遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究

高 潔

（1.中機(jī)科（北京）車輛檢測(cè)工程研究院有限公司，北京 102100；2.國(guó)家工程機(jī)械質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，北京 102100）

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，農(nóng)業(yè)安全問題已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題，農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備以計(jì)劃維修或定期保養(yǎng)為主，在日常應(yīng)用的過程中因缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)系統(tǒng)的使用壽命造成了較大的消極影響，致使故障頻發(fā)，在一定程度上拉低了農(nóng)業(yè)資源的效率和質(zhì)量。目前，大多數(shù)情況下使用的系統(tǒng)缺乏靈活性、智能化和集成技術(shù)應(yīng)用，很難滿足農(nóng)業(yè)的日常需求。技術(shù)創(chuàng)新勢(shì)在必行，科技的進(jìn)步促進(jìn)人們對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的合理開發(fā)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性，需要依據(jù)實(shí)際的農(nóng)業(yè)條件，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，重新進(jìn)行控制系統(tǒng)的創(chuàng)建。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的必要性

1.1 保證生產(chǎn)設(shè)備順利運(yùn)行

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的必要性，首先體現(xiàn)在其能夠保證生產(chǎn)設(shè)備順利運(yùn)行。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備智能化領(lǐng)域的深度發(fā)展，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)能夠支撐無(wú)人化或者半無(wú)人化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在這樣的現(xiàn)實(shí)條件下，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備在運(yùn)行時(shí)很可能是無(wú)人監(jiān)管的，無(wú)人管控的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中一旦出現(xiàn)問題，既有的監(jiān)控條件和監(jiān)控手段無(wú)法實(shí)時(shí)記錄并及時(shí)反饋與診斷機(jī)械存在的問題。但是如果開展農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控工作，針對(duì)機(jī)械本身在運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中可能存在的問題進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，能夠最大限度地避免由于機(jī)械故障所導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯問題，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減少不必要的損失，保證生產(chǎn)設(shè)備能夠順利地運(yùn)行[1]。

1.2 適應(yīng)機(jī)械化發(fā)展的潮流

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的第二個(gè)必要性體現(xiàn)在其能夠適應(yīng)機(jī)械化發(fā)展的潮流。無(wú)人化運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械是行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是隨著新時(shí)期的到來(lái)，用工成本提升，技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，兩者相互融合，越來(lái)越多的無(wú)人化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和半無(wú)人化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)被發(fā)明、被使用[2]。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的智能化程度不斷提升，其可能存在的問題以及解決的方案已經(jīng)有據(jù)可查，規(guī)范化發(fā)展的結(jié)果可以保證一旦機(jī)械出現(xiàn)問題，受過專業(yè)訓(xùn)練的工程師能夠通過遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員開展更加簡(jiǎn)單、便捷、高效的維修工作，同時(shí)也意味著很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以取消原有的高級(jí)技工的職位，去聘請(qǐng)低端但具有強(qiáng)動(dòng)手能力的工人來(lái)完成遠(yuǎn)程操控的機(jī)械維修工作。在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)是符合時(shí)代潮流的，這一模式也能夠幫助企業(yè)以更加集約化的方式發(fā)展壯大[3]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 保障設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備當(dāng)中運(yùn)用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，對(duì)機(jī)械設(shè)備在具體運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中存在的故障進(jìn)行遠(yuǎn)程分析診斷、排查和排除是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)前沿性趨勢(shì)，其也得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程實(shí)際上是在適應(yīng)大機(jī)器時(shí)代的實(shí)際生產(chǎn)需要，這意味著農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程需要各部門協(xié)同配合，一旦機(jī)器停擺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也將停擺，由此所造成的損失是不可估量的[4]。

2.2 提升設(shè)備利用率

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，設(shè)備的利用效率與設(shè)備本身的客觀情況有關(guān)，同時(shí)也與農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備本身的應(yīng)用時(shí)間和其健康運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間密切相連。因此，加強(qiáng)使用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)，能夠最大限度地提升機(jī)械本身的利用效率，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障、排查故障原因、解決故障問題，由此提升設(shè)備的利用率，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)營(yíng)效率和效益的提升作出有益的貢獻(xiàn)。此外，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備需要花費(fèi)大量的金錢投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，并且圍繞著農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備本身的運(yùn)轉(zhuǎn)，企業(yè)也需要花費(fèi)大量的精力、時(shí)間和金錢來(lái)為其建設(shè)配套設(shè)備并培訓(xùn)專業(yè)技術(shù)的員工，一旦機(jī)器停擺，短期內(nèi)會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成短暫的利益損失，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看也會(huì)阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。隨著新技術(shù)的發(fā)展和大機(jī)械農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)代的到來(lái)，提升設(shè)備的使用率意味著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力，無(wú)論是從當(dāng)下還是長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看都是十分有必要的。

3 新時(shí)期農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備存在的問題

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備管理不完善

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的管理與維修是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其施工質(zhì)量直接影響企業(yè)生產(chǎn)效率。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中要注重對(duì)相關(guān)技術(shù)和工藝進(jìn)行創(chuàng)新。首先，要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、管理人員以及施工人員的安全教育培訓(xùn)工作；其次，建立健全規(guī)章制度并落實(shí)到行動(dòng)上，以保證施工進(jìn)度能夠順利完成；最后，需要制定科學(xué)合理的機(jī)械設(shè)備維修維護(hù)方案來(lái)確保工程質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)，這也是農(nóng)業(yè)企業(yè)必須重視的問題。

3.2 設(shè)備管理與維修技術(shù)有待提高

農(nóng)業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，對(duì)機(jī)械設(shè)備有很高的要求，在日常工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的維修與保養(yǎng)。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡及國(guó)家政策、法規(guī)等方面的限制，導(dǎo)致了許多農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備沒有達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求而被淘汰；同時(shí)還存在很多單位為了節(jié)約成本或出于自身利益考慮盲目引進(jìn)新設(shè)備但并無(wú)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可循、學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)但缺乏創(chuàng)新等問題亟待解決，這些情況不僅影響了企業(yè)生產(chǎn)效率，而且對(duì)行業(yè)形象造成了一定的負(fù)面影響[6]。因此，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理與維修，提高機(jī)械裝備的運(yùn)行效率和使用壽命。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前，需要先對(duì)其監(jiān)控電源進(jìn)行處理設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電路的電源是保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定工作的重要因素，其中包括供電裝置和復(fù)位電路兩部分。本研究采用CS89712模塊復(fù)位器傳輸發(fā)送對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)信號(hào)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用nPOR的雙向目標(biāo)信號(hào)作為初始復(fù)位信號(hào)，將其與執(zhí)行裝置相關(guān)聯(lián)后，安裝復(fù)位芯片，并將芯片所產(chǎn)生的完整復(fù)位信號(hào)傳輸至系統(tǒng)設(shè)備。此時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的額定電流基本為1 800 A，外部電源輸入電壓范圍需要控制在15 V~35 V，系統(tǒng)此時(shí)的供電情況是較為復(fù)雜的，對(duì)應(yīng)的電壓執(zhí)行層級(jí)也十分繁雜。在初始執(zhí)行電路的基礎(chǔ)上，將CS89712芯片的I/O與控制內(nèi)核采用不同電壓隔離，關(guān)聯(lián)顯示器通常設(shè)定為2.5 V或5.5 V，并對(duì)擴(kuò)展的MAX125與LCD執(zhí)行控制器對(duì)應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整更改，同時(shí)對(duì)LCD的對(duì)比度也需要進(jìn)行調(diào)整，在模擬采集MAX125前向通道過程中，產(chǎn)生的濾波以及實(shí)時(shí)電壓也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。與此同時(shí)，遠(yuǎn)程控制電源的電壓會(huì)較大，可以采用Ericsson中的DC/DC電源模塊PKC2131PI對(duì)高壓電路做出隔離操作，在雙輸出的LDO控制環(huán)境下，提供給CS89712芯片的電壓為3.3 V和2.6 V。在上述基礎(chǔ)上，再對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行電源存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，采用FLASH存儲(chǔ)程序和參數(shù)，結(jié)合SDRAM作為程序的主控結(jié)構(gòu)，均衡執(zhí)行、運(yùn)行控制，調(diào)整監(jiān)測(cè)設(shè)備的執(zhí)行程序，使其與主控程序一致，并最終完成數(shù)據(jù)的堆疊以及堆棧[7-9]。

5 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件組成分為3個(gè)模塊：基于VS平臺(tái)的加密軟件、基于BBC平臺(tái)的主PC端系統(tǒng)、基于Android的手機(jī)客戶端，本研究重點(diǎn)介紹前兩者。

1）基于VS平臺(tái)的加密軟件。加密控件是監(jiān)控系統(tǒng)中非常重要的一部分，有助于避免計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)或其他信息泄露的安全風(fēng)險(xiǎn)。本研究所設(shè)計(jì)的軟件允許用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行加密和解密，從而保護(hù)用戶的隱私。該軟件是基于窗口開發(fā)的，其應(yīng)用場(chǎng)景主要是在每個(gè)監(jiān)控室，因此具有更大的適應(yīng)性和通用性。此外，基于VS平臺(tái)編寫的圖形軟件簡(jiǎn)單、清晰，功能齊全，使用戶可以更快入門。

2）基于BBC平臺(tái)的主PC終端系統(tǒng)。通過BBC平臺(tái)發(fā)布的BBC軟件，分為PC版和移動(dòng)版，該軟件可以實(shí)現(xiàn)PC、手機(jī)和SK3非智能套件等智能設(shè)備之間的即時(shí)消息傳遞。基于BBC通信機(jī)制，用戶無(wú)需設(shè)置服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)SK3與手機(jī)、PC或其他SK3之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可極大地減少開發(fā)人員的工作量。本研究設(shè)計(jì)的PC終端系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)賬戶注冊(cè)、發(fā)送和接收文本數(shù)據(jù)、查詢傳感器的工作狀態(tài)、發(fā)送和接收傳感器數(shù)據(jù)、配置傳感器工作狀態(tài)參數(shù)、更改密碼、添加和刪除設(shè)備等功能[10]。

遠(yuǎn)程PLC監(jiān)控指令結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在完成硬件的設(shè)計(jì)后，再進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件最注重的是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程PLC主要用于系統(tǒng)的自動(dòng)控制，即對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行的運(yùn)行狀態(tài)做出控制與調(diào)整。通常情況下，需要采用測(cè)量設(shè)備以及工具進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集與測(cè)量，并將數(shù)據(jù)信息匯總整合，添加在控制程序中，形成集成化的初始處理指令。

6 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備維修與管理的改進(jìn)方法

6.1 定期檢修，加大維修與管理力度

要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的檢修與管理工作。首先，需要制定一套完善、健全的維修機(jī)制，建立專業(yè)化、規(guī)范化、信息化的管理模式；其次，建立相應(yīng)檢測(cè)制度和考核標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)章制度；最后，定期組織進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)工作等，增強(qiáng)企業(yè)人員對(duì)于機(jī)電設(shè)備事故的處理能力，強(qiáng)化安全意識(shí)，提高維修技能操作熟練程度，從而加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的日常維護(hù)與保養(yǎng)工作，保證技術(shù)人員能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)完成檢修任務(wù)，并對(duì)維修過程中出現(xiàn)的問題采取有效的解決辦法。

6.2 在空氣壓縮機(jī)群組監(jiān)控中應(yīng)用PLC技術(shù)

空氣壓縮機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，但在我國(guó)對(duì)空氣壓縮機(jī)的控制還在普遍使用繼電器，該控制技術(shù)在安全保護(hù)方面并不是特別理想，而且具有較高的故障率，也不便于維護(hù)，很難完全滿足空氣壓縮機(jī)安全、可靠運(yùn)行的需求。空氣壓縮機(jī)群組監(jiān)控系統(tǒng)是一種新開發(fā)的技術(shù)，其由溫度傳感器、壓力傳感器、斷水裝置等多種元件構(gòu)成，可以實(shí)時(shí)采集信號(hào)，并將信號(hào)向PLC傳輸，PLC在接收到信號(hào)后經(jīng)過分析處理可將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視狀態(tài)，并傳輸?shù)斤@示設(shè)備上。因此，可以在顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)利用顯示設(shè)備上的控制按鈕對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和控制[11]。

6.3 加大培訓(xùn)力度，提高工作人員整體素質(zhì)

要求農(nóng)業(yè)企業(yè)的工作人員有較高素質(zhì)，同時(shí)對(duì)其專業(yè)知識(shí)和技能也有較高要求。為使設(shè)備能夠更好地運(yùn)行，首先是對(duì)工作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，通過各種方式讓員工了解相關(guān)生產(chǎn)流程以及操作要點(diǎn)等；其次是加強(qiáng)人員之間的交流與溝通、學(xué)習(xí)能力及技術(shù)水平等；最后是建立激勵(lì)制度，鼓勵(lì)員工積極向上，發(fā)展自己的才能和創(chuàng)造力。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化推廣工作中，優(yōu)秀的技術(shù)人員是先決條件和人才基礎(chǔ)，相關(guān)部門要充分挖掘和培訓(xùn)專業(yè)技術(shù)人員，充分利用這部分人才的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)廣大農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)民學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化機(jī)械操作技術(shù)。如果操作人員缺乏專業(yè)能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可能會(huì)給農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化成果帶來(lái)負(fù)面影響，從而降低農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的可信度，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化推廣工作的開展。因此，應(yīng)該提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化人員的綜合素質(zhì)，并將農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的使用方法及時(shí)教授給農(nóng)民，并協(xié)助農(nóng)民解決在使用自動(dòng)化農(nóng)機(jī)過程中遇到的問題。

6.4 加大創(chuàng)新力度，研發(fā)更先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械

有關(guān)部門要切實(shí)推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的革新，大力研發(fā)類型更多樣、功能更強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化機(jī)械，為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的推廣及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)科研部門要深入分析農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，把理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，開發(fā)更符合現(xiàn)代生產(chǎn)需要的自動(dòng)化、智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。此外，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化研發(fā)領(lǐng)域，必須堅(jiān)持以市場(chǎng)為主導(dǎo)，把握好供求關(guān)系，結(jié)合不同地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的自然條件及人力條件，研發(fā)更具實(shí)用性及特色化的自動(dòng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的普及與應(yīng)用背景下，對(duì)比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，現(xiàn)如今的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更加靈活、全面，監(jiān)控的結(jié)構(gòu)也不同于傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)，而是雙向的多目標(biāo)控制結(jié)構(gòu)，可以更加準(zhǔn)確地分析控制監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，從而進(jìn)一步完善預(yù)設(shè)的目標(biāo)任務(wù)，合理分配農(nóng)業(yè)資源，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性，為我國(guó)農(nóng)業(yè)監(jiān)控技術(shù)邁上一個(gè)新的臺(tái)階提供助力。