無(wú)線傳輸技術(shù)在農(nóng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用及研究*

侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，檢測(cè)技術(shù)作為重要的組成部分，對(duì)農(nóng)機(jī)的發(fā)展具有重要意義。通過(guò)農(nóng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行全面的性能、可靠性、安全性等方面的評(píng)估，幫助生產(chǎn)商找出產(chǎn)品的問(wèn)題并及時(shí)解決，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力；通過(guò)農(nóng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)農(nóng)機(jī)的安全性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，提高農(nóng)機(jī)使用的安全性，避免安全事故的發(fā)生[1]。因此，農(nóng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)農(nóng)機(jī)發(fā)展具有不可替代的重要作用，可以促進(jìn)農(nóng)機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，提高農(nóng)機(jī)效率，保障安全性，并促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

農(nóng)機(jī)檢測(cè)技術(shù)在不斷發(fā)展的同時(shí)也面臨著一些問(wèn)題：例如，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)檢測(cè)通常使用電纜傳輸數(shù)據(jù)，但電纜的使用有時(shí)不太方便，并且會(huì)受到電纜長(zhǎng)度和電纜本身特性的限制[2]；此外，電纜的使用也會(huì)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的靈活性和可移動(dòng)性造成限制。無(wú)線傳輸技術(shù)可以通過(guò)無(wú)線傳感器和通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決了電纜傳輸?shù)牟槐阒?，并提高了檢測(cè)效率和可靠性[3]。無(wú)線傳輸技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)和數(shù)據(jù)共享，為農(nóng)機(jī)檢測(cè)帶來(lái)了更多的便利性和靈活性，能夠提高檢測(cè)效率和可靠性[4]。

1 無(wú)線傳輸技術(shù)

無(wú)線傳輸技術(shù)是指利用電磁波在空間中傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、醫(yī)療健康、信息安全等[5]。與傳統(tǒng)的有線傳輸技術(shù)相比，無(wú)線傳輸技術(shù)有以下特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，方便移動(dòng)設(shè)備的使用，避免了布線等不便之處；具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可以通過(guò)增加無(wú)線信號(hào)源等方式快速擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)范圍[6]。

無(wú)線傳輸系統(tǒng)通常包括以下部分。

1）傳感器：用于感知和檢測(cè)物理世界中的信息，例如溫度、濕度、光線強(qiáng)度、加速度等[7]。它們將感知到的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到其他設(shè)備。

2）無(wú)線傳輸模塊：用于將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)或云端服務(wù)器，例如Wi-Fi、ZigBee、2.4G 等[8]。這些無(wú)線傳輸模塊通常包括一個(gè)無(wú)線芯片、一個(gè)天線和一個(gè)微處理器。

3）網(wǎng)關(guān)：用于連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和云端服務(wù)，它通常包括一個(gè)微處理器、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、一個(gè)存儲(chǔ)器和一些輸入輸出接口[2]。

4）云端服務(wù)器：用于接收、存儲(chǔ)、處理和分析傳感器數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的應(yīng)用和服務(wù)[9]。

2 無(wú)線傳輸技術(shù)在農(nóng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用

由于農(nóng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)一般不需要復(fù)雜的傳輸協(xié)議，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信基本上可以滿足農(nóng)機(jī)檢測(cè)要求[10]。通過(guò)在農(nóng)機(jī)上安裝傳感器，采集農(nóng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)方面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境條件等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估；在農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制方面，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)之間的通信和協(xié)同作業(yè)，提高作業(yè)效率和質(zhì)量[11]。

2.1 無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)外農(nóng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)際農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，下面是一些國(guó)家和地區(qū)的應(yīng)用情況。

1）美國(guó)農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域的研究歷程可以追溯到20世紀(jì)90 年代。在當(dāng)時(shí)，農(nóng)民們開(kāi)始使用GPS 技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在隨后的幾年中，無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍開(kāi)始逐漸擴(kuò)大，包括使用傳感器來(lái)收集農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行分析和管理。John Deere 公司在2013 年推出了一款名為“John Deere Operations Center”的云平臺(tái)，用于幫助農(nóng)民和種植者管理他們的農(nóng)田和農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)。該平臺(tái)利用無(wú)線傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)從各種農(nóng)業(yè)設(shè)備中收集并存儲(chǔ)在云端中，以便于分析和管理。2018 年，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用了基于無(wú)線傳輸技術(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和記錄農(nóng)機(jī)的行駛軌跡、速度和燃油消耗等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行分析和處理。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)機(jī)的性能和效率，并幫助農(nóng)民和農(nóng)機(jī)廠商優(yōu)化農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)和使用。

另外，Caterpillar 公司的Cat Connect 解決方案也是一個(gè)成功的應(yīng)用案例。該解決方案于2014 年推出，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器的工作狀態(tài)、燃油消耗和維護(hù)情況等參數(shù)，為用戶提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

2）日本農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域的研究歷程可以追溯到20世紀(jì)80 年代。在當(dāng)時(shí)，日本開(kāi)始使用GPS 技術(shù)來(lái)管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著時(shí)間的推移，無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

2000 年代初期：在這一時(shí)期，日本的農(nóng)業(yè)科技研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究利用GPS、無(wú)線通信和GIS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。例如，2001 年，日本農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)，使用GPS 和無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)式噴霧器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。2007 年，日本研發(fā)了一種能夠自動(dòng)識(shí)別水稻狀態(tài)并自動(dòng)調(diào)整施肥量的機(jī)器，這種機(jī)器使用無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)接收和處理各種傳感器和控制器的數(shù)據(jù)。

2010 年至今：在這一時(shí)期，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商開(kāi)始推出基于無(wú)線傳輸技術(shù)的智能化農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，日本的農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域開(kāi)始出現(xiàn)了更多的創(chuàng)新。例如，日立制作所2012 年研發(fā)的“Smart Agriculture Solution”系統(tǒng)使用無(wú)線傳輸技術(shù)，可以從各種農(nóng)業(yè)設(shè)備中收集數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在云端，以便于分析和管理。2019年，東京農(nóng)工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“智能農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3）歐洲在農(nóng)業(yè)技術(shù)方面一直處于較為領(lǐng)先的地位，無(wú)線傳輸技術(shù)在歐洲的農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)線傳輸技術(shù)在歐洲的農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用歷程與日本相比稍晚一些，主要在21 世紀(jì)初期開(kāi)始研究和應(yīng)用。

2000 年代初期至2010 年代初期：在這一時(shí)期，歐洲的農(nóng)業(yè)科技研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究利用傳感器和無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和精度。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化控制和智能化農(nóng)業(yè)應(yīng)用。2003 年，歐盟資助的“EUROPA”項(xiàng)目開(kāi)始研究農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)，其中包括利用無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。2008 年，德國(guó)Fraunhofer 農(nóng)業(yè)技術(shù)研究所開(kāi)始研究利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高農(nóng)機(jī)生產(chǎn)效率和管理水平。

2010 年代中期至今：在這一時(shí)期，無(wú)線傳輸技術(shù)在歐洲的農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的數(shù)據(jù)采集和傳輸擴(kuò)展到了更復(fù)雜的農(nóng)機(jī)自動(dòng)化和智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用。2014 年，法國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)商Kuhn 公司開(kāi)始研究使用無(wú)線傳感器技術(shù)來(lái)提高農(nóng)機(jī)的生產(chǎn)效率。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，歐洲的農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用更為先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)，包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)、LoRa、Sigfox 等。這些技術(shù)具有更廣的覆蓋范圍和更高的傳輸速度，能夠支持更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。2014 年，德國(guó)“M2M Solution”項(xiàng)目開(kāi)始運(yùn)作，利用無(wú)線傳輸、人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)的智能化監(jiān)控和管理，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和安全性。

2017 年，法國(guó)Effidence 公司推出了一種名為“EffiBOT”的農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用LoRa 和Sigfox 等無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的位置、運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和安全性。2019 年，荷蘭Sense Farm 公司推出了一種名為“SenseNET”的農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和LoRa 等無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的位置、運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)情況。

無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)際農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大和深化，未來(lái)將會(huì)更加普及。

2.2 無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械檢測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也已經(jīng)有了一定的進(jìn)展。2006 年，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)出了一種農(nóng)機(jī)智能化檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)使用GPS 技術(shù)和GPRS 無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)機(jī)的精準(zhǔn)控制和監(jiān)測(cè)。2012 年，北京萬(wàn)華星通科技股份有限公司研發(fā)了一種基于4G LTE通信技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案。該方案可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的位置、速度、燃油消耗和作業(yè)情況等參數(shù)。2016 年，河南省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)了一種基于NB-IoT 通信技術(shù)的農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的位置、作業(yè)狀態(tài)和燃油消耗等參數(shù)，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析和決策支持；該系統(tǒng)還可以遠(yuǎn)程控制農(nóng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。2021 年，中聯(lián)重科公司研發(fā)了“農(nóng)機(jī)故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)”，農(nóng)機(jī)預(yù)警系統(tǒng)是一種通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、分析從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)故障預(yù)警的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)的溫度、壓力、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷農(nóng)機(jī)是否存在故障，并進(jìn)行預(yù)警，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)和管理。

3 未來(lái)的研究方向

無(wú)線傳輸技術(shù)在農(nóng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，因此需要進(jìn)一步深入研究。

3.1 信號(hào)穩(wěn)定性

農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境相對(duì)較為惡劣，如農(nóng)田中的土壤濕度、土壤溫度、粉塵等因素都可能對(duì)無(wú)線傳輸設(shè)備造成干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常或中斷。因此，需要對(duì)無(wú)線傳輸設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其穩(wěn)定性和抗干擾能力[12]。具體可以從以下幾個(gè)方向展開(kāi)研究：1）優(yōu)化天線設(shè)計(jì)和布局，提高信號(hào)接收和傳輸?shù)男省?）采用抗干擾技術(shù)，如頻譜分析和頻譜隔離等，減少干擾源對(duì)信號(hào)的影響。3）在數(shù)據(jù)傳輸中使用可靠的差錯(cuò)校驗(yàn)和糾錯(cuò)編碼技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 傳輸距離

農(nóng)業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程檢測(cè)中，傳輸距離較遠(yuǎn)，這也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到信號(hào)衰減和干擾等因素的影響，因此需要考慮信號(hào)傳輸距離的可靠性[13]。具體可以從以下幾個(gè)方向展開(kāi)研究：1）采用中繼技術(shù)。使用中繼技術(shù)可以將信號(hào)從一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，從而增加傳輸距離。2）采用分布式傳輸方案。分布式傳輸方案可以將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在不同的節(jié)點(diǎn)中，從而降低傳輸距離和信號(hào)衰減。

3.3 低功耗

農(nóng)業(yè)機(jī)械的檢測(cè)通常需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集，因此需要長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力[14]。但是，無(wú)線傳輸技術(shù)需要消耗大量的電量，這會(huì)影響設(shè)備的續(xù)航能力。具體可以從以下幾個(gè)方向展開(kāi)研究：1）采用低功耗芯片和功耗管理技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的功耗控制。2）采用智能省電模式，在設(shè)備處于閑置狀態(tài)時(shí)自動(dòng)降低功耗。3）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和算法，減少無(wú)用數(shù)據(jù)的傳輸，降低功耗。