基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷方法

盧科 李禧堯 任輝 劉鑫 張彪

摘要：由于我國聯(lián)合收割機(jī)信息化水平普遍較低，且普遍存在故障率高、平均無故障時間短、作業(yè)過程中損失率偏高等問題，因此設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過結(jié)合傳感器技術(shù)、視頻技術(shù)、通信技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將聯(lián)合收割機(jī)的故障監(jiān)測預(yù)警與故障分析結(jié)合，有效的對聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行檢測，從而解決技術(shù)人員由于空間距離帶來的時間消耗以及現(xiàn)場作業(yè)人員技術(shù)水平不足的問題，可以有效解放勞動生產(chǎn)力;基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷技術(shù)具有重要的社會經(jīng)濟(jì)價值。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng);故障診斷;數(shù)據(jù)庫

隨著科技的發(fā)展及農(nóng)機(jī)裝備的現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，聯(lián)合收割機(jī)已經(jīng)逐步向自動化、信息化、智能化發(fā)展。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)管理上，傳統(tǒng)的方式是通過走訪記錄農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)作情況，但由于我國農(nóng)業(yè)機(jī)械分布范圍廣泛，傳統(tǒng)的方式獲取到的信息滯后且不夠全面，對于季節(jié)性強(qiáng)的農(nóng)業(yè)作業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械長時間工作的高可靠性就是作業(yè)按時完成的保證。管理人員可以通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺獲取更加全面的數(shù)據(jù)[1]，針對不同的情況采取不同的作業(yè)策略，得到最佳的作業(yè)路線。同時通過車載端的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，預(yù)防故障的發(fā)生從而減少對作業(yè)的影響。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷上[2]，傳統(tǒng)的方式主要是根據(jù)經(jīng)驗判斷或者故障出現(xiàn)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常工作時才進(jìn)行故障的處理，故障處理的不及時將嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用性能。將故障診斷技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，一定程度上改善了傳統(tǒng)的方式無法實(shí)時、準(zhǔn)確定位故障的情況[3]。但是農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境的惡劣以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期的特殊性，故障的診斷與預(yù)測的效果并不理想，因此針對農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷的研究是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要方向。

1.聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測平臺設(shè)計

1.1遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺架構(gòu)設(shè)計

為滿足聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺[4]的功能需求，結(jié)合B/S架構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用，設(shè)計了主要包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和web服務(wù)器等三個部分組成的遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺。通信服務(wù)器部署在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，負(fù)責(zé)與車載采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，并完成數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的存儲;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來保存運(yùn)行數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、用戶信息、設(shè)備信息等。Web服務(wù)器用來響應(yīng)管理人員和車主的請求，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的診斷與預(yù)警，也能通過該平臺了解聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行狀況，對跨區(qū)作業(yè)的聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)配。

1.2物聯(lián)網(wǎng)平臺組織架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺是基于相關(guān)管理平臺上的資源模型所搭建的多數(shù)據(jù)輸入平臺。在每個用戶下，對終端傳感器上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)的管理都是以設(shè)備的形式進(jìn)行的，每個用戶可以創(chuàng)建多個設(shè)備，每個設(shè)備下也能添加多個傳感器，設(shè)備表示一組傳感器的集合，來自終端的數(shù)據(jù)點(diǎn)則上傳至對應(yīng)的傳感器下，通過終端設(shè)備中編寫物聯(lián)網(wǎng)平臺接入程序，完成數(shù)據(jù)采集、協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)點(diǎn)上傳等工作，數(shù)據(jù)成功上傳至平臺后，物聯(lián)網(wǎng)平臺會在相應(yīng)的傳感器下生成隨時間推移的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以更直觀的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化情況，用戶可以對其管理范圍內(nèi)的產(chǎn)品、設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)點(diǎn)等資源進(jìn)行管理，包括創(chuàng)建、編輯、羅列、查看、刪除等操作。

2.聯(lián)合收割機(jī)故障故障診斷系統(tǒng)

2.1故障診斷數(shù)據(jù)庫建立

建立故障征兆數(shù)據(jù)庫和故障查詢數(shù)據(jù)庫并設(shè)計故障查詢系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)視中心的工作人員可以結(jié)合傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]和視頻圖像信息來判斷故障的原因并利用故障查詢系統(tǒng)迅速找到解決故障的方法。在尋找故障解決辦法的時候，根據(jù)情況的不同可以有兩種查找方式選擇：目錄查找和模糊查找。目錄查找適用于對故障的發(fā)生原因比較清楚的情況下;模糊查找適用于對于故障發(fā)生的原因不太確定的情況下，根據(jù)查找結(jié)果進(jìn)行排除或逐一判斷。以此作為遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺的故障診斷方法[6]，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)具有較高的實(shí)用意義，降低了對故障診斷工作的難度，提高了故障診斷效率，有利于聯(lián)合收割機(jī)正常的生產(chǎn)作業(yè)。

2.2數(shù)據(jù)采集傳感器設(shè)計

數(shù)據(jù)采集傳感器采集滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、割臺攪龍轉(zhuǎn)速都是采集其相關(guān)轉(zhuǎn)速，其中前進(jìn)速度通過測量聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)轉(zhuǎn)動內(nèi)輪獲得。轉(zhuǎn)速的測量有多種方法：霍爾、光電、多普勒效應(yīng)等。由于收割機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)以及作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，本系統(tǒng)選用抗干擾性能好的霍爾傳感器來測量轉(zhuǎn)速，其使用方便、輸出信號穩(wěn)定并且實(shí)惠。其工作的原理是傳感器檢測到磁場信號時會輸出一個電壓脈沖，電壓脈沖經(jīng)過整形電路后輸出可識別的電平信號。傳感器的工作電壓為12V，檢測到磁場信號后的輸出脈沖電壓通過光電隔離器件將信號的幅值整定至3.3V電平并由施密特觸發(fā)器74HC14對信號進(jìn)行整形。

2.3遠(yuǎn)程監(jiān)視端設(shè)計

對于遠(yuǎn)程監(jiān)視端[7]，既要接收工作參數(shù)信息，也要接收視頻圖像信息，從機(jī)載端發(fā)來的信息經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)后被遠(yuǎn)程監(jiān)視中心的計算機(jī)接收[8]。根據(jù)系統(tǒng)功能需要，采用模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)程序功能將應(yīng)用程序分為機(jī)載視頻監(jiān)視程序、嵌入式視頻服務(wù)器程序、接入物聯(lián)網(wǎng)平臺所需的圖像、定位信息處理程序及信息交互工具等三個部分，分模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，有利于降低耦合，便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展及后期調(diào)試和維護(hù)。在遠(yuǎn)程監(jiān)視端建立故障征兆數(shù)據(jù)庫和故障查詢數(shù)據(jù)庫，故障征兆數(shù)據(jù)庫中存儲故障發(fā)生時各個被監(jiān)測部件的工作參數(shù)，故障查詢數(shù)據(jù)庫存儲各種故障以及故障發(fā)生的原因和解決方法，并設(shè)計軟件實(shí)現(xiàn)故障的快速查詢。

3.聯(lián)合收割機(jī)故障診斷性能測試

本文中設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)安裝在聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行性能測試。當(dāng)設(shè)備處于在線狀態(tài)時，遠(yuǎn)程監(jiān)視端可進(jìn)行視頻請求，視頻流從機(jī)載端由媒體服務(wù)器傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)視端，并在遠(yuǎn)程監(jiān)視端播放，可在遠(yuǎn)程端看到的割臺、駕駛室和脫粒滾筒的圖像。測試結(jié)果表明，隨著分辨率和幀率的提高，CPU和內(nèi)存資源占用率增加。因為采集的圖像分辨率與幀率越高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越大，圖像數(shù)據(jù)處理需要占用更多的CPU和內(nèi)存資源。本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)視屏幕在田間測試時仍能得到實(shí)時性良好、清晰流暢的視頻圖像，滿足聯(lián)合收割機(jī)正常工作需求。當(dāng)故障發(fā)生時，故障數(shù)據(jù)庫[9]和遠(yuǎn)程視頻能夠幫忙快速地判斷故障并找出解決方案，指引現(xiàn)場工作人員及時排查聯(lián)合收割機(jī)故障狀態(tài)，盡快使聯(lián)合收割機(jī)恢復(fù)正常工作。

4.結(jié)果與討論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)跨越空間限制的遠(yuǎn)程監(jiān)測，也為聯(lián)合收割機(jī)跨區(qū)作業(yè)提供了更為方便的平臺。通過分析歷史數(shù)據(jù)得到聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，并與采集到的數(shù)據(jù)相融合，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。此遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中具有較好的表現(xiàn)，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供了優(yōu)越的條件，具有良好的市場推廣前景。

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