基于大马力精播机工况监测的田间无线调度系统

基于大马力精播机工况监测的田间无线调度系统许秀英，黄操军，席桂清，杨秋梦，辛德奎（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，黑龙江大庆163319）摘要：针对农机作业工况信息滞后，与农机作业规模化、集成化程度提高之间不匹配的问题，设计了以大马力精播机为主要研究对象的田间作业机工况信息采集硬件系统。

在传统的作业速度和作业面积测量基础上，结合数据融合技术，降低了由于地轮打滑引起的测量误差，提高了种肥监测精度；系统增加了发动机转速与油耗的测量，为高效、经济作业提供了优化方案。

系统采用基于802．11n的无线传感器网络将各工况信息进行采集，降低了系统布线难度，也为进一步实现农机作业合理调度提供了可靠数据。

关键词：精播机；农机工况；无线通信；调度中图分类号：S24文献标识码：A文章编号：1003－188X（2014）12－0042－040引言目前，全国大中型农场已基本实现农业机械化。

以黑龙江垦区为例，垦区现有9个农场管理局、113个国有农牧场，农业机械总动力近600万kW，拥有农用大中型拖拉机4．5万台、大中型配套农具11万台、机动水稻插秧机6万台多、谷物联合收获机械1万台多、农用飞机52架，已率先实现了机械化作业。

随着机械化程度的提高，农机作业范围越来越大，农机作业信息反馈实时性差，不能满足机收的组织者和参与者对信息快捷、准确、详细掌握的要求。

目前，国内缺少有效的农机调度手段，不仅降低了农机作业的工作效率和作业质量，也造成了农机的不合理配置，导致了资源的严重浪费，给农机作业的进一步发展带来困难［1］。

田间作业机群无线调度系统能够更为科学、合理地调配田间作业机械，使得作业机械不再是单兵作战，而成为科学合理的团队力量，可及时采取调度措施，采用精简、高效的协作方式，避免机械较大故障、轮空、休息的情况发生。

采用作业机群无线调度系统后，田间作业机械上配备的信息采集控制器可动态地采集生产信息，迅速、及时地将信息传送到调度中心，为及时、正确的决策提供可靠数据，亦可为农机管理部门提供农田作业的准确信息，为未来的集约化农业收稿日期：2013－11－22基金项目：黑龙江农垦总局重点科技攻关项目（HNK10A－07－01－03）；国家发改委“种植业物联网应用示范工程”项目（发改办高技［20011］2058号）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAH12B00，2012BAH12B02）作者简介：许秀英（1978－），女，吉林永吉人，讲师，硕士研究生。

生产提供一个良好的示范作用。

1硬件构成田间作业机无线调度硬件系统以大马力精播机为研究对象，以作业机工作状态监测为重点内容，主要包括播种装置种肥监测、动力设备状态监测、播种机播种面积及作业速度监测。

其可在实现本机作业参数监控的同时，利用无线网络技术实时传输作业参数，上位监控机调度决策软件对拖拉机作业进行远程监控与管理调度。

系统结构图如图1所示。

图1调度系统结构图种肥监测传感器组为14路种肥防堵传感器，监测排种与排肥质量；发动机转速传感器监测发动机工作状态；GPS定位传感器、转速传感器监测为计算播种面积及播种量而设置；油耗传感器为油耗管理提供基础；采集控制器采集各类经信号调理的传感器信息，通过即插即拔的SDI接口与核心控制器联机，实现机车作业状态监测、显示的同时，通过无线通信装置，传输给远程控制中心的调度管理系统进行系统管理。

系统为扩展方便，各接口模块均设为即插即用的SDI－12接口类型。

1．1播种装置种肥监测精播机的种肥监测包括播种量与施肥量监测及DOI:10.13427/ki.njyi.2014.12.010导种管、导肥管堵塞状态监测，通过转速传感器测量排种盘和排肥轴转动角度。

间接计算获得排种量与排肥量。

采用Allegro公司的ATS665实现转轴转速测量，它是高精度的齿轮边沿传感器，体积小，可以不受安装空间的限制。

链轮的每个齿通过传感器的表面时，ATS665对应产生1个电脉冲，脉冲数量与转速之间存在线性关系，计量对应脉冲信号的数量，就可以得到轴转动的角度。

对于排种盘吸孔数为32而言，播种量与转轴角度的关系为N=32n/z（1）其中，z为链轮齿数；n为ATS665测得脉冲；N为播种株数。

排肥量与转轴转速之间关系为N1=an1/z1（2）其中，n1为排肥轴链轮转动产生的脉冲数；z1为排肥轴的链轮齿数；N1为施肥量；a为排肥轴转动1周单个排肥管的排肥量。

采用光电阵列方式，对7行种箱14路导管监测，获取种肥堵塞信息。

应用半值角小的光电元件（即EL－1KL5发光二极管和ST－1KL3A光敏三极管）3对并列安装的光电阵列方法，实现堵塞测量，避免光电元件之间的相互干扰和漏检的发生［2］。

光电阵列传感器的控制器与ATS665的控制器均采用表贴的AT89C2051。

ATS665输出的频率信号由4脚（OUT端）进入MCU1的P3．4，采样控制器对频率信号进行处理、计算，获得转轴转速信息与种肥信息。

采样控制器输出设计为SDI－12接口，与主控制器相连。

光电阵列进入MCU2的P1．7、P1．6、P1．5引脚进行采样，判断导种管与肥管的堵塞状态，并将之通过SDI－12接口传送给主控制器。

1．2作业速度与作业面积测量为提高系统测量精度，采用双轮监测法测量作业速度，进而计算机车行走距离；将作业幅宽乘以行进距离，计算作业面积［3］。

采用多传感器融合技术（即作业速度采用光电编码器）与GPS联合测量。

光电编码器测量驱动轮转速与地轮转速。

机车行驶过程中，存在地轮空转、驱动轮与地轮打滑现象。

单一测量地轮与驱动轮不能精确获得机车速度，与GPS定位传感器联合测量，采用多传感器融合方法，可获得精准作业的速度与位置信息。

设置数据融合控制器，光电编码器将地轮/驱动轮角位移转换为电脉冲，进入单片机控制器统计脉冲个数，初步获得机车行驶速度。

GPS信号以定位为主，采样频率为1s，田间机车行驶速度3 11km/h（约0．83 3．05m/s），通过测量地轮/驱动轮转动周数，得到机车速度。

对GPS速度信息与两个光电编码器获得的地轮与驱动轮转速进行数据融合，进而获得机车作业速度。

在没有打滑与空转发生时，联合GPS测量值，获得精准机车速度。

地轮与驱动轮打滑情况下机车作业速度为0；地轮空转情况下，即使作业机前行，但作业为无效作业，短时间空转不做处理，只需存储打滑时间，从而计算作业质量［4－5］。

长时间空转则需报警，在有打滑或空转发生时，判断空转与打滑是机车作业速度精准测量的关键。

2BJM－7型驱动轮与地轮的转速比为周长比，考虑测量误差，约为4：1，小于此值的转速比认为有地轮空转发生；在3s时间内GPS数据无变化，同时ATS665传感器有测量值，则认为地轮或驱动轮在打滑。

3个传感器采用串并联数据融合结构进行表决［6］，传感器输出与一个融合逻辑器相连，该融合逻辑器事先结合了各传感器的先验知识。

表决算法基于布尔代数，GPS传感器信任级别最高，驱动轮转速传感器次之，地轮转速传感器最低，如表1所示。

表1传感器在各信任级别下检测到的目标数及信噪比传感器及信任级别已测目标数条件概率信噪比/DB GPS（A）A110001．010A26000．613A34000．416ＲSD1（B）B110001．014B25000．517B33000．320ＲSD2（C）C110001．011C25000．515系统的检测率为pd=pd｛A1｝pd｛B1｝pd｛C1｝+pd｛A2｝pd｛C2｝+pd｛B2｝pd｛C2｝+pd｛A3｝pd｛B3｝－pd｛A2｝pd｛B2｝pd｛C2｝（3）系统的虚警率为Pfa=Pfa｛A1｝Pfa｛B1｝Pfa｛C1｝+Pfa｛A2｝Pfa｛C2｝·GPfa｛B2｝Pfa｛C2｝G＇Pfa｛B2｝Pfa｛C2｝G＇Pfa｛A3｝·Pfa｛B3｝－Pfa｛A2｝Pfa｛B2｝Pfa｛C2｝（4）其中，p d｛A x｝、p d｛B x｝、p d｛C x｝代表传感器A、B、C的信任级别为x（x=1，2，3）的检测率；对应的Pfa （Ax）、Pfa（Bx）、Pfa（Cx）为虚警率。

经计算，系统的检测率为0．84，虚警率为9．9ˑ10－7，小于10－6，与单个传感器相比，提高了测量的准确度，降低了测量误差。

上述数据融合过程在融合控制器中完成。

1．3射频导纳原理的机车油耗传感器W3000系列射频导纳物位开关是采用先进的射频导纳技术液位测量传感器，它能减小或消除由被测导电介质电极挂料引起的测量误差，从而提高电容式液位计的测量准确度，具有安装方便、免维护及低价位等特点。

射频导纳中导纳的含义为电学中阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分、感性成分综合而成。

被测量的复阻抗X为X=Ｒ+1jωC（5）其中，C为物料和挂料的电容C w、C g的并联值；Ｒ为挂料部分和真实物料部分的电阻串联值。

根据射频导纳原理，挂料部分复阻抗的实部和虚部数值上相等［7］，即Ｒg =1ωC g（6）由于挂料部分的横截面积要远远小于物料部分的横截面积，挂料部分的电阻要远远大于物料部分的电阻，可以忽略物料部分电阻。

因此，由式（5）与式（6）可得Cw =CCg=C1ωＲg（7）因此，只要测得被测液体的复阻抗的实部和虚部，就可以准确得出液位形成的电容，消除挂料电容的影响，进而消除由于挂料电容所造成虚假液位的误差。

所测液位的输出信号是由真实液位和挂料分别引起的信号的叠加：通过测量激励电压信号矢量电压和响应电流信号矢量得到被测液体的复阻抗值；通过相敏检波得到实部和虚部的值，计算真实的液位信号。

射频导纳油耗传感器由开关电子线路和探头两部分组成：电子线路包括高频振荡器、检测电路、输出电路；探头由探测极棒及保护套构成，二者之间以及它们与接地容器之间相互绝缘，由高频振荡器提供稳定的射频电压，传到探测极棒上，当物料触及到探测极棒时，输出不平衡电压，经解调器、放大器处理后，进入采集控制器。

1．4传感器接口系统所有传感器接口均设计为即插即用型的SDI －12接口形式。

SDI－12适用于多传感器的单数据记录，采用串行数据接口，SDI传输速率为1200bps，通信协议采用三线制，包括+12V电源线、数据线和地线。

通过软件设置传感器地址，实现该传感器和主机的通信。

SDI－12的数据结构协议为1位起始位、7位数据位（低位在前）、1位偶校验位、1位停止位［8］。

SDI－12标准的数据采集器的测量过程如下：唤醒传感器→寻址，发送命令→传感器响应→传送数据。

使用SDI－12接口通信协议，使多传感器互联设计变得简单，减少了硬件接口电路的设计。

2无线传输接口农业机械工作在大田环境，作业面积宽广，在耕田内走线易腐蚀及遭到破坏，田间作业机群处于活动状态，通过有线方式将机载信号传送给远程调度管理中心是不可能的。