基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现概要

基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现摘要农业是维持人民的基本生活的基础，然而农业的发展受到自然环境和农业科技的限制。

大幅度提高土地利用率、劳动生产率，提高整体效率，必须依靠科学技术的进步。

田间作业机车在田间松土、播种、施肥、收割等场合发挥着重要作用，但是随着机车的使用率的增多，与田间作业机车有关的安全事故也不断增加，威胁着机车司机的人生安全。

为了提高田间机车在工作过程中的安全性，以往大多数的方法都是通过与司机电话联系或派人到现场查看来确定机车司机的安全和机车的的位置。

深入研究以往的田间作业机车监测技术，并在此基础上设计并实现了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统”，实现了对田间作业机车的位置、作业面积、油箱温度、机车速度等数据的实时监测，已达到减少田间作业机车在田地工作时出现意外情况的目的。

本论文主要完成了一下几方面的工作：1、系统的分析了田间作业机车工作状态监测技术的发展历史和国内外研究概况，阐述了课题研究的意义和目的。

同时对CAN总线做了深入学习。

2、针对田间作业机车工作时可能出现的安全问题，结合监控系统的设计理念和实际情况，提出了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现”设计的总体框架，同时分析了该方案的设计理念，设计的缺点和不足及还需要解决的问题。

3、设计了该系统的硬件部分，由数据采集端、CAN总线传输、和数据发送端等组成，实现了数据的采集、传输和发送。

4、根据系统的设计的需要，设计了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现”的软件编程。

包括单片机、GPRS、CAN总线的编程。

5、通过多次试验调试，能够得到田间作业机车工况数据信息，并且可以在显示界面上实时的看到这些工作状态数据。

实验的测试结果表明：实验的数据与参考的数据能够较好的吻合，说明误差较小，具有良好的精度。

同时系统采用了CAN总线技术，减少了错综复杂的布线，提高了稳定性，操作简单，该系统将会提高田间作业机车的安全系数和工作效率，具有很好的应用前景，可以大范围推广使用。

关键词：田间作业机车；CAN总线；传感器；GPS第一章绪论1.1选题的背景和意义农业是保证国家发展和经济稳定的重要依据，随着时代的发展，各国清晰的认识到农业对于国家稳定的重要性。

党在十七届三中全会《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定》一文中明确指出：“积极发展现代农业，提高农业综合生产能力”，深入理解和认识发展现代农业的重要性。

随着信息科学技术和微电子技术的发展，田间作业机车是否可以安全的运行，对于保障田间作业机车司机的生命安全、确保产出的农产品质量、提高农田的经济效益都具有十分重要的意义。

同时我国北方地区常会出现一些极端气候的自然灾害，如持续低温、多雪多雨、气候异常、回暖偏晚等，这些对田间作业机车的正常工作带来了难题，在这样气候的影响下，机车达不到要求的效率[3]。

因此对于北方田间机车作业来说，对田间作业机车的监测是个重要的过程。

机车状态监测是针对机车或者机车部件在工作中的运行状态（如车速、油箱温度，作业面积，耗油量等）进行实时的监控和检测，通过各类传感器（如温度感光器，光感传感器、浮子传感器等）将这些数字信号转换成所需的数字信号或者电信号等，通过有效的传输后在处理器中进行分析和处理，最后将数据进行存储已达到对机车工况监测的目的。

对于田间作业机车工作状态监测技术的研究是保障田间作业机车正常工作的基础条件。

监测系统能对出现故障机车做出快速准确的反应，提高设备的可靠性和智能化调度水平，同时也能够保障田间作业机车司机的生命安全，减少维修费用，为公司减少了经济支出，带来了巨大经济效益。

早期的田间作业机车工况数据监测系统主要在机车的布线中使用价格高昂的模拟信号线，而且每一个传感器需要单独布线，线多而乱，不仅给装机带来麻烦，而且也为以后更新传感器时带来不必要的麻烦。

田间作业机车工况数据监测系统的采集端一般采用无线的传输模式，但是由于车载部分传输距离较近，再加上无线传输的性能不够稳定，农田地里环境恶劣，这些都将限制监控系统的正常工作。

从数据传输的角度讲，无线传输的速度不如有线传输的速度快，这大大的影响了系统的实时性，进而影响监控系统，这一类型的田间作业机车工况数据监测系统已经不能适应现代的农业发展的需求。

现代的田间作业机车工况数据监测系统一般利用计算机、网络、数字通信的技术支持，充分彰显了强大的工作能力和广阔的应用性。

由这样的交叉组合技术组成的监测系统具有很高的可靠性和安全性，田间作业机车司机也可以依靠机车内的设备及时了解机车的内部情况，一旦出现问题，立即采取相应的措施，减少损失。

随着科学技术的发展，嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)的优越性能凸显出来，应用也越来月广泛。

现代的通信技术日新月异，有线传输也取得了突破性的进展。

这些技术都为田间作业机车工况数据监测系统提供了强有力的技术支持。

1.2国内外发展现状新世纪以来，一些发达国家为了达到农业高效率和高产出的目的，开始着手于田间作业机车工况数据采集监控系统的研究与实践,与之相关企业也先后开发了各有特色的田间作业机车工况数据采集监控系统，CAN总线技术就是监测系统的重要组成部分。

CAN总线是一项以计算机、智能传感和数据通信为主的综合性技术，在当代的自动化控制领域发展迅速，被誉为自动化领域的局域网。

CAN总线（Controller Area Network）最早是由德国Bosch公司在1986年提出，它具有性价比高、传输速度快、实时性和可靠性强等特点，当时普遍适用于解决汽车问题，现如今已经被广泛运用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。

随着CAN总线在各个领域的广泛使用，国际上也对CAN总线的通信格式提出了更加严格的要求，1991年在各方的共同努力下CAN总线技术规范（Version2.0）制定完成并正式发布。

此外“现代农业靠科技，科技使用靠农机。

”得益于我国大力推进农业现代化、农业信息化和农业机械化的国家政策。

有效的采用田间作业机车工况数据监测，可以使田间作业机车达到高效率、低功耗的目的，更大的促进农业高效生产和农业经济的发展，在未来的中国，田间作业机车工况数据监控市场应用前景将十分广阔。

1.2.1国外发展现状及趋势凯斯-纽荷兰Winner系列电子系统、8030系列的电子信息系统、迪尔Intellitrak电子仪表系统，道依兹Agrotronic-l电子驾驶操纵系统、福格森的Autotronic系统和Datatronic 系统等[6]，这些装置主要控制田间作业机车的常规信息参数、液晶图形显示、超声光报警、和控制随机性能参数（机车实际前进速度、工作时间、发动机和动力输出轴（PTO）转速、机车作业面积、作业效率及滑转率等），还具有优化驾驶操纵方案、故障诊断和报警、前驱动、差速锁上和动力输出轴（PTO）自动控制等功能。

国外田间作业机车大多安装机载计算机系统。

功能是采集和分析处理机车作业过程中传感器采集回来的信息参数，这些信息参数主要包括发动机转速，PTO转速、作业行驶速度、打滑率等。

为了促进CAN总线以及CAN总线协议的进一步发展，欧洲于1992年成立了CiA(CANin Automation)。

在CiA的作用下，CAN总线技术在纺织机械、汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、船舶运输和航空航天控制等方面均得到了广泛的应用[7]。

CiA现在有全世界400多家公司加入其中，如今CiA已经是全球应用CAN总线技术最权威的机构。

根据国外资料报道，CAN总线技术已广泛的应用于家用电器、智能楼宇以及小区建设中。

它的每个节点都可以随机的访问，通信速度能够满足要求。

一些网关如CAN总线与TCP/IP协议的转换，可以使一个房间或者一整栋大厦的CAN总线信息转变为Internet的形式后传输出去或反过来通过这类网关把外网传来的信息转换为CAN总线的形式，即实现了远程控制[10]。

1.2.2、国内发展现状及趋势在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。

其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱，采用CAN总线技术后即可解决上述问题[11]。

CAN总线上的每一个节点都可作为主节点交换数据并且可以分出优先级。

这些特点使其在工业测控领域众多总线中成为首选的现场总线之一[13]。

基于CAN总线的田间作业机车工况监测采用高新技术提高了机车性能、可靠性和安全性等。

目前国内机车工况监控系统的研究情况主要如下：21世纪初期吉林大学任辉、杨印生等在泰国农机作业委托的调查中论述了农机作业委托的定义，郭鸿鹏开展了农机作业委托决策支持系统研究的工作。

2006年国家农业信息化工程技术研究中心李洪等人开展了基于GPS、GPRS和GIS的农机监控调度系统的研究，实现为远距离快速采集农机信息、农机资源的实时监控和有效调度提供了一种切实可行的解决方案。

2009年华南农业大学罗锡文、张智刚等设计东方红X-804机车的DGPS自动导航控制系统，针对东方红X-804机车在特定工况下，所提出的跨行地头转向控制方法对试验机车具有良好的适用性。

2010年山东理工大学李进鹏和杨自栋设计了一套8行精密播种机的监测系统，采用液晶触摸屏作为人机界面,实现了直接地显示8行播种工况的功能。

2004-2012年，浙江大学何勇等进行了基于网络的农业机械装备管理信息系统的研究，开发了农机性能综合检测仪，该仪器能够完成快速测定农机的工作状态，实现了一机多用[16]。

目前，对机车的作业研究主要集中于驱动系统、行走机构、液压悬挂、制动、导航研究等几个方面，相对于作业参数的实时监测及本机工作状态的实时检测研究较少，对于CAN总线运用到农机中的研究也是较少的。

系统将农机工况信息传输技术与装备研制，实现农机作业参数的本地及远程监控是本系统的主要研究内容。

1.3 研究的主要内容本课题的主要任务是基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统的建立。

着重突出以下几方面的研究：第一章，分析了国内外的研究现状，阐述了本论文的目的和意义，并提出了本研究的主要内容第二章，详细的介绍了基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统的总体框架设计，包括CAN总线的概述和协议，GPS接收器概述，各类传感器、单片机信息和GPRS 发送等。

第三章，设计硬件，包括传感器模块，GPS模块和GPRS模块，显示屏模块和CAN 控制器模块信息采集端包括GPS（Global Positioning System）接收模块、浮子传感器，温度传感器等，将这些模块按照设计顺序依次连接进行测试。

第四章，进行软件编程，软件编程部分是本论文的重点和难点。