多傳感器集成的農(nóng)機(jī)智能感知平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)研究

赫 磊 ， 李紀(jì)鑫

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

農(nóng)機(jī)智能感知平臺(tái)的設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)其進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集，分析農(nóng)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，多個(gè)傳感器與硬件設(shè)備構(gòu)建的集成模式，并探究農(nóng)機(jī)設(shè)備的車(chē)況信息、采收環(huán)境以及存儲(chǔ)功能，同時(shí)也要深入探究農(nóng)機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)其實(shí)際功能進(jìn)行深入探索，保證農(nóng)機(jī)智能感知平臺(tái)的精準(zhǔn)度。此外，還需要對(duì)智能感知平臺(tái)進(jìn)行更深一步的研發(fā)，設(shè)立單獨(dú)的智能感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部信息的收集展示，同時(shí)也需要對(duì)傳感器的選擇進(jìn)行深入探索，以此保障農(nóng)機(jī)智能感知平臺(tái)的質(zhì)量。

1 多傳感器數(shù)據(jù)集成與可視化

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，也是對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備、車(chē)況信息、環(huán)境信息以及時(shí)空信息掌握的根本，要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)設(shè)備智能化，就應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與可視化。農(nóng)機(jī)設(shè)備的信息采集表現(xiàn)出多元化特點(diǎn)，信息主要以網(wǎng)絡(luò)等形式進(jìn)行傳送，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，PC端繼承USB口、網(wǎng)口等多個(gè)端口，支持各種形式的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)集成的載體，支持?jǐn)?shù)據(jù)信息的集成與處理。

1.1.1 車(chē)況信息

一般情況下，農(nóng)機(jī)設(shè)備需要在高溫以及灰塵多的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，設(shè)備很容易受到環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)故障，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響農(nóng)機(jī)設(shè)備的實(shí)際工作效率，如果不能夠及時(shí)檢測(cè)出傳感器作業(yè)過(guò)程中的故障，則會(huì)直接影響傳感器的實(shí)際工作效率。通過(guò)對(duì)傳感器信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)掌握農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率[1]。

1.1.2 環(huán)境信息

大部分農(nóng)機(jī)設(shè)備為大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，駕駛員在駕駛過(guò)程中很容易出現(xiàn)視角盲區(qū)，無(wú)法了解實(shí)際儲(chǔ)量情況以及農(nóng)產(chǎn)品采凈情況等環(huán)境信息。網(wǎng)絡(luò)攝像頭是結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所生成的新型攝像機(jī)，除了具備傳統(tǒng)攝像機(jī)的圖像捕捉功能以外，在攝像頭內(nèi)部還安裝了數(shù)字壓縮控制器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作等。網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集數(shù)據(jù)信息，并加密壓縮，可以通過(guò)局域網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)將其送至終端用戶，直接對(duì)其進(jìn)行觀看。網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)客戶端性能并沒(méi)有較高要求，只需在客戶端上安裝瀏覽器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址，即可實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，不僅能夠?qū)崟r(shí)掌握目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)也能夠存儲(chǔ)監(jiān)控圖像，進(jìn)而有效控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭的云臺(tái)或鏡頭，實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)攝像頭在區(qū)域監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控中，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

1.1.3 時(shí)空信息

農(nóng)機(jī)設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中，在信息輔助以及空間信息的價(jià)值下能夠擁有更高的應(yīng)用價(jià)值。空間位置與農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間有著密切關(guān)聯(lián)，通過(guò)二者的結(jié)合，能夠及時(shí)提取出設(shè)備的軌跡，進(jìn)而將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)畝數(shù)高清地推算出來(lái)。將時(shí)間信息與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相融合，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位判斷，同時(shí)也能夠在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)掌握設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而推算出設(shè)備的故障因素。GPS系統(tǒng)在農(nóng)機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用較為常見(jiàn)，通過(guò)GPS系統(tǒng)能夠自動(dòng)獲取其位置信息，然后將其傳送至PC端[2]。常用的GPS模式大多數(shù)為NMES-0183協(xié)議，此協(xié)議是由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)。在協(xié)議的支持下，GPS模塊所輸出的信息由二進(jìn)制字符轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制，隨后通過(guò)對(duì)字符串的檢索，找出GPS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息。

1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)是對(duì)設(shè)備功能分析的基礎(chǔ)，如果農(nóng)機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)只是用來(lái)展示，則會(huì)難以發(fā)揮出數(shù)據(jù)的價(jià)值，而在數(shù)據(jù)的輔助下能夠掌握整體設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，使二者之間能夠擁有更高的關(guān)聯(lián)性。在完成對(duì)車(chē)況、環(huán)境等信息的采集后，可以選擇相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的表結(jié)構(gòu)，有效存儲(chǔ)各項(xiàng)信息，進(jìn)而使得物體傳播與信息價(jià)值得以全面體現(xiàn)，為農(nóng)機(jī)設(shè)備質(zhì)量及車(chē)況等功能完善、自動(dòng)化水平的提高奠定良好基礎(chǔ)。

1.2.1 選擇數(shù)據(jù)庫(kù)

如果農(nóng)機(jī)設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，則會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速整理、檢索與分析，務(wù)必要與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)相結(jié)合。比如Access這一數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)就十分適合農(nóng)機(jī)設(shè)備的使用。此系統(tǒng)由微軟公司發(fā)布，屬于Microsoft Office系統(tǒng)方程式之一，具有用戶操作圖形化的特點(diǎn)，同時(shí)此數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)也能夠支持開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)，利用其強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換能力、對(duì)象連接和嵌入特性，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)表格中填入Excel表格、Word文檔、聲音等數(shù)據(jù)類(lèi)型?？偠灾?，Access能夠作為平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析。

1.2.2 設(shè)計(jì)表結(jié)構(gòu)

農(nóng)機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)信息包括車(chē)況信息、故障信息、位置信息以及時(shí)間信息等，結(jié)合數(shù)據(jù)信息、警報(bào)信息、車(chē)況信息以及故障信息等，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)量的降低，使得數(shù)據(jù)不再?gòu)?fù)雜。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

農(nóng)機(jī)設(shè)備的作業(yè)過(guò)程屬于一項(xiàng)較為持續(xù)的過(guò)程，每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息都進(jìn)行存儲(chǔ)，不僅會(huì)使得數(shù)據(jù)過(guò)于冗余，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以儲(chǔ)存，使得設(shè)備的處理效果難以得到保障，設(shè)備的穩(wěn)定性難以得到保障。農(nóng)機(jī)設(shè)備屬于大型農(nóng)機(jī)，在作業(yè)過(guò)程中很容易導(dǎo)致作業(yè)速度較為緩慢，這時(shí)可以對(duì)其軌跡點(diǎn)進(jìn)行分析，使其符合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而保障數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量[3]。

1.3 數(shù)據(jù)可視化

通過(guò)合理的數(shù)據(jù)可視化解決方法，能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮楸憬莸男畔鬟_(dá)服務(wù)，傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)能夠展現(xiàn)出不同硬件儀器與儀表信息，或者通過(guò)工業(yè)虛擬儀器展示出實(shí)際數(shù)據(jù)，此種圖形化表達(dá)形式能夠?qū)⑿畔?zhǔn)確地傳達(dá)給用戶，并得到了廣泛關(guān)注。但此類(lèi)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，難以實(shí)現(xiàn)視頻信息的多元化集成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與嵌入技術(shù)的完善，PC端數(shù)據(jù)集成功能更加靈活，且數(shù)據(jù)處理能力與人機(jī)交互功能更加全面，使其能夠在模擬傳統(tǒng)儀表的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的多元化展示。

1.3.1 虛擬儀器數(shù)據(jù)

虛擬的儀器、儀表能夠?yàn)檗r(nóng)機(jī)設(shè)備駕駛?cè)藛T提供直觀的數(shù)據(jù)支持，在Windows的顯示下，能夠?qū)⒅羔樀膬x表盤(pán)作為底圖，而后使用透明數(shù)值指針進(jìn)行疊加，建立完整的豎直支撐旋轉(zhuǎn)角度，或抬升其高度[4]。在微軟封裝的圖形設(shè)備接口中，畫(huà)面能夠按照指針圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在虛擬的儀器表中展示出來(lái)。

1.3.2 可視化界面

農(nóng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息顯示界面，完全模擬機(jī)械儀表盤(pán)或顯示屏的顯示方式，以儀表盤(pán)圖像為主，將Panel作為背景頭像，并疊加透明指針，模擬出虛擬的儀表[5]。通過(guò)對(duì)平臺(tái)界面的總體設(shè)計(jì)，方便使用者對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)綜合考慮用戶的負(fù)擔(dān)以及用戶界面的應(yīng)用和服務(wù)行為，將農(nóng)機(jī)設(shè)備的行駛速度放置在界面左上角，并單獨(dú)顯示；而對(duì)于負(fù)載敏感泵以及馬達(dá)等壓力數(shù)據(jù)，則可放置在界面上方，使用統(tǒng)一圓形壓力對(duì)其進(jìn)行排序；液壓油溫度應(yīng)放置在界面的中上方，使用方形溫度虛擬儀進(jìn)行單獨(dú)展示；4路攝像頭應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一放置在界面右下方，并逐一按照數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示。

1.3.3 多線程數(shù)據(jù)更新

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、解析、控制等多個(gè)階段需要互相分離，而攝像頭與GPS的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，PC端難以檢測(cè)出零件設(shè)備的故障，如果采用單一線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則會(huì)導(dǎo)致界面出現(xiàn)卡頓或者信息接收延時(shí)。多線程主要是指在軟件或硬件上通過(guò)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行。PC端如果具備多線程能力，能夠在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多個(gè)處理流程，使得處理效率明顯提升。而在同一進(jìn)程內(nèi)，所有線程能夠?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存，使得線程在通信過(guò)程中不再需要特殊的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制，也不需要對(duì)其建立共享或存儲(chǔ)機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同線程的協(xié)調(diào)操作與數(shù)據(jù)交互，而數(shù)據(jù)資源分配等多項(xiàng)問(wèn)題也更易于被解決[4]。

2 農(nóng)機(jī)智能感知平臺(tái)設(shè)計(jì)主要元件

2.1 控制系統(tǒng)的核心控制器

行駛控制系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制以及較為復(fù)雜的運(yùn)算，因此選擇PIC18F87J10更適合系統(tǒng)的需求，但操作管理系統(tǒng)難以有效控制，其運(yùn)算能力要求不高，因此應(yīng)當(dāng)選擇性能更弱的PIC16F884。行駛控制系統(tǒng)大面積的主要作用是分析處理采集到的信號(hào)，掌握智能農(nóng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送指令，控制其進(jìn)行工作。同時(shí)，控制器能夠識(shí)別各項(xiàng)操作指令，判斷當(dāng)前操作下需要如何進(jìn)行后續(xù)操作，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)屏蔽錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向或控制，以最合理的方式進(jìn)行自動(dòng)駕駛，進(jìn)而使其最快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

2.2 無(wú)線遙控終端模塊選型

為了增強(qiáng)智能農(nóng)機(jī)的無(wú)線遙控功能，使其遙控終端效果得到控制，而工作人員也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制面板的有效控制，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，多功能智能農(nóng)機(jī)的接收裝置在接到命令之后會(huì)對(duì)其命令進(jìn)行還原，然后傳達(dá)給控制器，使得各元件開(kāi)始工作，智能農(nóng)機(jī)能夠按照無(wú)線終端的需求高效地開(kāi)展作業(yè)。

2.2.1 電源

遙控終端是智能農(nóng)機(jī)在輸入控制系統(tǒng)指令時(shí)的主要設(shè)備，工作人員需要通過(guò)使用遙控控制面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能農(nóng)機(jī)的有效控制，在多功能智能系統(tǒng)的應(yīng)用下，使得接收器在接收命令后能夠?qū)⑵鋫鬟_(dá)給控制器，實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)電源模塊，保障元件的正常運(yùn)行。在對(duì)電源進(jìn)行選型時(shí)，要綜合考慮遙控終端每一元件的實(shí)際功率，使得電源容量以及電池的安全性得到保障，而在選擇電池時(shí)也應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇適應(yīng)性更強(qiáng)的鋰離子電池[7]。

2.2.2 緊急停止按鈕

智能農(nóng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)用緊急停止按鈕的主要作用是控制其工作狀態(tài)，如果設(shè)備出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)停止，屬于緊急制動(dòng)裝置[8]。其中，A02ES型緊急停止按鈕應(yīng)用于智能農(nóng)機(jī)設(shè)備之中，能夠有效保障作業(yè)的可靠性。

2.3 測(cè)速傳感器選型

在農(nóng)機(jī)設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，主控器未調(diào)控其電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集與接收和控制終端的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的全面控制。測(cè)速傳感器的主要作用是將信號(hào)作為主要數(shù)據(jù)類(lèi)型，表達(dá)物體的速度，這時(shí)需要確保測(cè)速傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量出其實(shí)際速度，并且抗干擾性強(qiáng)，將其安裝到智能農(nóng)機(jī)設(shè)備的兩側(cè)履帶上，靠近開(kāi)關(guān)且不與機(jī)械接觸。當(dāng)物體接觸到感應(yīng)面時(shí)，不需要在機(jī)械接觸或施加壓力的情況下，使開(kāi)關(guān)動(dòng)作保持穩(wěn)定狀態(tài)，主要設(shè)備選擇海龍翼電器的LN12型電感式傳感器開(kāi)關(guān)[9]。

2.4 轉(zhuǎn)角位置傳感器選型

為了有效減輕對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，提高單片機(jī)的運(yùn)行效率，可以綜合考慮溫度、角度等多項(xiàng)因素，在LCD顯示屏上放置另一塊單片機(jī)。PIC6F884具備人機(jī)界面功能，實(shí)現(xiàn)與操作者之間互換數(shù)據(jù)。角度傳感器是智能農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中轉(zhuǎn)向時(shí)獲取信息的主要部件，轉(zhuǎn)角位置傳感器在農(nóng)機(jī)設(shè)備中具有重要作用，與汽車(chē)中的方向盤(pán)功能相似，既能夠感知駕駛者對(duì)角度的控制，同時(shí)也是重要的信息輸入口[6]。在測(cè)量位移和角度時(shí)，傳統(tǒng)的電位計(jì)式位置傳感器結(jié)果過(guò)于簡(jiǎn)單，價(jià)格較為低廉，很容易受到高溫環(huán)境與振動(dòng)等因素的影響。除此之外，電位計(jì)式位置傳感器及其工作原理較為局限，使得大信號(hào)電流難以處理[10]。非接觸感應(yīng)式傳感器的工作原理更加先進(jìn)，能夠有效克服電位計(jì)式位置傳感器的問(wèn)題，可靠性強(qiáng)。而此類(lèi)傳感器的輸出方式主要為模擬式與數(shù)字式，為了方便實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，一般采用模擬式輸入方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化水平有待提升，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化水平的有效提升，應(yīng)積極研發(fā)多傳感器集成的智能感知平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的全信息監(jiān)控，增強(qiáng)其分析能力。與此同時(shí)，也要借助智能輔助設(shè)備，不斷提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的智能化水平，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。此外，在設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)設(shè)備時(shí)要積極應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，增強(qiáng)智能感知設(shè)備的功能，提高其自動(dòng)化水平。