基于觸摸屏的玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

劉立強(qiáng)+項(xiàng)建廷+吳澤全

摘要：基于4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)，設(shè)計(jì)收獲機(jī)工作狀態(tài)信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)籽粒流量、含水率、割臺(tái)高度、行走速度、升運(yùn)器轉(zhuǎn)速、脫粒攪龍轉(zhuǎn)速、糧倉(cāng)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等主要工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)工作部件異常進(jìn)行聲光報(bào)警。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；玉米籽粒；智能監(jiān)測(cè)；觸摸屏

中圖分類號(hào)：S225.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）10-0015-03

隨著國(guó)家對(duì)種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)的玉米種植面積不斷增加，導(dǎo)致玉米收獲機(jī)械的需求逐年增大，但我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距，缺少智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障早期預(yù)警手段的問(wèn)題日益突出。本課題研究設(shè)計(jì)一種玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)籽粒流量、含水率、割臺(tái)高度、行走速度、升運(yùn)器轉(zhuǎn)速、脫粒攪龍轉(zhuǎn)速、糧倉(cāng)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等主要工作部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研究出不同型式的聯(lián)合收獲機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大部分收獲機(jī)已采用智能調(diào)節(jié)（脫粒滾筒恒速控制系統(tǒng)、機(jī)具作業(yè)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)）、操控系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、操作輔助系統(tǒng)）與產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均為電子式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由中央處理器、部件工況傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換線路、報(bào)警控制和信號(hào)顯示輸出等裝置構(gòu)成，通過(guò)工況傳感器對(duì)各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)和工作部件運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸入中央處理器，經(jīng)分析判別后由顯示裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)機(jī)具作業(yè)發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)聲光進(jìn)行報(bào)警提示。國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的有：美國(guó)凱斯公司的AFS（Advanced Farming System）系統(tǒng)，其包含多種傳感器、差分全球定位系統(tǒng)DGPS、田間信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能統(tǒng)計(jì)生成產(chǎn)量分布圖，準(zhǔn)確可靠地獲取作物瞬時(shí)流量、含水率、收獲機(jī)行進(jìn)速度、割臺(tái)高度及脫粒后的作物傳送速度等工作參數(shù)；約翰迪爾公司的Green Star 3（綠星第三代）Command Center系統(tǒng)配備觸摸控制系統(tǒng)，控制中心操控臺(tái)、觸控扶手和數(shù)字顯示器（如圖1所示），使得操控更加智能，操作員可及時(shí)診斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而快速地解決問(wèn)題。

目前，我國(guó)新型玉米聯(lián)合收獲機(jī)正向大型高效、多功能與智能化發(fā)展，故障診斷、產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、定位導(dǎo)航等作業(yè)智能控制技術(shù)在聯(lián)合收獲機(jī)上已有應(yīng)用。通過(guò)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件技術(shù)及工況監(jiān)測(cè)等技術(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、作業(yè)性能調(diào)控、故障自動(dòng)檢測(cè)與預(yù)警、在線測(cè)產(chǎn)等智能控制技術(shù)，有力地促進(jìn)了我國(guó)聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品技術(shù)提升。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于雙板差分沖量式谷物流量傳感器的聯(lián)合收獲機(jī)智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)。八一農(nóng)墾大學(xué)針對(duì)國(guó)內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸低速報(bào)警監(jiān)視裝置存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型軸低速報(bào)警監(jiān)視裝置。浙江大學(xué)通過(guò)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聯(lián)合收割機(jī)主要工作部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)κ崭顧C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件及電氣系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行指示。此外，上海交通大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)及中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等高校院所都有相關(guān)的研究。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由車載智能監(jiān)測(cè)終端、溫度與轉(zhuǎn)速傳感器、產(chǎn)量傳感器、水分傳感器、夜視攝像頭、GPS定位系統(tǒng)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 主要工作部件監(jiān)測(cè)

要獲得聯(lián)合收獲機(jī)工作狀態(tài)及玉米產(chǎn)量，必須測(cè)定工作部件工況、作業(yè)環(huán)境、玉米產(chǎn)量和測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)位置等信息。系統(tǒng)選用的玉米籽粒流量傳感器、含水率傳感器、割臺(tái)高度傳感器、行走速度傳感器、升運(yùn)器與脫粒攪龍轉(zhuǎn)速傳感器、作業(yè)環(huán)境信息（糧倉(cāng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等視頻）、GPS接收機(jī)與車載監(jiān)測(cè)終端之間的數(shù)據(jù)傳送流向見(jiàn)圖3。

多路傳感器信號(hào)通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸至車載智能終端，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多路傳感器信息進(jìn)行分析與處理后，實(shí)時(shí)顯示各工作部件工況參數(shù)和故障信息。此外車載智能終端還能夠根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的玉米質(zhì)量流、含水率及GPS定位等信息，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)運(yùn)行軌跡圖及產(chǎn)量分步圖的繪制。

2.2 產(chǎn)量監(jiān)測(cè)

作物流量傳感器是產(chǎn)量監(jiān)測(cè)中最主要的傳感器，它可以自動(dòng)計(jì)量累計(jì)產(chǎn)量，通過(guò)換算生成對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)作業(yè)面積的單位面積產(chǎn)量。由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)上，通過(guò)選型最終采用AG Leader公司的沖量式流量傳感器、含水率傳感器（CAN總線傳輸），如圖4所示。該傳感器具有容易校準(zhǔn)、準(zhǔn)確性好、精度高、安裝方便等特點(diǎn)，且使用傳感器時(shí)不影響聯(lián)合收獲機(jī)正常工作。

實(shí)際測(cè)產(chǎn)時(shí)，利用AG Leader公司的PF（Precision Farming）產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，沖量式流量傳感器獲取玉米籽粒產(chǎn)量信息，GPS接收機(jī)測(cè)得對(duì)應(yīng)產(chǎn)量值的空間位置坐標(biāo)，利用產(chǎn)量圖生成軟件SMS 3.0繪制相應(yīng)玉米產(chǎn)量分布圖。

2.3 視頻監(jiān)測(cè)

新型玉米聯(lián)合收獲機(jī)配置了全密閉的駕駛室，操作員需要停車判斷駕駛室外的工作環(huán)境（如收獲機(jī)周邊環(huán)境、人員狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域狀態(tài)、糧倉(cāng)狀態(tài)、秸稈粉碎拋灑狀態(tài)等），通過(guò)增加視頻監(jiān)測(cè)畫(huà)面，可有效地增加操作員對(duì)收獲機(jī)周邊狀態(tài)的掌控，避免人為疏忽事故的發(fā)生。

2.4 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要由CAN總線數(shù)據(jù)通信、工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、視頻采集處理、觸摸屏顯示控制和GPS定位信息管理等模塊組成，因C語(yǔ)言編寫(xiě)的軟件可采用模塊化設(shè)計(jì)，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植性好，所以本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主界面如圖5所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

系統(tǒng)模擬調(diào)試在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成：通過(guò)模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)、溫度信號(hào)等工況信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能迅速響應(yīng)并顯示新的數(shù)值；通過(guò)拋灑實(shí)驗(yàn)裝置模擬玉米籽粒拋灑沖擊流量傳感器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能迅速響應(yīng)并顯示質(zhì)量數(shù)值。系統(tǒng)模擬調(diào)試完成后，將該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于4YZ-8型玉米籽粒聯(lián)合收獲機(jī)，于2016年11月10—14日，在蘭西縣實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行玉米籽粒收獲機(jī)田間收割試驗(yàn)，對(duì)玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明：聯(lián)合收獲機(jī)工況在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，所設(shè)計(jì)的行走速度、升運(yùn)器轉(zhuǎn)速、脫粒攪龍轉(zhuǎn)速等檢測(cè)裝置工作性能良好，滿足了田間作業(yè)工況監(jiān)測(cè)的功能需求和精度要求。操作人員通過(guò)監(jiān)測(cè)終端可以實(shí)時(shí)地掌握整機(jī)作業(yè)工況、各關(guān)鍵部件的工作負(fù)荷和故障狀態(tài)，并及時(shí)做出調(diào)整處理，減少了田間收獲故障的發(fā)生率，提高了作業(yè)效率。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)低溫冷車狀態(tài)下對(duì)運(yùn)行影響較大，出現(xiàn)無(wú)法啟動(dòng)的情況，熱車后情況有所好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種玉米收獲機(jī)作業(yè)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽粒流量（含水率）、割臺(tái)高度、行走速度、升運(yùn)器轉(zhuǎn)速、脫粒攪龍轉(zhuǎn)速、糧倉(cāng)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等主要工作狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)。

2） 設(shè)計(jì)工況及故障預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集、顯示及保存玉米聯(lián)合收獲機(jī)械的定位狀態(tài)和作業(yè)參數(shù)，并在故障工況下進(jìn)行報(bào)警提示。

3） 基于觸摸屏的玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

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