基于無(wú)線通訊技術(shù)的松土裝置應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘 要：【目的】測(cè)量滾筒式殘膜回收機(jī)中的主要部件松土齒耙在作業(yè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的應(yīng)力應(yīng)變狀況，為提高殘膜回收機(jī)工作效率、降低松土齒耙的故障率提供參考。

【方法】設(shè)計(jì)松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)ANSYS分析確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用DH5922N數(shù)據(jù)分析儀標(biāo)定傳感器，采集模塊對(duì)松土齒的微小變形進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量，連續(xù)監(jiān)測(cè)松土齒應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，并針對(duì)松土齒耙壅土過(guò)載工況下提前預(yù)警。

【結(jié)果】應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效的對(duì)松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，模擬機(jī)具田間作業(yè)工況，輕度過(guò)載閾值為140 Mpa，嚴(yán)重過(guò)載閾值為180 Mpa，監(jiān)測(cè)結(jié)果整體平均相對(duì)誤差為10.12%，過(guò)載閾值設(shè)置可提前預(yù)警。

【結(jié)論】松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由微處理器、應(yīng)力應(yīng)變采集模塊、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、通訊模塊、云平臺(tái)可視化界面6部分組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)松土齒耙的應(yīng)力應(yīng)變作業(yè)狀況。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；松土裝置；滾筒式殘膜回收機(jī)；應(yīng)力應(yīng)變；ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2024）04-1029-12

0 引 言

【研究意義】松土齒耙是滾筒式殘膜回收機(jī)中關(guān)鍵部件之一。松土齒是整機(jī)受到力最大的一個(gè)部件，是機(jī)具最關(guān)鍵的部件之一，松土齒耙疏松膜下的土壤的過(guò)程中，由于土壤成分的復(fù)雜性以及不確定性，會(huì)使松土齒損壞風(fēng)險(xiǎn)大大增加，當(dāng)機(jī)具在土壤比阻比較大環(huán)境下工作時(shí)，松土齒耙因受力過(guò)大導(dǎo)致松土齒耙橫梁變形，或因受到瞬間沖擊力（如硬石塊），導(dǎo)致松土齒斷裂；松土齒耙能否正常運(yùn)行，影響殘膜回收機(jī)整個(gè)后續(xù)工作和收膜效率［1］。因此監(jiān)測(cè)松土齒耙的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)及時(shí)獲取機(jī)具的工作狀態(tài)有重要意義。【前人研究進(jìn)展】在機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括：光纖光柵應(yīng)變測(cè)量法、非接觸式光學(xué)測(cè)量應(yīng)變法、電阻應(yīng)變測(cè)量法。其中電阻應(yīng)變測(cè)量法是通過(guò)應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)測(cè)量，應(yīng)變片通常是由具有應(yīng)變效應(yīng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體敏感柵元件夾在兩層絕緣薄片基底中制成［2］。應(yīng)變片可將受到的外界刺激、拉伸或壓縮等機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。ALLMEN 等［3］提出了一種無(wú)線應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)應(yīng)變傳感器連接到無(wú)線收發(fā)裝置完成與主機(jī)的應(yīng)變信號(hào)傳輸與處理，無(wú)線方式在一定程度上降低了應(yīng)變傳感器大規(guī)模引線的附加重量，利用該網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛行器垂尾負(fù)載和起落架應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)控。光纖光柵（Fiber bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器是一種通過(guò)一定方法使光纖纖芯的折射率沿纖芯軸向發(fā)生周期性變化而形成的衍射光柵［4-5］。FBG 能夠反射特定波長(zhǎng)的光，應(yīng)力應(yīng)變等引起的光纖光柵形變會(huì)改變反射波長(zhǎng)，故可通過(guò)測(cè)試反射波長(zhǎng)的變化獲知應(yīng)變大?。?］。FBG傳感器在監(jiān)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)變過(guò)程中，需要專(zhuān)門(mén)的解調(diào)設(shè)備將感知的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，但解調(diào)設(shè)備價(jià)格高且不易攜帶，因此FBG傳感器不適用于松土齒等農(nóng)用機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)上?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】滾筒式殘膜回收機(jī)中松土齒耙在作業(yè)過(guò)程中易發(fā)生壅土過(guò)載現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)具工作效率下降，隨著智能農(nóng)機(jī)的快速發(fā)展，需開(kāi)發(fā)出一套松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)具的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)時(shí)獲取，通過(guò)DH5922N數(shù)據(jù)分析儀進(jìn)行測(cè)量以及對(duì)電阻式應(yīng)變傳感器的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)松土齒耙工況的識(shí)別?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究基于無(wú)線通訊技術(shù)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)獲取松土齒耙不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，并在云平臺(tái)可視化界面中顯示，識(shí)別不同工況，為降低松土齒耙的故障率、提高滾筒式殘膜回收機(jī)的工作效率及機(jī)具入土裝置應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括應(yīng)變傳感器、應(yīng)變采集MCU（Micro controller unit，微控制器）、數(shù)據(jù)集中點(diǎn)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理云平臺(tái)。數(shù)據(jù)集中點(diǎn)對(duì)各路ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，應(yīng)變傳感器采集松土齒耙因工作變化所引起的微小電壓變化數(shù)值，經(jīng)串口通訊采集至MCU內(nèi)，數(shù)據(jù)處理后經(jīng)ZigBee模塊通過(guò)2.4GHz無(wú)線信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)集中點(diǎn)，數(shù)據(jù)集中點(diǎn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包成cJSON格式后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)按照MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云服務(wù)器，云平臺(tái)將數(shù)據(jù)解析后，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端實(shí)時(shí)可視化顯示。圖1

使用DH5922N數(shù)據(jù)分析儀對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量，動(dòng)力設(shè)備為智能型土壤—機(jī)器—植物系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，試驗(yàn)場(chǎng)地為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。圖2

1.2 方 法

1.2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)位置

機(jī)具正常作業(yè)時(shí)，勻速行駛，松土齒耙勻速向前松土，據(jù)文獻(xiàn)［1］松土齒插入地面40 mm以下主要承受土壤阻力和土壤對(duì)機(jī)具的支撐力顯示，其中土壤阻力為0.042 kN，每一根松土齒所受的支撐力為1.2 kN。利用ANSYS對(duì)松土齒耙進(jìn)行靜力學(xué)特性分析，對(duì)松土齒施加約束分析模型。圖3

松土齒齒尖最終變形量最大；橫梁與兩側(cè)連接板相連處瞬態(tài)應(yīng)變量最大，為應(yīng)變敏感點(diǎn)。由于齒尖部位須入土無(wú)法安裝傳感器，故將監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置在橫梁中間及橫梁與兩側(cè)連接部位，共3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖4

1.2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變采集模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)力應(yīng)變采集模塊包括應(yīng)變采集電路、信號(hào)放大電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源電路、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊等。采用7.4 V鋰電池供電。圖5

1.2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量原理

應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)是根據(jù)電阻式應(yīng)變片粘貼在彈性物體表面后，應(yīng)變片中敏感柵因彈性物體變形而變形，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，敏感柵的電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系為：

式中，R為應(yīng)變片阻值，Ks為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，ε為應(yīng)變代數(shù)值。

接入檢測(cè)電路后，其應(yīng)變信號(hào)以電信號(hào)的方式輸出，將電阻式應(yīng)變片組成惠斯通電橋，組橋方式采用1/4橋，測(cè)量方式采用單臂測(cè)量。圖6

輸入電壓為Ui，R1=R2=R3=R4=R，輸出電壓為Uo。

單臂測(cè)量為將電橋中R1更換為應(yīng)變片，應(yīng)變片受力變形，R1阻值發(fā)生變化，輸出電壓Uo為：

輸出電壓和應(yīng)變值成線性關(guān)系。應(yīng)變測(cè)量電阻式應(yīng)變片選用高精度自帶溫度補(bǔ)償型BF350-6AA，靈敏系數(shù)為（2.1±1）%，阻值為350Ω，引出導(dǎo)線為高溫絕緣電線。

1.2.2.3 應(yīng)變采集電路

設(shè)計(jì)選用OP07芯片作為運(yùn)算放大電路，具有低噪聲、開(kāi)環(huán)增益高等特性，其最大偏置電流為1.8 nA，最大失調(diào)電壓飄逸為0.5μV/°C，測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差較小，適用于應(yīng)變測(cè)量電路［7-8］。兩級(jí)串聯(lián)形成放大器，-IN、+IN與橋式電路的輸出端連接，應(yīng)變采集電路。TL431為穩(wěn)壓芯片它內(nèi)部有2.5 V的基準(zhǔn)電壓源，可等效為一只穩(wěn)壓二極管，起到穩(wěn)壓的效果；ICL7660芯片為電路提供雙電源電路，以滿足OP07芯片的特性。圖7

1.2.2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換及微控制器電路設(shè)計(jì)

選用ADS1115作為采集電路的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片能夠以高分辨率測(cè)量信號(hào)，模擬輸入電壓量程可配置±256 mV至±6.144 V，可過(guò)多路復(fù)用器可測(cè)量雙路差分輸入或四路單端輸入［9］。ADS1115芯片典型應(yīng)用電路圖。圖8

MCU選用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6。該芯片具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，片內(nèi)包含多種對(duì)外的通信接口，如I2C、USART、SPI等，該芯片的工作頻率為 72 MHz，供電電壓為3.3 V［10-12］。

STM32F103C8T6最小系統(tǒng)中，外接高速時(shí)鐘頻率為8 MHz和低速時(shí)鐘頻率為32 kHz，外部晶振接入兩個(gè)負(fù)載電容形成并聯(lián)諧振電路，提高時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確性；增加外部復(fù)位電路應(yīng)對(duì)系統(tǒng)特殊情況；使用RT9193穩(wěn)壓器芯片減少電源對(duì)系統(tǒng)的干擾。圖9

1.2.2.5 無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括應(yīng)力應(yīng)變采集模塊和數(shù)據(jù)集中點(diǎn)兩部分，應(yīng)力應(yīng)變采集模塊在松土齒耙上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)據(jù)集中點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和集中數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)選用基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee模塊組建無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)力應(yīng)變采集模塊和數(shù)據(jù)集中點(diǎn)中的ZigBee模塊均選用基于CC2630F128芯片的DRF2659C型，該模塊供電電壓為5～28 V，通過(guò)RS485串行接口與STM32F103C8T6連接，串口波特率設(shè)置為9600 bps，接收靈敏度為-98 dBm。DRF2659C型ZigBee模塊實(shí)物。圖10

1.2.3 應(yīng)力應(yīng)變采集程序設(shè)計(jì)

應(yīng)力應(yīng)變采集模塊分布在松土齒耙橫梁的最左側(cè)、最右側(cè)及中間部位，分別成獨(dú)立的監(jiān)測(cè)模塊，其模塊的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一致。微處理器初始化相應(yīng)端口，并通過(guò)I2C對(duì)ADS1115進(jìn)行配置，主要包括復(fù)位、AD轉(zhuǎn)換模式、數(shù)據(jù)速率、配置量程等設(shè)置，ADS1115必須工作在I2C通信的從模式狀態(tài)。微處理器在初始化配置完成后，通過(guò)I2C時(shí)鐘信號(hào)SCL的高電平期間向ADS1115發(fā)送命令字，將配置參數(shù)寫(xiě)入配置寄存器，設(shè)置數(shù)據(jù)速率、量程等，在SCL的低電平讀取結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)，通過(guò)查詢SDA引腳的電平情況判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成。AD轉(zhuǎn)換完成后，需要對(duì)ADS1115進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)，在AD轉(zhuǎn)換器的增益和濾波器設(shè)置等工作條件變化時(shí)，轉(zhuǎn)換器需重新校準(zhǔn)?？柭鼮V波屬于一種遞推預(yù)測(cè)濾波，是一種數(shù)據(jù)融合算法，能夠在線性時(shí)變系統(tǒng)中根據(jù)具體情況快速做出響應(yīng)［13-14］，AD采集完畢后，微處理器在將微小電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值時(shí)，通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，然后通過(guò)式（5）轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，最后經(jīng)ZigBee無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)集中點(diǎn)。應(yīng)力應(yīng)變采集流程。圖11

式中，σ為應(yīng)力（Mpa）；E為彈性模量（Gpa）；ε為應(yīng)變，松土齒為普通碳鋼其彈性模量E=220 Gpa。

1.2.4 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

1.2.4.1 軟件配置

DRF2659C型ZigBee模塊具有快捷方便的應(yīng)用特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)集中點(diǎn)中的模塊節(jié)點(diǎn)類(lèi)型設(shè)置成Coordinator，配置PAN ID、頻道、波特率、數(shù)據(jù)位，自定義地址等參數(shù)。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的模塊全部設(shè)置成Router，當(dāng)其中一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，其參數(shù)配置與Coordinator的參數(shù)一致。配置為Router的模塊可通過(guò)功能按鍵自動(dòng)尋找Coordinator加入網(wǎng)絡(luò)。

4G模塊的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中點(diǎn)與OneNET云平臺(tái)之間的通訊，4G模塊通過(guò)RS485與微處理器的USART2串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)集中點(diǎn)與OneNET云平臺(tái)之間的通訊采用MQTT協(xié)議透明傳輸模式。對(duì)串口進(jìn)行初始化，發(fā)送指令配置USART串口參數(shù)配置，配置4G模塊為OneNET的MQTT透?jìng)髂Ｊ?，配置MQTT協(xié)議的相關(guān)參數(shù)，并配置心跳包功能使設(shè)備與云平臺(tái)之間沒(méi)有數(shù)據(jù)交換時(shí)也保持連接。

1.2.4.2 通訊協(xié)議

在數(shù)據(jù)集中點(diǎn)中的ZigBee模塊連接USART1接口，即ZigBee模塊代替了復(fù)雜線路。USART可實(shí)現(xiàn)多處理器通訊，將應(yīng)力應(yīng)變采集模塊連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里。在多處理器通信模式中，分別為應(yīng)力應(yīng)變采集模塊定義串口通信協(xié)議。數(shù)據(jù)集中點(diǎn)向所有應(yīng)力應(yīng)變采集模塊發(fā)送指令，模塊接受串口信息，根據(jù)通訊協(xié)議判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，為使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)送指令時(shí)間間隔為200 ms。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1通訊協(xié)議為0x0A，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2通訊協(xié)議為0x0B，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3通訊協(xié)議為0x0C。

數(shù)據(jù)格式選用cJSON格式。應(yīng)力應(yīng)變采集模塊把采集的模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)經(jīng)算法處理成所須的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為cJSON數(shù)據(jù)后發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)首先將采集節(jié)點(diǎn)的cJSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，把不同的監(jiān)測(cè)位置的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，然后將提取的數(shù)據(jù)封裝形成一個(gè)有序數(shù)組通過(guò)4G模塊發(fā)送至云平臺(tái)。圖12

1.2.5 云平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用OneNET云平臺(tái)，在云平臺(tái)中創(chuàng)建一個(gè)新的產(chǎn)品，并對(duì)其技術(shù)參數(shù)設(shè)置為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在產(chǎn)品中添加設(shè)備并配置其相關(guān)參數(shù)，添加數(shù)據(jù)流模板，設(shè)置為應(yīng)變。保存所有參數(shù)后重啟模塊，等待設(shè)備接入至OneNET服務(wù)器。監(jiān)測(cè)界面使用View3.0數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)，其中平均數(shù)據(jù)值為連續(xù)采樣的10個(gè)數(shù)據(jù)平均值，過(guò)載預(yù)警是根據(jù)平均值與閾值設(shè)置的值作比較觸發(fā)信號(hào)。圖13

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于數(shù)學(xué)軟件MATLAB的MILLIKAN油滴試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與實(shí)際的數(shù)據(jù)分析中，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)3不同工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［15］，對(duì)比不同速度及不同入土深度情況的數(shù)據(jù)，提高分析的準(zhǔn)確度。根據(jù)系數(shù)1.15對(duì)故障進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)［16］。

據(jù)文獻(xiàn)［17］得知，應(yīng)變傳感器的輸出電壓與應(yīng)變之間呈線性關(guān)系，但在不同設(shè)定下的傳感器其電壓數(shù)值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不同。采用靜態(tài)標(biāo)定法對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)儀器使用上述數(shù)據(jù)分析儀對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集，并讀取應(yīng)變傳感器輸出的電壓值。采用彈性模量為220 Gpa的彈性鋼板。

將應(yīng)變采集模塊和DH5922N數(shù)據(jù)分析儀分別連接松土齒耙監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩組已粘貼好的應(yīng)變片，將數(shù)據(jù)與測(cè)試儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)定DH5922N采樣頻率和應(yīng)變采集模塊均為10 Hz，在入土深度8 cm分別在0.4、0.8、1.2 m/s的前進(jìn)速度下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變（由于存在測(cè)量誤差，入土深度在小范圍內(nèi)波動(dòng)）。其中με1為數(shù)據(jù)分析儀所測(cè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，με2為應(yīng)變采集模塊采集的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，|Δμε|為絕對(duì)誤差，δ為相對(duì)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試

2.1.1 傳輸延遲測(cè)試

研究表明，傳輸距離為3、4、5 m時(shí)，時(shí)間分別延遲0.08、0.1、0.12 s。

距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，采集點(diǎn)距集中點(diǎn)越遠(yuǎn)，指令與數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間越長(zhǎng)。

2.1.2 丟包率測(cè)試

研究表明，測(cè)試距離為5 m。每次發(fā)送2 000個(gè)數(shù)據(jù)包，進(jìn)行5次，記錄數(shù)據(jù)丟包情況。數(shù)據(jù)幾乎不丟包，ZigBee組網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定。表1

2.2 松土齒耙應(yīng)力應(yīng)變

研究表明，在不同深度及不同前進(jìn)速度下對(duì)松土齒耙監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，采樣頻率為10 kHz。紅色為0.4 m/s前進(jìn)速度、綠色為0.8 m/s前進(jìn)速度、藍(lán)色為1.2 m/s前進(jìn)速度，縱坐標(biāo)為｜ε｜，橫坐標(biāo)為相對(duì)檢測(cè)時(shí)間。表2，圖14

在入土4 cm時(shí)，不同速度下的應(yīng)變變化較小，且應(yīng)變值較小，不超過(guò)40με，其對(duì)應(yīng)應(yīng)力為8.8 Mpa，不同速度下，4 cm入土深度對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響；在入土8 cm時(shí)，不同速度下的應(yīng)變值差值較大，其中1.2 m/s時(shí)最大達(dá)到562.36 με，應(yīng)力值約為123.72 Mpa；入土12 cm已接近工況極限，在1.2 m/s前進(jìn)速度下，由于土壤堆積過(guò)快，在松土作業(yè)時(shí)松土齒耙一直發(fā)生壅土現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)具載荷不斷增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的最大應(yīng)變達(dá)到946.45 με，應(yīng)力值約為208.22 Mpa，小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度235 Mpa。

入土深度為4 cm時(shí)，前進(jìn)速度不同，不會(huì)對(duì)松土齒耙應(yīng)變產(chǎn)生明顯影響，入土深度為8、12 cm時(shí)，前進(jìn)速度越快，應(yīng)變?cè)酱?；入土深度越深，?yīng)變也越大。

在不同狀態(tài)下應(yīng)力值的大小相同或范圍可能一致，機(jī)具實(shí)際作業(yè)速度大于等于1.2 m/s，實(shí)際入土深度為8±1 cm。根據(jù)松土齒工作入土深度與結(jié)構(gòu)的受損情況和緊急程度，使用監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在入土8和12 cm受到最大應(yīng)力數(shù)據(jù)，針對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，超過(guò)入土8 cm工作時(shí)的最大應(yīng)力的1.15倍（約140 Mpa）進(jìn)行輕度過(guò)載預(yù)警，低于入土12 cm工作時(shí)最大應(yīng)力的15%（約180 Mpa）進(jìn)行嚴(yán)重過(guò)載的提前預(yù)警。將預(yù)警等級(jí)分為3種等級(jí)正常、輕度過(guò)載、嚴(yán)重過(guò)載，得出預(yù)警值范圍。表3

2.3 應(yīng)力應(yīng)變傳感器標(biāo)定

2.3.1 靜態(tài)標(biāo)定

研究表明，向下彎曲至最大，應(yīng)變變化在100 με左右。表4，表5

將表6中的數(shù)據(jù)代入Origin2018中進(jìn)行線性擬合，將應(yīng)變值作為輸出，電壓值作為輸入，得出擬合函數(shù)。圖15

y=－6 297.445 35+5 563.884 14x（6）

2.3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量

研究表明，應(yīng)力應(yīng)變采集的數(shù)據(jù)均存在相對(duì)誤差較大的數(shù)組，0.4 m/s的前進(jìn)速度下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1總體數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差11.10%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2總體數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差7.10%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3總體數(shù)據(jù)平均相對(duì)誤差8.55%，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體平均相對(duì)誤差為8.92%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、3在該速度下較監(jiān)測(cè)點(diǎn)1采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性更好；應(yīng)變采集模塊在0.8 m/s的前進(jìn)速度下，總體平均相對(duì)誤差10.74%，在1.2 m/s的前進(jìn)速度下，總體平均相對(duì)誤差10.71%。

在入土深度8 cm的工作環(huán)境下，模塊數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性較好，不同前進(jìn)速度平均相對(duì)誤差均在10%左右，整體平均相對(duì)誤差為10.12%，測(cè)量精度可進(jìn)一步提升。表6～8，圖16

3 討 論

3.1

汪鳳珠等［16］研究表明，主要針對(duì)花生收獲機(jī)中關(guān)鍵軸進(jìn)行了扭矩在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了工況及故障預(yù)警，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，但其排線較為繁瑣，安裝較為復(fù)雜；盧臘［17］以聯(lián)合收割機(jī)為對(duì)象研發(fā)了一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊化，對(duì)機(jī)具的轉(zhuǎn)速、扭矩、料倉(cāng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在扭矩監(jiān)測(cè)中采用了無(wú)線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，研究表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，但精度可進(jìn)一步提升，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)存在無(wú)線傳輸和有線傳輸，數(shù)據(jù)傳輸不同步情況較多；趙繼政等［18］研究表明，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛瘤胃pH值和溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可靠傳輸及自組網(wǎng)；吳蕊［19］針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)，研發(fā)了基于ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)的橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)需求。將系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，在有限的農(nóng)機(jī)裝備空間中可以使硬件系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔化。系統(tǒng)將采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)集中點(diǎn)之間采用ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的通信方式，數(shù)據(jù)集中點(diǎn)與云平臺(tái)通過(guò)4G進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，擺脫了傳統(tǒng)復(fù)雜的有線連接。

3.2 冷建成等［20］通過(guò)電阻式應(yīng)變片對(duì)油氣管道進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)管道結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行預(yù)警；OZBEK 等［21］利用電阻式應(yīng)變片監(jiān)測(cè)了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)渦輪機(jī)的應(yīng)變變化情況；楊軍凱［22］等采用電阻應(yīng)變花對(duì)長(zhǎng)輸油管道進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)了管道應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用電阻式應(yīng)變片對(duì)松土裝置進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以反應(yīng)松土裝置的工況。靜態(tài)試驗(yàn)中電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系；在動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)中，系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析儀的測(cè)量存在個(gè)別誤差較大的值，后期需進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié) 論

4.1

研究并設(shè)計(jì)了一種針對(duì)松土齒耙的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)并數(shù)據(jù)可視化。

4.2 通過(guò)不同距離測(cè)試采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)集中點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)試，5 m距離網(wǎng)絡(luò)延遲為0.12 s，并在該距離下進(jìn)行了丟包率測(cè)試，丟包率在0.1%以下，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能要求。

4.3 確定了過(guò)載閾值范圍，輕度過(guò)載為140≤σlt;180 Mpa，嚴(yán)重過(guò)載σ≥180 Mpa。松土齒入土8 cm，0.4 m/s前進(jìn)速度應(yīng)變監(jiān)測(cè)總體平均相對(duì)誤差為8.92%，0.8和1.2 m/s前進(jìn)速度應(yīng)變監(jiān)測(cè)總體平均相對(duì)誤差為10.74%和10.71%，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性較好。

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