收割机作业参数和状况监控嵌入式系统设计

　　摘要：我国收割机普及程度较高, 但整体技术较为落后, 自动化水平有待提升。嵌入式技术是在计算机基础上发展起来的新型技术, 可以用于对农业机械和设施的运行状况进行监控。为此, 基于嵌入式技术设计了收割机的电子监控系统, 用于对收割机作业参数和运行状况进行监控。系统以嵌入式微处理器为核心, 由监控终端设备和各种嵌入式部件组成。在对水稻和小麦的收割试验中, 系统运行稳定;在系统的辅助操作下, 收割机作业过程顺利流畅, 作业效率随着行驶速度的增加而稳步提高。结果表明:该系统可以降低收割机的故障率, 提高自动化水平。

　　关键词：收割机; 嵌入式; 电子监控; 自动化;

　　Abstract：Harvesting is an important part of crop production.Harvesting machines in our country have a high degree of popularization.However, the overall technology is backward and the level of automation needs to be improved.Embedded technology is a new technology developed on the basis of computers that can be used to monitor the health of agricultural machinery and facilities.Based on the embedded technology, this paper designs a harvester's electronic monitoring system, which is used to monitor the operating parameters and operating conditions of the harvester.System to embedded microprocessor as the core, by the monitoring terminal equipment and a variety of embedded components.In the rice and wheat harvest trials, the system is stable.Under the auxiliary operation of the system, the working process of the harvester is smooth and smooth, and the working efficiency steadily increases as the traveling speed increases.The results show that the system can reduce the failure rate of harvesters and improve the level of automation.

　　Keyword：harvester; embedded; electronic monitoring; automation;

　　近年来, 我国农业种植模式发生改变, 农田开始向种植大户集中, 面积较大、地势平坦的田块数量增加。同时, 农村的劳动力向城市转移, 农业生产的人力资源数量和质量都大幅下降。受此影响, 以往的生产方式无法适应现代农业发展要求, 面临效率低下和成本高的问题。另一方面, 农田连片集中、地势平坦广阔, 为推广农业机械提供了空间。机械化是农业现代化的一个主要内容, 其作业效率高, 可以快速完成农业操作, 增强了农业生产抵御自然风险的能力。

　　我国农业机械化起步较晚, 但发展迅速, 针对主要粮食作物设计了多种类型和功能的生产机械, 促进许多种植区域实现了全程机械化。但是, 我国许多农业机械的适应性还没有得到检验, 新技术少、自动化水平不高的问题普遍存在, 制约了进一步推广应用的潜力。精准农业的目的在于推动农业生产的规模化和专业化, 是现代农业新的发展方向。精准农业赋予农业机械不同的内容, 要求升级技术, 提高自动化水平[1]。农业机械自动化可以有效提高作业效率和质量, 降低生产成本, 符合农业可持续发展的要求。

　　收割是作物生产的最终环节, 合适的收割时机对保证作物产量和品质起着决定性作用。过早收割会导致作物日产量损失, 太晚又会增加各种不利因素带来的风险;种植者必须把握最佳收割时机, 且收割环节持续时间不宜过长。我国的许多作物都依靠农业机械进行收割, 粮食作物由于种植面积大, 收割时期集中, 机械化收割的需求迫切。目前, 收割机在粮食产区的普及程度较高, 但整体技术相比国外较为落后, 机械控制的自动化水平有待提高。

　　反映收割机运行状况的作业参数有多种, 包括行走速度、滚筒转速、搅龙转速和喂入量等。在作业过程中, 受人工操作和工作条件的影响, 实际参数与设定值或最佳值之间存在偏差:偏差值过大时, 会导致作业效率降低, 或者机械的负荷过高, 引起零部件变形甚至损坏, 影响正常作业[2]。目前, 收割机的作业状况监控大多由驾驶人员根据经验进行观察和控制, 对操作能力要求较高, 也增加了工作强度, 且控制精确度无法保证。为此, 专家设计了收割机的各种监控方法:袁文胜等利用压力传感器检测喂入量, 实时调节收割机行走速度, 使其保持正常的运行负荷[3];赵爽根据收割机滚筒转速, 通过模糊神经网络调节行走速度, 取得了理想的控制效果[4]。

　　随着科学的进步, 许多新型技术如单片机、嵌入式技术和PC机等都作为核心被应用在农业机械的监控上。单片机的功能过于简单, 以其为核心的监控系统扩展和升级难度大, 运行稳定性也不理想。以PC机为核心的监控系统成本太高, 同时冗余的功能多, 影响了推广范围[5]。与这两种技术相比, 嵌入式技术的系统集成具有较为明显的优势。

　　嵌入式技术是在计算机基础上建立的以应用为核心, 具有可编辑软硬件, 且对功能、可靠性、体积和功耗严格要求的专业计算机电子信息系统[6]。嵌入式系统具有微型化、智能化和网络化的特点, 并兼顾了各项性能的平衡性, 使用寿命长, 发展前景广阔[7]。嵌入式技术的应用范围覆盖国民经济和生活的许多领域, 对各种机械和设施运行状况的监控是嵌入式的一个重要功能。嵌入式与机械的整合主要集中在工程机械和农业机械上, 工程机械包括装载机、掘进机和挖掘机等[8-10]。

　　在农业机械上, 贾全忠提出了一种基于嵌入式开发平台的农业机械设备监控调度系统, 实现了对农业机械设备的信息收集和检测调度[11]。张微微等和钱坤等都设计了基于嵌入式云计算平台的采棉机监控系统, 可以对采棉机的作业位置和状态数据进行实时采集[12-13]。张建军等提出了基于WSN和嵌入式的收割机智能监测优化方法, 结果表明具有实际应用的可行性[14]。此外, 嵌入式技术还应用在粮库和温室的监控系统构建中, 并体现出明显的效果[15-16]。本文基于嵌入式技术, 设计了一个收割机的电子监控系统, 用于对收割机作业参数和状况进行监控, 以降低收割机的故障率, 提高自动化水平。

　　1、系统组成和原理

　　收割机电子监控系统以嵌入式微处理器为核心, 由收割机的蓄电池提供电源。监控终端设备安装在各个作业部件上, 采集收割机运行的参数信息, 通过连接器传输给微处理器。微处理上连接嵌入显示屏、控制面板、时钟复位电路和存储器。其中, 显示屏用于实时数据显示, 控制面板用于设置运行参数, 时钟复位电路用于保持系统稳定性, 存储器用于存储监控的信息。系统的应用程序和操作软件安装在存储器中, 系统的组成如图1所示。

　　2、系统硬件设计

　　系统以微处理器为核心, 加上嵌入式的硬件设备和嵌入式软件操作程序, 安装在收割机械上。微处理器为STM32F103VCT6型主控制芯片, 具有32位Cortex-M3内核。该型芯片具有48k B的RAM, 256K的FLASH脚本, 处理速度和存储空间性能都较好, 相对其10元左右的价格, 体现出较高的性价比。另外, 该芯片可适应多种通信模式, 与其它模块之间建立通信及优化设计都极为方便。

　　监控设备包括1个安装在收割机输送器入口地板处的TJP-1型压力传感器, 将压力转换为电信号从而测定喂入量;3个HAL41F型霍尔元件, 分别安装在收割机的滚筒、搅龙和地轮上, 检测各部件转动形成脉冲信号, 从而获得部件的转速和机械行走速度;监控部件通过TLC1543CN型转换器与微处理器连接。

图1 系统的组成部分

　　电子监控系统使用3.5V的电压, 以收割机12V的蓄电池作为电源。采用德州仪器TPS7A4700型低压差线稳压器, 在输入电压12V时的最小输出电压为3V, 最大输出电压为36V, 最大电流为1A, 可以满足系统的要求。微处理器外接S1D13506型显示屏用于数据的显示, 采用分辨率500×800的TFT液晶屏, 显着提高了屏幕效果。参数设定设备为JZ-9型矩形控制面板, 为方便收割机驾驶人员使用, 优化了按键和电路的设计, 增加编码功能使操作人员可以根据各自的习惯对按键进行设定。微处理器上还连接北京宏空HK-CRAM型存储器进行信息和分析结果的保存, 以及706R型时钟复位电路。

　　系统采用CAN总线的通信方式, 抗干扰能力强, 可以支持多条线路的有效连接, 适合在复杂的自然环境条件下工作。通信线路采用RS232的串口, 系统根据设备的数量, 装备2个电源, 2个CAN总线和3个RS232串口。为方便用户根据实际需求嵌入新的功能, 系统预留一定数量的连接端口。

　　3、软件和算法

　　目前, 嵌入式系统的操作系统主要有面向控制及通信的实时操作系统和面向电子消费的非实时操作系统, 种类包括Vxwork、Windows CE、Embedded和Linux等。其中, Windows CE为32位的实时操作软件, 具有较强的功能, 且适合硬件内存和体积小的系统, 因此在研究中采用。监控系统的操作程序为模块化设计, 能够根据用户需求进行裁剪, 将其内核增加到4M即可实现图像处理功能。程序基于API函数设计, 便于开发升级, 以增加监控的信息种类。

　　收割机的部件繁多, 结构复杂, 作业过程中会产生大量的信息数据, 导致嵌入式系统的核心芯片负荷较重。微处理器既要接受监控设备获取的运行状况信息, 又要对庞大的数据进行计算, 并输出控制信号。针对这一问题, 本研究采用分布式结构的系统软件设计, 分摊核心芯片的运行负荷, 出现故障的嵌入式设备能被其它部件及时替代, 从而提高系统的可靠性。

　　对收割机运行数据采用自适应加权融合算法, 以检测作业负荷, 即在保证总方差最小的前提下, 通过自适应方法计算最优加权因子, 获得融合后的测量值。为应对多传感器的情况, 嵌入式系统须要学习该算法, 再引入控制收割机参数的程序, 最终实现对收割机喂入量、滚筒转速、搅龙转速和行驶速度合理性的判断。系统软件的监控过程如图2所示。

图2 系统软件的监控过程

　　4、系统测试

　　本研究中将嵌入式电子监控系统安装在稻麦类收割机上进行测试。收割机为久保田4LZ-2.5型全喂入式履带收割机, 适用于水稻、小麦和油菜等作物的收割作业。收割机的额定功率50k W, 工作幅宽2m, 喂入量2.5kg。测试的作物为水稻和小麦, 分别以1.1、1.4、1.7m/s的速度行驶, 完成5hm2作物的收割。测试过程中启动电子监控器采集收割机作业状况, 为驾驶人员提供参考, 最后记录收割机的作业效率和故障率。

　　测试的结果如表1所示。整个过程中监控系统运行稳定, 在其辅助操作下, 收割机的故障率极低, 仅有的几次故障都是由滚筒堵塞造成。收割机作业过程顺利流畅, 作业效率随着行驶速度的增加而稳步提高, 取得了良好的应用效果。

表1 监控系统的田间测试

　　5、结论

　　基于嵌入式技术, 设计了收割机的电子监控系统, 用于对收割机作业参数和状况进行监控。系统以嵌入式微处理器为核心, 由监控终端设备、嵌入式显示屏、控制面板、复位电路和存储器等部件组成。系统安装在收割机上对水稻和小麦进行收割试验, 整个过程中系统运行稳定。在其辅助操作下, 收割机的故障率极低, 作业过程顺利流畅, 作业效率随着行驶速度的增加而稳步提高。系统应用效果良好, 可以降低收割机的故障率, 提高自动化水平。

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