土壤耕整地作業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作業(yè)質(zhì)量的高低直接關(guān)聯(lián)到農(nóng)作物的最終產(chǎn)量。然而，當前國內(nèi)在評估耕整地作業(yè)質(zhì)量方面的方法比較單一，相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測與評估體系沒有實現(xiàn)高效集成化。拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置選用多維度高精度傳感器，利用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，基于多通道無線傳輸技術(shù)，能夠?qū)⑼侠瓩C耕整地作業(yè)相關(guān)技術(shù)指標進行采集、存儲和運算，從而快速精準測得耕整地作業(yè)質(zhì)量指標和拖拉機田間作業(yè)不同工況的相關(guān)數(shù)據(jù)，為耕整地作業(yè)質(zhì)量和拖拉機作業(yè)載荷設計提供了有效的技術(shù)支撐。

1 拖拉機耕整地作業(yè)現(xiàn)狀分析

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的耕整地機具可以對土壤進行松、整、翻耕作業(yè)，打破犁底層，把下部堅實的土壤與上部熟土層進行分層置換，厭氧生物在疏松的土層中與氧氣充分結(jié)合，增加土壤的耕層深度，提升土壤的通透性，提高耕作土壤的微量元素含量，使耕層厚實疏松，加大土壤顆粒之間的孔隙度，有利于作物種子發(fā)芽和根系生長。同時，形成的松軟海綿體土質(zhì)吸收了天然雨水，提高了土地蓄水保墑和抵御干旱的能力。此外，翻耕作業(yè)可以清除殘茬雜草，掩埋土壤表面的病蟲菌害，發(fā)酵生成生物質(zhì)有機肥料。將作物秸稈粉碎后和土壤進行充分融合，有利于秸稈殘茬快速腐爛和土質(zhì)改良優(yōu)化，提高土壤自然肥力。耕整地作業(yè)環(huán)節(jié)中的耕深一致性、碎土率、平整度、滅茬率等關(guān)鍵指標直接影響后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。提高耕整地作業(yè)質(zhì)量，可以有效地提高種子發(fā)芽率和出苗率，保障農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，促進單產(chǎn)提升。

國內(nèi)目前檢測拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量的方法還比較單一，大部分還停留在人工測量階段，且缺乏對拖拉機的相關(guān)作業(yè)參數(shù)如牽引力、油耗率、作業(yè)速度、輪胎滑轉(zhuǎn)率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等的測量手段。但田間作業(yè)工況十分復雜多變，相關(guān)的作業(yè)參數(shù)也在不斷變化，如何將各種參數(shù)進行同時測量和分析，對于耕整地作業(yè)質(zhì)量的判斷和拖拉機作業(yè)載荷的采集顯得尤為重要。本文所述的拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置能夠為拖拉機田間作業(yè)的參數(shù)進行測量，得到牽引力、油耗、作業(yè)速度、輪胎滑轉(zhuǎn)率、耕深、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、耕深穩(wěn)定性等作業(yè)指標并且能夠?qū)崟r上傳至顯示終端，隨時監(jiān)控作業(yè)質(zhì)量，并且能掌握在不同的耕作條件下拖拉機的動力性能，為拖拉機的整體設計及底盤的可靠性提供數(shù)據(jù)支撐和參考。同時，該裝置可以作為檢測、監(jiān)控耕整地作業(yè)質(zhì)量的有效技術(shù)手段，為高標準農(nóng)田建設、鄉(xiāng)村振興提供技術(shù)支撐，為糧食增產(chǎn)豐收助力。

2 拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置的構(gòu)成和原理

拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置由硬件部分和軟件控制部分組成，硬件部分由測量主體單元（傳感器）、數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)發(fā)射終端、數(shù)據(jù)接收終端、顯示終端（筆記本電腦）、連接數(shù)據(jù)線等組成，軟件控制部分由測量控制軟件、數(shù)據(jù)庫等組成，頁面主要包含實時數(shù)據(jù)標簽、串口原始數(shù)據(jù)標簽、參數(shù)標定標簽、試驗信息標簽、歷史與導出頁面，實時數(shù)據(jù)標簽主要包含串口掃描、實時參數(shù)和試驗按鈕等。

2.1 硬件部分

硬件部分由測量主體單元（傳感器）和數(shù)據(jù)采集部分組成。傳感器包括速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、銷軸傳感器、角度傳感器、油耗傳感器、溫濕度傳感器等，利用各自的原理和算法，分別測量機組作業(yè)速度、輪胎滑轉(zhuǎn)率、牽引力、耕深、油耗量、環(huán)境參數(shù)等。通過傳感器，將各種參數(shù)轉(zhuǎn)化為電子信號，從而傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集部分進行數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)采集處理部分包括數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)據(jù)發(fā)射終端、數(shù)據(jù)接收終端、顯示終端、連接數(shù)據(jù)線等。通過該部分，可以對數(shù)據(jù)進行解析、加密、打包發(fā)送、測控和存儲等。

2.2 軟件部分

檢測裝置的軟件系統(tǒng)由兩部分組成。一個運行于下位機的數(shù)據(jù)采集及預處理軟件，采用C語言，通過嵌入式軟件開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)；另一個是運行于數(shù)據(jù)終端的上位機軟件，采用C#語言開發(fā)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集處理器的核心部件（MCU）采用STM32單片機，同時內(nèi)置了檢測功能所需的CAN總線、12Bits A/D轉(zhuǎn)換、外部中斷、I/O、USART、定時器等功能單元。上位機軟件，也就是用戶操作界面，運行于Windows平臺，采用C#語言開發(fā)，主要負責接收、拆包數(shù)據(jù)采集處理器通過Lora模塊傳輸?shù)母鞣N傳感器信息（速度、牽引力A/D值、油耗脈沖數(shù)等），并在此原始數(shù)據(jù)的基礎上，計算、生成用戶感興趣的檢測數(shù)據(jù)（距離、牽引力、牽引功率、單位時間油耗等）；實現(xiàn)用戶交互界面，用于開始、結(jié)束各種檢測以及其他相關(guān)輔助功能，如參數(shù)設置、傳感器標定等；保存、匯總檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測相關(guān)的其他輔助功能，如查詢、生成表格、打印等功能。

3 拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置的應用

3.1 拖拉機犁耕作業(yè)性能實測

以濰坊市濰城區(qū)軍埠口鎮(zhèn)測量結(jié)果為例，測試時間為2023年10月，測量對象為P2404-7V型輪式拖拉機配備1LFT-550型液壓翻轉(zhuǎn)犁進行犁耕作業(yè)，測量方法依據(jù)NY/T 742-2003《鏵式犁作業(yè)質(zhì)量》、T/CAMA 14.3-2020《農(nóng)業(yè)機械作業(yè)載荷檢測技術(shù)規(guī)范 第3部分：輪式拖拉機（組）》。測區(qū)長度選擇30m直線距離，前后均留有20m穩(wěn)定區(qū)，發(fā)動機標定轉(zhuǎn)速為2200r/min，標定功率為177kW，試驗區(qū)土壤類型為壤土，前茬作物為玉米，農(nóng)藝規(guī)定耕深為（25～30）cm，工作幅寬為2.5m。拖拉機以犁耕作業(yè)模式工作，工作速度范圍為（8～12）km/h，整個試驗過程選用農(nóng)機作業(yè)經(jīng)驗豐富的駕駛員。

試驗過程中傳感器工作均正常，沒有出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象；無線數(shù)據(jù)處理裝置工作正常，數(shù)據(jù)傳輸無中斷、卡頓、丟失數(shù)據(jù)等情況；無線傳輸距離在1000m內(nèi)傳輸穩(wěn)定，無異常狀況；測控系統(tǒng)各操作界面均顯示正常，能夠快捷轉(zhuǎn)換和實時操控，試驗結(jié)果（見表1）。

3.2 實測試驗結(jié)果分析

通過表1發(fā)現(xiàn)，該檢測裝置在耕深、速度、油耗、輪胎滑轉(zhuǎn)率、牽引力等主要測試指標上，測量準確可靠，無異常狀況。生成的測試報告準確，數(shù)據(jù)無異常。測試人員通過人工測量方式對耕深進行了測量，得到耕深平均值為28.5mm，與檢測裝置自動測得的28.1mm偏差值在2%范圍內(nèi)；通過拖拉機OBD故障檢測接口讀取ECU數(shù)據(jù)，油耗量數(shù)值與傳感器測量值在1%范圍內(nèi)。測試數(shù)據(jù)表明，拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置性能穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)精確，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，操控界面清晰方便，達到產(chǎn)品設計和檢驗標準的要求。

3.3 拖拉機底盤設計驗證

目前拖拉機底盤設計都是先以理論設計為主，然后再進行組裝生產(chǎn)，然后投入田間驗證或者實驗室模擬驗證，這樣的方式一旦出現(xiàn)了設計偏差或者基礎數(shù)據(jù)不足，比如土質(zhì)變化、耕作深度不同導致的土壤比阻不同，就會出現(xiàn)較多的缺陷從而導致批量事故的發(fā)生。田間作業(yè)的基礎數(shù)據(jù)是最直觀、最切合實際的數(shù)據(jù)，是在實驗室任何加載工況下都無法完全模擬和再現(xiàn)的。目前針對拖拉機田間作業(yè)的載荷測量大多采用應變片方式，即在拖拉機驅(qū)動輪軸上安裝應變膜片，去測量拖拉機在實際田間作業(yè)時的驅(qū)動力矩。這種測量模式較為準確，但是設備價格昂貴，安裝復雜，測試周期較長，導致田間作業(yè)實際載荷譜建立的建立較為困難。拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置通過測量耕整地作業(yè)機組在不同作業(yè)地點、不同作業(yè)環(huán)境、不同作業(yè)方式、不同耕深條件下的牽引力，從而建立起可以參照的數(shù)學模型和數(shù)據(jù)庫，通過大量的整機試驗驗證，與拖拉機理論設計相關(guān)數(shù)值進行鏈接和對照，可以進行逆向反饋。牽引力通過相應計算，可以和驅(qū)動軸力矩建立起數(shù)學關(guān)系，且有輪胎滑轉(zhuǎn)率這個重要指標進行實時對照，測量數(shù)據(jù)更加全面，能夠為拖拉機底盤的實驗室驗證提供更有利的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

拖拉機耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測裝置在實際廣泛應用中，可以有效準確的測量拖拉機田間耕整地作業(yè)的基本性能參數(shù)和作業(yè)質(zhì)量指標，大大減輕了檢測人員的勞動強度，提高了準確性。并且能夠同時對多參數(shù)同時進行測量，建立數(shù)學模型后進行分析，對于拖拉機整體的設計有很大的參考價值。通過不同的作業(yè)情況數(shù)據(jù)分析，能夠得到在不同的耕整地作業(yè)環(huán)境下，拖拉機的工作效率、作業(yè)經(jīng)濟性等是否在最優(yōu)化狀態(tài)。對我國現(xiàn)階段大馬力農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展有重要推動作用。

4.1 提升農(nóng)業(yè)機械鑒定和檢驗水平

本檢測裝置能夠?qū)r(nóng)業(yè)機械的關(guān)鍵指標進行快速摸底排查，提高了行業(yè)對農(nóng)業(yè)機械尤其是大馬力農(nóng)業(yè)機械的檢測檢驗效率，推動了農(nóng)業(yè)機械的迭代速度，解決了困擾農(nóng)機試驗檢測周期長、檢測指標多、難操作的問題，促進了我國現(xiàn)階段農(nóng)機發(fā)展“一大一小”規(guī)劃中的大農(nóng)機普遍應用，耕種時間被大大縮短，提高了農(nóng)機作業(yè)速度和質(zhì)量，節(jié)約了勞動力和人力成本，解決了人力不足的問題，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

4.2 為農(nóng)機制造行業(yè)提供技術(shù)支撐

本檢測裝置通過田間作業(yè)數(shù)據(jù)測量的方式，能夠在不同環(huán)境、不同工況進行數(shù)據(jù)檢測，從而建立完備的田間作業(yè)指標的載荷數(shù)據(jù)庫。田間作業(yè)載荷數(shù)據(jù)庫建立后，能夠反向作用于實驗室階段的論證，從而更加科學的指導產(chǎn)品設計、開發(fā)和試驗驗證，縮短周期，提質(zhì)增效。

4.3 為農(nóng)機化主管部門提供裝備支撐

農(nóng)機作業(yè)補貼是農(nóng)業(yè)補貼的一項主要手段，而且農(nóng)機購置補貼也越來越傾向于作業(yè)補貼。本檢測裝置可以進行數(shù)據(jù)實時上傳至后臺，可以隨時進行耕整地作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)控。通過預設程序，可以在拖拉機進行耕整地作業(yè)時，隨時對工作姿態(tài)如直線度、耕深、作業(yè)速度等進行反饋、報警提示，從而及時對耕整地作業(yè)進行調(diào)整和優(yōu)化，確保土地耕整地質(zhì)量的有效提升。