农业机械作业状况通用的监测平台

农业机械作业状况通用的监测平台

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1.1 选题的背景与意义

从世界农业机械的发展来看,工业革命使得大量的人口从农业生产转移到工业的生产活动中,从事农业生产的人口在不断的减少,而世界对于粮食产量的需要在不断上升,为了适应这种需求,就需要提高单个人农业劳动生产率,农业的机械化适应了这种需求,它使得每个农民的生产率得到了显着的提升,生产率较高的大型农业装备成为农机发展的方向。在这样的趋势下,国内外农机企业和科研院所进行了大型农机装备的研制与生产销售。农业机械的大型化使得机具的结构、运动机构和工作过程更为复杂,为了保证机具的作业质量,对机具操作人员的技术水平提出了更高的要求。为了改善这种情况,研制自动化的设备来辅助监测农机具的作业过程,具有重要的意义,这些自动化设备成为现代农机的重要组成部分。农业机械的作业状况直接影响机械的作业质量,如谷物联合收获机作业时,发动机通过传动带等传动部件把动力分配给各个不同的功能部件,完成切割、输送、脱粒、分离、清选和升运作业。割台的切割速度影响着秸秆切割的质量,升运器的转速影响着谷物的输送效率,脱粒滚筒的转速、与格栅的间隙等参数影响着脱粒的质量,清选风机的风速与风向影响着清选的质量。为了保证联合收获机的作业质量,在上述关键部位安装各种传感器监测其工作状况,比如在发动机的动力输出轴处安装扭矩传感器和转速传感器,实时监测发动机的实际扭矩和转速。农业机械经过一段时间的工作运转,就会逐渐失去正常的技术状态,出现机器的故障。机器出现故障,就会使其工作效率降低,工作质量变差,油耗增加,作业成本提高,甚至还会发生安全事故。

为弄清楚造成故障的原因,并且加以预防,对农业机械作业状况进行监测也有着重要的意义。

1.2 国内外研究现状

目前关于农业机械作业过程监测的研究工作主要集中在针对某一特定的作业任务而开发的监测系统,这些监测系统基本涵盖了耕整、播种、施肥、喷药、除草和收获等农业机械化作业的各个环节。在农业机械耕整作业监测方面,谢斌等人设计了一种基于倾角传感器农机具耕深测量控制系统,该系统通过测量拖拉机提升臂的倾角结合悬挂机组的几何关系推导出机具的耕作深度,耕深测量结果通过CAN 总线传输到虚拟终端,在虚拟终端实时显示耕深值。李玲等人利用滑掌带动差动变压器运动,将耕深信号变化成电信号,使用信号采集系统采集电信号设计了测量耕深的电子测试系统。A.M. Mouazen 等人为研究土壤压实问题设计了一种基于摆轮的耕深测量系统,该系统中摆轮与位移传感器组合使用,用于反映耕深的变化。王建等人研制了犁耕阻力的测试系统,该系统使用单片机作为主控制器,将测量结果通过RS232 端口传输给计算机进行显示。在播种作业监测方面,赵斌等人、匡丽红等人、吴艳艳等人和李雷霞等人基于光电元件和单片机设计了能够对精密播种机播种状况进行监测的监测系统,这些系统普遍具有重播、漏播和堵塞监测功能。黄东岩等人使用聚偏二氟乙烯压电薄膜作为排种监测传感器设计了一种播种机播种监测系统。田辉辉等人和王沛东等人基于CAN 总线分别设计了大豆精播机和小麦播种机播种监测系统,田辉辉设计的播种监测系统采用了上位机和下位机的通信方式,上位机上运行基于VB6.0 开发的软件。梅鹤波等人基于CAN 总线设计开发了48 行小麦精量播种智能监测系统,实现当精量播种机一行或数行发生堵塞等故障时发出声音报警,并在终端上显示故障以及故障行号。外国一些厂商例如Johndeere、Kinze 生产的播种机上已经带有商业化成熟的播种监测系统。

第2 章监测平台总体组成与工作原理

2.1 监测平台总体组成

农业机械作业状况通用监测平台能够实现多种作业任务的监测,并且在使用该平台进行不同的农业机械作业监测时能够进行快速的切换。当需要新的监测任务时,能够将新的监测任务需要的硬件方便地连接到现有的系统,现有系统的软件资源可以直接应用或者移植到新的监测任务中。系统为满足上述要求,需要具有较强的结构可扩展性、硬件资源的通用性和软件代码的通用性。基于上述要求与理念,监测平台采用基于网络拓扑结构的模块化设计。监测平台总体由监控终端、功能节点和通信网络组成,如图 2.1 所示。系统工作时,监控终端中的CAN 收发板监测着通信网络传输的农机作业状况

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信息,当检测到发送给监控终端的报文时,该条报文信息首先被CAN 收发板截获,然后被微控制器读取。微控制器与主板通过RS232 串口通信,微控制器按照其与主板通信协议的规定,将收到的信息通过串口发送给主板。主板上运行为监测平台开发的基于LabVIEW 的监控软件,主板驱动触摸屏以图形化的界面直观地显示作业机具的作业状况信息。人机交互系统由触摸板和液晶显示屏组成,液晶显示屏用于作业状况信息的显示,触摸板粘结在液晶显示屏表面,农机作业的控制参数通过触摸板输入到主板。

2.2 监测平台工作原理

使用该监测平台进行农业机械作业监测时,首先设计需要的功能节点,然后将功能节点接入到通信网络。功能节点获取传感器的输出信息,按照该功能节点设计的功能,执行相应的运算,然后驱动功能节点的执行机构实施相应的作业任务。与此同时,功能节点将需要监测的作业状况数据按照2.1.3 节通信协议的规定将作业状况信息发送到通信网络上。监控终端中CAN 收发板实时监测着在网络上传输的信息,当监测到有功能节点发送给监控终端的作业状况信息时,CAN 收发板将其截获,然后微控制器读取CAN 收发板接收到的信息,按照微控制器与主板的通信协议将信息进行转码,发送给主板,运行于主板的LabVIEW 软件将作业状况数据按照用户的设置进行显示与存储。为了更为直观地理解监测平台的工作过程,现以变量施肥作业为例,叙述监测平台的工作原理。开始作业之前用户通过监控终端触摸屏输入机具宽度、作业类型、要保存的数据类型等作业初始化参数。机具开始工作后变量施肥功能节点根据预先存储的处方图信息实时地实施变量施肥控制任务,同时将机具当前所在的网格位置、当前网格的施肥量、机具的作业速度、机具的实际施肥量等作业状况信息发送到通信网络上。监控终端微控制器监测着在通信网络上的信息,当监测到有功能节点发送给监控终端的信息时,监控终端微控制器就将此信息捕获,按照其与主板的协议规定将信息发送给主板。主板在LabVIEW 软件中将收到的信息进行显示,同时根据用户的选择将一些重要的数据进行存储。