引言

目前，全國大中型農場已基本實現農業機械化。以黑龍江墾區為例，墾區現有 9 個農場管理局、113 個國有農牧場，農業機械總動力近 600 萬 kW，擁有農用大中型拖拉機 4． 5 萬臺、大中型配套農具 11 萬臺、機動水稻插秧機 6 萬臺多、谷物聯合收獲機械 1 萬臺多、農用飛機 52 架，已率先實現了機械化作業。隨著機械化程度的提高，農機作業范圍越來越大，農機作業信息反饋實時性差，不能滿足機收的組織者和參與者對信息快捷、準確、詳細掌握的要求。目前，國內缺少有效的農機調度手段，不僅降低了農機作業的工作效率和作業質量，也造成了農機的不合理配置，導致了資源的嚴重浪費，給農機作業的進一步發展帶來困難。田間作業機群無線調度系統能夠更為科學、合理地調配田間作業機械，使得作業機械不再是單兵作戰，而成為科學合理的團隊力量，可及時采取調度措施，采用精簡、高效的協作方式，避免機械較大故障、輪空、休息的情況發生。采用作業機群無線調度系統后，田間作業機械上配備的信息采集控制器可動態地采集生產信息，迅速、及時地將信息傳送到調度中心，為及時、正確的決策提供可靠數據，亦可為農機管理部門提供農田作業的準確信息，為未來的集約化農業生產提供一個良好的示范作用。

1 硬件構成

田間作業機無線調度硬件系統以大馬力精播機為研究對象，以作業機工作狀態監測為重點內容，主要包括播種裝置種肥監測、動力設備狀態監測、播種機播種面積及作業速度監測。其可在實現本機作業參數監控的同時，利用無線網絡技術實時傳輸作業參數，上位監控機調度決策軟件對拖拉機作業進行遠程監控與管理調度。系統結構圖如圖 1 所示?！緢D1】


種肥監測傳感器組為 14 路種肥防堵傳感器，監測排種與排肥質量; 發動機轉速傳感器監測發動機工作狀態; GPS 定位傳感器、轉速傳感器監測為計算播種面積及播種量而設置; 油耗傳感器為油耗管理提供基礎; 采集控制器采集各類經信號調理的傳感器信息，通過即插即拔的 SDI 接口與核心控制器聯機，實現機車作業狀態監測、顯示的同時，通過無線通信裝置，傳輸給遠程控制中心的調度管理系統進行系統管理。系統為擴展方便，各接口模塊均設為即插即用的SDI－12 接口類型。

1． 1 播種裝置種肥監測

精播機的種肥監測包括播種量與施肥量監測及導種管、導肥管堵塞狀態監測，通過轉速傳感器測量排種盤和排肥軸轉動角度。間接計算獲得排種量與排肥量。采用 Allegro 公司的 ATS665 實現轉軸轉速測量，它是高精度的齒輪邊沿傳感器，體積小，可以不受安裝空間的限制。鏈輪的每個齒通過傳感器的表面時，ATS665 對應產生 1 個電脈沖，脈沖數量與轉速之間存在線性關系，計量對應脈沖信號的數量，就可以得到軸轉動的角度。

對于排種盤吸孔數為 32 而言，播種量與轉軸角度的關系為【1】


其中，z 為鏈輪齒數; n 為 ATS665 測得脈沖; N 為播種株數。排肥量與轉軸轉速之間關系為【2】


其中，n1為排肥軸鏈輪轉動產生的脈沖數; z1為排肥軸的鏈輪齒數; N1為施肥量; a 為排肥軸轉動 1周單個排肥管的排肥量。采用光電陣列方式，對 7 行種箱 14 路導管監測，獲取種肥堵塞信息。應用半值角小的光電元件\\( 即 EL－1KL5 發光二極管和 ST－1KL3A 光敏三極管\\) 3 對并列安裝的光電陣列方法，實現堵塞測量，避免光電元件之間的相互干擾和漏檢的發生。

光電陣列傳感器的控制器與 ATS665 的控制器均采用表貼的 AT89C2051。ATS665 輸出的頻率信號由4 腳\\( OUT 端\\) 進入 MCU1 的 P3． 4，采樣控制器對頻率信號進行處理、計算，獲得轉軸轉速信息與種肥信息。

采樣控制器輸出設計為 SDI－12 接口，與主控制器相連。光電陣列進入 MCU2 的 P1． 7、P1． 6、P1． 5 引腳進行采樣，判斷導種管與肥管的堵塞狀態，并將之通過SDI－12 接口傳送給主控制器。

1． 2 作業速度與作業面積測量

為提高系統測量精度，采用雙輪監測法測量作業速度，進而計算機車行走距離; 將作業幅寬乘以行進距離，計算作業面積。采用多傳感器融合技術\\( 即作業速度采用光電編碼器\\) 與 GPS 聯合測量。光電編碼器測量驅動輪轉速與地輪轉速。機車行駛過程中，存在地輪空轉、驅動輪與地輪打滑現象。單一測量地輪與驅動輪不能精確獲得機車速度，與 GPS 定位傳感器聯合測量，采用多傳感器融合方法，可獲得精準作業的速度與位置信息。設置數據融合控制器，光電編碼器將地輪/驅動輪角位移轉換為電脈沖，進入單片機控制器統計脈沖個數，初步獲得機車行駛速度。

GPS 信號以定位為主，采樣頻率為 1s，田間機車行駛速度 3 ～ 11km/h\\( 約 0． 83 ～ 3． 05m/s\\) ，通過測量地輪/驅動輪轉動周數，得到機車速度。對 GPS 速度信息與兩個光電編碼器獲得的地輪與驅動輪轉速進行數據融合，進而獲得機車作業速度。

在沒有打滑與空轉發生時，聯合 GPS 測量值，獲得精準機車速度。地輪與驅動輪打滑情況下機車作業速度為 0; 地輪空轉情況下，即使作業機前行，但作業為無效作業，短時間空轉不做處理，只需存儲打滑時間，從而計算作業質量。長時間空轉則需報警，在有打滑或空轉發生時，判斷空轉與打滑是機車作業速度精準測量的關鍵。2BJM－7 型驅動輪與地輪的轉速比為周長比，考慮測量誤差，約為 4: 1，小于此值的轉速比認為有地輪空轉發生; 在 3s 時間內 GPS 數據無變化，同時 ATS665 傳感器有測量值，則認為地輪或驅動輪在打滑。3 個傳感器采用串并聯數據融合結構進行表決，傳感器輸出與一個融合邏輯器相連，該融合邏輯器事先結合了各傳感器的先驗知識。表決算法基于布爾代數，GPS 傳感器信任級別最高，驅動輪轉速傳感器次之，地輪轉速傳感器最低，如表 1 所示?！颈?】


系統的檢測率為【公式】


B、C 的信任級別為 x \\( x = 1，2，3 \\) 的檢測率; 對應的Pfa\\( Ax\\) 、Pfa\\( Bx\\) 、Pfa\\( Cx\\) 為虛警率。經計算，系統的檢測率為 0． 84，虛警率為 9． 9×10－7，小于 10－6，與單個傳感器相比，提高了測量的準確度，降低了測量誤差。上述數據融合過程在融合控制器中完成。

1． 3 射頻導納原理的機車油耗傳感器W3000 系列射頻導納物位開關是采用先進的射頻導納技術液位測量傳感器，它能減小或消除由被測導電介質電極掛料引起的測量誤差，從而提高電容式液位計的測量準確度，具有安裝方便、免維護及低價位等特點。射頻導納中導納的含義為電學中阻抗的倒數，它由電阻性成分、電容性成分、感性成分綜合而成。被測量的復阻抗 X 為【5】


其中，C 為物料和掛料的電容 Cw、Cg的并聯值; Ｒ為掛料部分和真實物料部分的電阻串聯值。根據射頻導納原理，掛料部分復阻抗的實部和虛部數值上相等，即【6】


由于掛料部分的橫截面積要遠遠小于物料部分的橫截面積，掛料部分的電阻要遠遠大于物料部分的電阻，可以忽略物料部分電阻。因此，由式\\( 5\\) 與式\\( 6\\)可得【7】


因此，只要測得被測液體的復阻抗的實部和虛部，就可以準確得出液位形成的電容，消除掛料電容的影響，進而消除由于掛料電容所造成虛假液位的誤差。所測液位的輸出信號是由真實液位和掛料分別引起的信號的疊加: 通過測量激勵電壓信號矢量電壓和響應電流信號矢量得到被測液體的復阻抗值; 通過相敏檢波得到實部和虛部的值，計算真實的液位信號。射頻導納油耗傳感器由開關電子線路和探頭兩部分組成: 電子線路包括高頻振蕩器、檢測電路、輸出電路; 探頭由探測極棒及保護套構成，二者之間以及它們與接地容器之間相互絕緣，由高頻振蕩器提供穩定的射頻電壓，傳到探測極棒上，當物料觸及到探測極棒時，輸出不平衡電壓，經解調器、放大器處理后，進入采集控制器。

1． 4 傳感器接口

系統所有傳感器接口均設計為即插即用型的 SDI－12 接口形式。SDI －12 適用于多傳感器的單數據記錄，采用串行數據接口，SDI 傳輸速率為 1 200bps，通信協議采用三線制，包括+12V 電源線、數據線和地線。通過軟件設置傳感器地址，實現該傳感器和主機的通信。SDI－12 的數據結構協議為 1 位起始位、7 位數據位\\( 低位在前\\) 、1 位偶校驗位、1 位停止位。

SDI－12 標準的數據采集器的測量過程如下: 喚醒傳感器→尋址，發送命令→傳感器響應→傳送數據。使用SDI－12 接口通信協議，使多傳感器互聯設計變得簡單，減少了硬件接口電路的設計。

2 無線傳輸接口

農業機械工作在大田環境，作業面積寬廣，在耕田內走線易腐蝕及遭到破壞，田間作業機群處于活動狀態，通過有線方式將機載信號傳送給遠程調度管理中心是不可能的。因而，采用無線通信方式將田間作業機的實測數據經過無線傳輸設備傳遞到控制室，經上位機計算，合理安排調度措施。無線傳輸采用 WiFi\\( 802． 11n\\) 技術，5． 8GHz，點對點通信距離 1km，網絡拓撲采用中繼模式。每臺作業機在上位機配有單個網橋 AP 節點，進行數據收發，在田間設有中繼網橋，實現數據無線傳輸到控制室。無線信號的載體采用IEEE802． 11n 標準的網橋實現。該網橋為雙頻工作模式\\( 包含 2． 4GHz 和 5GHz 兩個工作頻段\\) ，數據傳輸速率可達 100Mbit/s，傳輸距離可達幾公里。作業機單個節點連接方式見圖 2 所示?！緢D2】


圖 2 中，AT89S52 為核心控制器，接收來自 SDI－12 接口的采集數據，將其通過 RS485 串行口與 UT620連接; UT620 為數據轉換器，將 ＲS485 的串行數據形式轉換為 Engenius 網橋所用的 ＲJ45 的網絡數據格式; POE 電源為網橋供電。所有電源均為直流形式，不超過 12V，采用機載電平供電。

作業機終端數據通過無線網傳輸給控制室內調度機。網絡主要構成包括無線鏈路鏈接路由器和終端設備，網絡中的任何無線設備及節點都可以同時作為 AP 和路由器，每個節點都可以發送和接收數據，與一個或者多個對等節點進行直接通信。設置節點以1km 為有效距離，每個節點布置在邊長為 1km 的正六邊形中心，保證作業機工作中移動到任何位置均在網絡內。每個節點具有收集數據功能，又具有路由功能，由兩個 Engenius 網橋構成: 一個用于對多個車載終端信號的接收，設置為 AP 方式; 另一個用于數據路由器，工作于 WDS－Brigde 形式。田間固定網絡節點布置及網絡拓撲圖如圖 3 所示。圖 3 中未畫出所有路由方式?？刂剖医K端收集所有田間固定點信息，為WDS－Brigde 形式，設置智能天線，擴大其覆蓋范圍?！緢D3】


3 上位機調度管理

田間作業機群無線調度系統上位機采用的 Delphi語言進行系統的軟件設計，主要包括作業機群實時監控界面、播種機信息管理界面、播種機工作狀態界面、工作區塊管理界面及播種機調度管理界面。調度系統部署說明如下:

1\\) 作業機群車載主控終端采用無線網橋的無線網絡實現和調度室的數據傳輸，即時將機群所處位置把 GPS 定位數據及工作狀態，通過無線網絡報送到網站數據接收服務器。

2\\) 調度室通過遠程調度軟件監控機群中每個播種機的工作狀態，包括是否工作完成、完成了多少、作業速度、油耗、機械的工作狀態等信息。

3\\) 農業機械到達作業地點之后將完成所指派作業任務，之后將作業完畢信息通過無線網絡發送到調度指揮中心。

4\\) 調度中心獲得播種機的詳細地理信息數據之后，確定播種機行駛目的地，優化最佳行駛路線，開始導航指導農機前往作業地點。

作業機群實時監控界面如圖 4 所示。其左側顯示機群中播種機的名字; 點擊后，右側出現該播種機的工作狀態，包括位置信息、機械型號、制造年份、機主電話、已播面積、行駛速度、油耗、工作狀態、工作區塊、工作完成后將要前往的區塊、現工作區塊的詳細信息，以及目標區塊的信息; 當作業完成后，點擊發送按鈕，播種機前往目標區塊工作?！緢D4略】

4 結論

大馬力精播機的田間無線調度系統采用數據融合方法，解決了地輪打滑導致的作業速度及測量精度下降的問題; 油耗管理設備的引入增強了機車管理的實效性，采用的是小功率合法頻段實現作業區機車調度，不會對其它無線設備造成干擾。在實現機車調度的同時，完成大田無線組網工程，開放的網絡為田間現代信息管理設備提供基礎網絡設施。

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