的神經(jīng)元數(shù)目與求和層是一致的，但輸出層中的神經(jīng)元屬于競爭神經(jīng)元[9]，輸出層主要作用是接收求和層的輸出[10]。本農機ABS 防抱死制動系統(tǒng)診斷系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡輸出應有9 個，分別是：左前車輪輪速傳感器故障、右前車輪輪速傳感器故障、左后車輪輪速傳感器故障、右后車輪輪速傳感器故障、左前車輪制動調節(jié)器故障、右前車輪制動調節(jié)器故障、左后車輪制動調節(jié)器故障、右后車輪制動調節(jié)器故障及ABS 防抱死制動系統(tǒng)無故障。根據(jù)已經(jīng)確定的輸入與輸出信息，對這些信息進行編碼，其中輸入特征值6個，可編碼為1—6，而輸出值為9 個，可編碼為1—9。具體編碼信息如表1 所示。

表1 編碼信息表

通過事先大量采集相應的信息，輸入到診斷系統(tǒng)中對神經(jīng)網(wǎng)絡加以訓練，確保神經(jīng)網(wǎng)絡能夠學習到ABS 防抱死制動系統(tǒng)診斷的信息與方法。

2.3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練與測試

根據(jù)之前設計的編碼表，使試驗拖拉機到試驗場地進行試驗，用以檢驗神經(jīng)網(wǎng)絡對拖拉機防抱死制動系統(tǒng)故障的診斷能力與準確程度，但由于疫情影響，無法在室外進行試驗。本著科學實踐求真的原則，筆者會在后續(xù)研究工作中對該部分進行補充及試驗，并完成試驗數(shù)據(jù)分析工作。

3 農機管理平臺系統(tǒng)結構設計

農機管理平臺是通過通訊技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術及軟件技術相結合而產生的，具備信號采集、信息展示、信息監(jiān)測、遠程通訊等功能，用以準確地展示出農機管理單位下屬的農機具實時的行進速度、位置、ABS 防抱死制動系統(tǒng)是否存在故障等信息。農機管理平臺的展示系統(tǒng)處于結構的最上層，即應用層，結合手機端APP 可實現(xiàn)農機管理平臺相連接，通過信息上傳互聯(lián)網(wǎng)，打破地理因素的制約，使用戶在家亦能夠通過手機與網(wǎng)絡獲取相應的農機作業(yè)信息，極大方便了農機的管理工作。

農機管理平臺的系統(tǒng)主要由WEB 服務平臺與中心數(shù)據(jù)管理平臺2 部分構成。農機管理平臺的創(chuàng)建網(wǎng)頁與表單網(wǎng)頁等基本操作，可以通過嵌入代碼，或者通過標記的文本格式加以實現(xiàn)，程序語言可以采用HTML、Java 等進行編程，農機管理平臺由此可實現(xiàn)與JavaScript 的互操作。而農機管理平臺在農機具作業(yè)過程中所有的數(shù)據(jù)信息采集、分析及其他功能的責任集成平臺則被稱為中心數(shù)據(jù)管理平臺，通過農機管理平臺管理員的權限，針對農機具的種類、作業(yè)類型及不同的作業(yè)參數(shù)等因素，設置不同水平狀態(tài)下的臨界值，一旦農機具作業(yè)過程中相應的作業(yè)參數(shù)不在事先設定的臨界值范圍內，系統(tǒng)可以發(fā)出警告信息以提醒管理人員（用戶）對農機具信息進行查看，并及時對相應農機具操作人員進行指示，確保農機操作人員根據(jù)指示對操作進行修正調整，實現(xiàn)農機作業(yè)的標準化。

4 結論

通過試驗與平臺的開發(fā)，本農機管理平臺可以實現(xiàn)針對墾區(qū)或農場等單位的農機初步管理，通過傳感器、智能控制器及物聯(lián)網(wǎng)平臺的應用，管理人員可以較為直觀地觀測到單位下轄農機具的作業(yè)狀況；通過利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)在工作過程中對ABS 防抱死制動系統(tǒng)的診斷與檢測（受疫情影響無法進行試驗，理論可行）；最終通過通訊技術實現(xiàn)對農機管理人員的指示與調整。