王濤,溫浩軍,劉洋,王士國(guó),董云成
(1新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,新疆 石河子 832000;2石河子大學(xué),新疆 石河子 832000)
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度逐年提升,農(nóng)機(jī)燃油消耗量不斷增加,目前已成為農(nóng)機(jī)作業(yè)的主要成本之一。國(guó)家出臺(tái)農(nóng)機(jī)燃油補(bǔ)貼政策,以提高農(nóng)民購(gòu)置和使用農(nóng)業(yè)機(jī)械的積極性。對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的燃油消耗量實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)量,是提高農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)水平,保證作業(yè)油耗有效監(jiān)管,落實(shí)農(nóng)機(jī)燃油補(bǔ)貼政策的關(guān)鍵。
莊衛(wèi)東等[1]使用GIS和GPS技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)記錄,能對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)進(jìn)行調(diào)度導(dǎo)航和信息化管理,提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量;彭波等[2]采用GPS、GSM技術(shù)以短信息的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)農(nóng)機(jī)合理調(diào)度;關(guān)學(xué)忠等[3]設(shè)計(jì)基于STC單片機(jī)的鉆井燃油流量和燃油罐液位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);王慧平等[4]實(shí)現(xiàn)基于ArcGIS Server的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)。這些研究雖然在農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程起到重要的指導(dǎo)作用,但在大型農(nóng)場(chǎng)及農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社中,農(nóng)機(jī)的作業(yè)方式主要是農(nóng)機(jī)集群作業(yè)和跨區(qū)作業(yè),農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量多、作業(yè)分散,在柴油的使用上無(wú)法全面有效進(jìn)行監(jiān)管,限制了農(nóng)機(jī)高效監(jiān)控調(diào)度的能力。
本文針對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中燃油量難以實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)農(nóng)機(jī)燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng),采用GNSS、4G、超聲波探頭等技術(shù)設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)測(cè)終端,并應(yīng)用三位重構(gòu)技術(shù)建模不規(guī)則燃油箱,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)加油時(shí)間、加油地點(diǎn)、加油量、剩余油量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的燃油消耗量,實(shí)現(xiàn)油耗遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè),對(duì)提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化水平,提升農(nóng)業(yè)機(jī)械集群作業(yè)的管理水平都具有重要意義。
農(nóng)機(jī)燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由監(jiān)測(cè)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)機(jī)監(jiān)控中心3部分組成。監(jiān)測(cè)終端主要功能是:利用GPS定位模塊,實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取農(nóng)機(jī)位置、速度、時(shí)間、航向等農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù),并通過(guò)油位監(jiān)測(cè)模塊完成油量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量和顯示;監(jiān)測(cè)終端將農(nóng)機(jī)位置和油量信息按自定義協(xié)議打包以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò),再通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心;監(jiān)控中心包括服務(wù)器和客戶端,用于農(nóng)機(jī)油位數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。用戶通過(guò)登錄系統(tǒng)網(wǎng)址就可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、油量信息管理及統(tǒng)計(jì)分析。
圖1 監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of the supervisory system
依據(jù)油位測(cè)量傳感器的特性及農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求,農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Hardware structure diagram of monitoring terminal
油位監(jiān)測(cè)模塊采用超聲波測(cè)量油位的方式,并通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)油箱的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度,為超聲波油位傳感器提供傳播介質(zhì)環(huán)境溫度補(bǔ)償校正;GPS定位模塊實(shí)時(shí)獲取作業(yè)過(guò)程中農(nóng)機(jī)的作業(yè)位置、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)速度等信息,為農(nóng)機(jī)加油點(diǎn)和異常油量變化提供位置定位;GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,將經(jīng)監(jiān)測(cè)終端微處理器處理后的燃油油量、GPS定位數(shù)據(jù),利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)管中心的通信服務(wù)器端;蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)終端出現(xiàn)GPS無(wú)定位、GPRS無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)和傳感器無(wú)法正常工作等故障時(shí),蜂鳴器發(fā)出報(bào)警;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在GPRS無(wú)信號(hào)的情況下,為避免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟失,將當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),在GPRS信號(hào)正常的情況下,將保存數(shù)據(jù)正常傳輸至服務(wù)器;顯示模塊顯示經(jīng)處理后的燃油量數(shù)據(jù)。
監(jiān)測(cè)終端以STM32F407VGT6單片機(jī)為主控制器,包含輸入輸出(I/O)擴(kuò)展及硬件時(shí)鐘電路。STM32F407VGT6單片 機(jī) 采用ARM Cortex-M4為 內(nèi)核的微處理器,Cortex-M4處理器采用擴(kuò)展的單周期乘法累加(MAC)指令、優(yōu)化的SIMD運(yùn)算、飽和運(yùn)算指令和一個(gè)可選的單精度浮點(diǎn)單元(FPU),主頻為168MHz,提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率,完全可以滿足拖拉機(jī)燃油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要。主控制器最小系統(tǒng)如下圖3所示。
圖3 主控模塊最小系統(tǒng)原理圖Figure 3 Schematic diagram of the minimum system of the main control module
油位監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。采用超聲波油位監(jiān)測(cè)傳感器,對(duì)油箱的油位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè);利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)油箱實(shí)時(shí)環(huán)境溫度,旨在為超聲波在介質(zhì)中傳播提供環(huán)境溫度補(bǔ)償校正。
圖4 油位監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 4 Oil level monitoring module system structure block diagram
超聲波油位傳感器利用“脈沖-回波測(cè)距”原理測(cè)量油位高度。由超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波,聲波遇到障礙物后反射,由超聲波接收器接收回波。測(cè)出從超聲波發(fā)出脈沖串至接收到回波信號(hào)的傳輸時(shí)間,由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的,所以根據(jù)時(shí)間和聲速,就可算出測(cè)量距離。因此,當(dāng)置于容器底部的換能器向油面發(fā)射短促的聲脈沖時(shí),經(jīng)過(guò)t時(shí)間,換能器便可接收到從油面反射回來(lái)的回波聲脈沖,設(shè)換能器發(fā)射面到液面的距離為h,聲波燃油中的傳播速度為v,則存在如下關(guān)系:
而實(shí)際測(cè)得距離:
式中,Tt=nus,為機(jī)器周期;t為定時(shí)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。
從公式看影響測(cè)距的兩個(gè)主要因素為超聲波的速度和計(jì)數(shù)值。超聲波的聲速隨溫度變化而變化,由此產(chǎn)生的誤差較大,必須進(jìn)行修正。目前對(duì)溫度的修正主要依靠修正系數(shù)來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,溫度為t時(shí),被測(cè)媒質(zhì)的聲速溫度關(guān)系系數(shù)為:
式中,v0為0℃時(shí)的聲速值;b為被測(cè)媒質(zhì)的聲速溫度系數(shù)。
超聲波換能器激發(fā)的超聲波信號(hào),經(jīng)過(guò)油面的反射后,經(jīng)過(guò)超聲波換能器的接收,重新轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由于傳輸過(guò)程的能量損耗,接收信號(hào)一般為毫伏級(jí)的弱電信號(hào),同時(shí),信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到噪聲影響,接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生雜波,需要經(jīng)過(guò)放大和濾波才能獲得比較理想的波形。設(shè)計(jì)中采用無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)思路,R34和C34構(gòu)成的一階無(wú)源低通濾波器,C32和R39構(gòu)成的一階高通濾波器串聯(lián),構(gòu)成帶通濾波器,滿足條件為低通濾波器的截止頻率高于高通濾波器的截止頻率。
針對(duì)超聲波油位監(jiān)測(cè)模塊,要求得到精確的超聲波測(cè)量時(shí)間差,選擇一款用于熱量表設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22,來(lái)完成油位監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。TDC-GP22內(nèi)部集成了高速脈沖發(fā)生器、溫度測(cè)量功能及STOP屏蔽窗口功能等。TDC-GP2分辨率可達(dá)50ps,具有兩個(gè)測(cè)量范圍分別為:0~1.8us,500ns~4ms。油位監(jiān)測(cè)信號(hào)處電路如圖5所示。
圖5 油位監(jiān)測(cè)信號(hào)處理電路Figure 5 Oil level monitoring signal processing circuit
農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)測(cè)終端的軟件程序采用C語(yǔ)言編寫,易于移植,可讀性強(qiáng)。系統(tǒng)程序部分包括主程序、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、濾波程序、油位監(jiān)測(cè)程序、燃油量體積計(jì)算程序、串口通信程序。主程序的流程如圖6所示,終端上電后完成系統(tǒng)自檢和初始化,初始化需完成以下工作:首先檢測(cè)油位傳感器脈沖信號(hào),計(jì)算脈沖信號(hào)時(shí)間間隔獲得燃油箱油位數(shù)據(jù),利用所得燃油箱函數(shù)模型,對(duì)油位數(shù)據(jù)進(jìn)行體積轉(zhuǎn)換計(jì)算并存儲(chǔ)。然后,接受GPS的有效定位信息,解析出農(nóng)機(jī)位置、速度、時(shí)間、航向等農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù);終端控制單元利用無(wú)線通信模塊定時(shí)將各項(xiàng)有效數(shù)據(jù)打包發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò),完成燃油數(shù)據(jù)處理發(fā)送工作。
圖6 監(jiān)控終端主程序流程圖Figure 6 Flow chart of the main program of the monitoring terminal
農(nóng)機(jī)燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管中心主要用于管理農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油監(jiān)測(cè)狀況,具有數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和處理等功能。根據(jù)燃油監(jiān)測(cè)終端傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù),能實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)機(jī)械的加油時(shí)間、加油地點(diǎn)、加油量、剩余油量、異常油耗行為的遠(yuǎn)程監(jiān)管,同時(shí)可跟蹤農(nóng)機(jī)位置變化并實(shí)現(xiàn)軌跡回放等功能。監(jiān)管中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示,由數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用支撐層和數(shù)據(jù)層組成,通過(guò)多層體系架構(gòu)保證系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和可伸縮性。用戶的各種應(yīng)用請(qǐng)求,通過(guò)門戶網(wǎng)站發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)層,通過(guò)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)接口,完成一般性服務(wù)的處理功能。如果客戶端請(qǐng)求后臺(tái)支撐服務(wù)的支持,應(yīng)用服務(wù)層將調(diào)用服務(wù)支撐層和數(shù)據(jù)層的接口。
圖7 農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Structure diagram of agricultural fuel supervision and service system
農(nóng)機(jī)燃油監(jiān)管功能設(shè)計(jì)如下:
(1)數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)
數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)主要包括協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。協(xié)議解析負(fù)責(zé)對(duì)車載終端上傳的農(nóng)機(jī)燃油信息、GPS信息、作業(yè)信息等數(shù)據(jù)的解析;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)把解析得到的數(shù)據(jù)整理、保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
(2)應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)
應(yīng)用服務(wù)器主要包括農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)、農(nóng)機(jī)歷史軌跡數(shù)據(jù)分發(fā)、農(nóng)機(jī)作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分發(fā)等服務(wù)模塊。
(3)客戶端系統(tǒng)
客戶端系統(tǒng)包括農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控、農(nóng)機(jī)作業(yè)跟蹤,農(nóng)機(jī)作業(yè)歷史軌跡回放、作業(yè)燃油統(tǒng)計(jì)(當(dāng)日、起始日期、春季、秋季和當(dāng)年累計(jì)),權(quán)限管理,用戶登錄,用戶管理,行政區(qū)劃管理,農(nóng)機(jī)管理等。
為驗(yàn)證系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,2015年秋季農(nóng)機(jī)收獲作業(yè)期間,在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心小湯山實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,連續(xù)監(jiān)測(cè)田間農(nóng)機(jī)作業(yè)燃油數(shù)據(jù)。系統(tǒng)登陸界面如圖8所示,如圖9所示為系統(tǒng)中查詢指定農(nóng)機(jī)燃油消耗統(tǒng)計(jì)折線圖,。測(cè)試結(jié)果表明,監(jiān)管終端能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)燃油量的有效監(jiān)測(cè),遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠,界面友好,管理便捷。
圖8 農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程燃油監(jiān)管用戶端Figure 8 Remote fuel supervision of agricultural machinery user side
圖9 農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程油耗監(jiān)控曲線Figure 9 Remote fuel consumption monitoring curve of agricultural machinery
以信息感知技術(shù)為基礎(chǔ)的“精準(zhǔn)”農(nóng)業(yè)是一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢(shì)和管理模式,是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流。本文采用GPS、GPRS、超聲波傳感器和三維重構(gòu)等技術(shù)設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程燃油監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ARM單片機(jī)作為主控單元核心處理器,應(yīng)用超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油信息,采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)獲取作業(yè)農(nóng)機(jī)的位置信息,通過(guò)GPRS模塊,實(shí)現(xiàn)作業(yè)農(nóng)機(jī)燃油數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸;遠(yuǎn)程監(jiān)管中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、處理等功能。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中燃油消耗量的精確測(cè)量,實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)燃油量遠(yuǎn)程監(jiān)管,不僅可為目前農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)的燃油監(jiān)管提供一種可行可靠的應(yīng)用模式,還可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的其他監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供借鑒。