履帶式收割機遠程狀態監測系統智能終端的研究

張曉云

(綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000)

?

履帶式收割機遠程狀態監測系統智能終端的研究

張曉云

(綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000)

農業機械設備在實際的生產應用中，常常存在信息管理不集中、設備利用率低及設備維修不及時等問題。為此，以履帶式收割機為研究對象，提出了一種基于STM32的履帶式收割機遠程狀態監測系統智能終端，采用嵌入式智控平臺、GPS、GSM以及CAN總線技術，實現遠程對履帶式收割機地理信息、工作信息、清洗夾帶損失、機械故障，以及預防突發性障礙的監測和預警。試驗表明：該系統終端可以實現對履帶式聯合收割機實時工作狀態和潛在故障信息的準確采集與判斷，對實現收割機的地理信息、主動維護和預防突發性故障的發生具有重要的參考價值。

履帶式收割機；智能監測；CAN總線；STM32

0 引言

隨著工業化、城鎮化發展步伐的加快，給農業發展帶來較大的需求空間。近年來，我國經濟實力不斷增強，國家對農村、農業的投入支持力度將不斷加大。20世紀以后，機械、電子等科學技術進步及其應用越來越廣泛，為農業發展提供了強大的技術支撐。在這個時代背景下，履帶式收割機獲得快速發展，聯合收割機機械和電子控制系統比較復雜、作業環境差、工作負荷大，容易引起其工作不穩定、故障率高。為此，各種收割機工作狀態和故障監測系統應運而生，人們提出了“數字農業”的思想，綜合了現代信息技術和農業機械等幾大學科，應用了智能決策、GPS、GSM、CAN總線及自動控制理論技術。本文將“數字農業”的思想應用于履帶式聯合收割機，通過各個檢測模塊和智能監測終端，實時對收割機運行狀態及機身各部件進行檢測和預警，使聯合收割機在作業過程中具有最高的效率。

1 履帶式收割機遠程監測系統的設計

履帶式收割機遠程狀態智能監測系統主要依托GIS系統、GSM數字公眾通訊網絡、嵌入式智能終端及GPS系統等高科技，可以準確判斷和預警收割機是否偏離正常狀態，檢測其運行情況，防止突發性障礙的發生。同時，該系統可以實時跟蹤收割機的作業情況，提供有效的作業里程、油耗等數據的統計分析，并可提供收割機歷史行走軌跡的檢索和回放。

聯合收割機遠程狀態智能監測系統的整體結構如圖1所示。工作原理：利用車載嵌入式智能終端，收集聯合收割機的GPS信息、GIS信息及特征狀態信息，通過STM32控制器處理并經由GSM數字公眾通訊網絡傳回至檢測控制中心，數據再次處理后存入主服務器；同時可根據定位系統在地圖上實時標出目標收割機的位置和移動軌跡。為方便廠商和用戶使用，主服務器的信息可以WEB的形式公布到互聯網上，讓授權人員對聯合收割機進行實時狀態檢測和預警，預防突發性故障的發生。

圖1 聯合收割機遠程狀態監測系統的整體結構

聯合收割機遠程狀態監測系統智能終端可以安裝在移動的收割機上，將收割機的GPS信息、GIS信息及特征狀態信息傳回至主服務器，方便公司技術人員隨時了解在全國投入使用機器的運行狀態和地理位置，判斷收割機工作性能，方便售后人員主動維修和服務,以達到提高效率、節約成本的目的，做到移動資產的安全生產管理和運行。智能終端的設計主要包括需求分析、系統結構、硬軟件設計、整機調試和仿真試驗等階段，其流程圖如圖2所示。

圖2 智能終端的設計流程圖

2 履帶式收割機智能終端的需求分析

根據履帶式收割機遠程狀態設計智能監測終端系統，首先需要對該智能監測終端系統進行需求性分析，根據收割機各項狀態參數的技術指標，確定智能監測終端的最終需求方案。

履帶式收割機是依靠履帶移動的聯合收割機，屬于大型收割裝備，廣泛應用于各種農作物的收割現場；與輪式收割機相比，履帶式收割機在松軟的田間行走方面，對農田土壤壓力較小。履帶式收割機由HST液壓無極變速控制系統、割臺、脫粒裝置、分離裝置、清洗裝置、行走系統、底盤系統及電氣系統等部件組成。

履帶式聯合收割機在作業過程中，一定會產生力和能量等參數的傳遞與變化，這些狀態的變化反應了履帶式收割機的工作狀態。對一臺收割機而言，有很多特征信息可以判斷機運行器狀態，這些信息主要包括直接信息和間接信息兩類。

1)直接信息：如履帶式收割機各個零部件的磨損程度和老化狀況，這些變化極易使收割機產生故障，但收割機在出售使用后，就很難獲取各部件使用狀況的信息，所以在檢測中不能將其作為狀態特征參數。

2)間接信息：如履帶式收割機的喂入量、作業生產率、發動機的轉速及液壓系統的中壓力與溫度等，這些數據信息都間接地反應了收割機工作能力的變化，在收割機作業過程中可根據這些信息對收割機進行檢測和預警，是比較有用的狀態特征信息。

在收割機工作中，某些故障的發生可能導致一些物理量的變化，但能夠直接用于判斷機器故障的狀態信息應該有以下特點。

1)可靠性：某些特定參數會隨著收割機的工作狀態發生變化，而且這些特性的參數應該和收割機的工作情況之間呈單值關系，不能出現模糊的關系。

2)敏感性：該特征參數必須在收割機工作狀態有細微變化時產生較大的變化，能夠最大程度地映射出收割機客觀狀態。

3)實用性：選定的特征參數容易采集和分析。

根據收割機日常使用情況及對特征信息的仔細分析，本系統主要選用工況信號、壓力信號、溫度信號及轉速信號為檢測的特征參數。

智能終端系統設計的需求有功能性和非功能性兩種：功能性需求主要是數據采集和信息無線傳輸的功能；非功能性需求則主要是智能終端的性能、功耗及成本等方面。

遠程狀態智能監測終端是收割機上的車載裝置，主要任務是采集和檢測收割機工作狀態信息，并由智能控制系統對數據信息進行有效處理，然后將數據以無限傳輸的方式傳送給監測控制中心的主服務器。遠程狀態智能監測終端的主要功能如下：CAN總線數據采集、GPS定位、自動開關機、數據無線傳輸及時間標簽。

遠程狀態智能監測終端工作環境在收割機機體內，工作環境比較惡劣，因此需要有高標準的技術參數，主要包括工作電壓、工作環境溫度、GPS精度及軟硬件的可靠性等。

3 收割機遠程狀態智能終端的硬軟件設計

收割機遠程狀態智能終端包括硬件和軟件兩部分的設計：硬件包括STM32核心處理器及外圍檢測和控制設備；軟件包括各類傳感器檢測信息及智能控制模塊信息的采集和處理、多參數的計算及顯示等。其中，檢測信息包括履帶式收割機的喂入量、作業生產率、發動機的轉速，以及液壓系統的中壓力與溫度等。

3.1 智能監測終端的硬件設計

智能檢測終端的硬件系統主要包括STM32處理器、電源管理模塊、GPS模塊、GSM模塊、雙CAN總線模塊、時鐘模塊、JIAG調試模塊及參數采集存儲模塊等，其框架圖如圖3所示。

圖3 智能監測終端的硬件框架圖

1)雙CAN總線的設計。CAN總線作為整個智能終端控制和通訊的中心，采用TMS32內部的雙路控制模塊。雙CAN總線的設計為CAN收發器提供物理總線接口。一般情況下，會采用兩個高速光耦實現CAN網絡電氣上的隔離。由于這種設計方法體積大、成本較高，因此采用自帶隔離的CAN收發模塊。

2)數據接收和發送模塊。數據接收和發送系統采用GSM和GPS系統，利用GSM數字公眾通訊網絡和GPS全球定位系統實現檢測信號的接收發送，GSM采用西門子公司的TC35為核心模塊，經過RS232與STM32相接，可以將數據信息發送到主服務器上。GSM模塊的工作框架圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊的工作框架圖

3)自斷電電路的設計。為了檢測和控制履帶式收割機的開機時間，方便關機時刻數據的傳輸，本智能終端采取了自動斷電的設計，其原理如圖5所示。當收割機啟動開關閉合時，控制繼電器處于常閉狀態，電流可直接給智能終端供電，在收割機開機的同時開始工作；當收割機關閉電源時，收割機整機關機，智能終端實時監測到變化，控制繼電器動作，此時智能終端改由蓄電池供電，帶智能終端發送完狀態信息后，再次控制繼電器動作，智能終端自動斷電。

圖5 智能終端自斷電原理圖

3.2 智能監測終端的軟件設計

智能檢測終端系統上電開機后，進行初始化，然后進入main函數，啟動BIOS，交由BIOS控制。智能監測終端軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 智能監測終端軟件設計流程圖

圖6中，HWI_cana和HWI_canb是對總線信息進行采集的，一旦CAN總線上有數據信號出現，就會引起中斷，并觸發SWI_cana和SWI_canb軟中斷。HWI_clk是通訊時鐘信息，負責整合GPS、GIS和收割機工作狀態的數據信息，數據整合后再激活TSK_send，將數據通過GPRS網絡發送至服務器。該網絡協議在數據發送期間不影響其他數據的采集。

4 收割機遠程狀態智能終端仿真試驗分析

為了測試智能終端硬軟件的兼容性，在研究過程中利用CCS集成軟件進行開發，并對智能終端系統進行硬軟件模擬仿真。該仿真平臺設備主要包括Seed XDS USB硬件仿真器、CAN mini接口、2臺帶GPRS數據接收功能的電腦、1臺裝有ZLGCANTest軟件的電腦以及智能終端等。仿真平臺框架圖如圖7所示。

通過仿真平臺的反復調試和改進，智能終端達到設計方案的目標，網絡組態系統工作穩定，硬件運行正常，軟件執行順暢，整個系統可靠性強。

經過調試和改進后，智能終端的設計基本結束，為驗證其實際效果，于2015年10月進行了一次試驗，試驗地點位于綿陽游仙區。試驗中，對幾臺聯合收割機的工作狀態進行有效監測，并將狀態信息傳送回位于武漢的服務器上，服務器上可以通過智能終端實時對收割機進行監控。設備SGJ2511-TEST工作狀態檢測如圖8所示。

圖7 智能終端仿真平臺框架圖

圖8 設備SGJ2511-TEST工作狀態檢測圖

開機時，智能終端將進行自檢，檢測收割機核心工作部件是否正常，并將實時采集處理的信息發送至監測中心的服務器。智能終端將接收的信息通過系統界面實時顯示出來，根據收割機發動機速度、喂入量及液壓系統的溫度和壓力判斷機器發動機、割臺裝置、液壓控制系統是否有故障或者潛在故障，并將數據保存在服務器上固定的路徑上，方便技術人員查找。試驗表明:雙CAN總線通訊正常，采集參數準確，可以實現對收割機的定位。通過檢測機器喂入量、作業生產率、發動機的轉速、液壓系統的中壓力與溫度等信號，能夠實時了解收割機工作狀態和潛在故障，對主動維護和預防突發性故障有重要意義。

5 結語

提出了一種基于STM32的履帶式收割機遠程狀態監測系統智能終端的設計方案，采用嵌入式智控平臺、GPS、GSM及CAN總線技術，可以實現對聯合收割機的遠程檢測和預警。仿真與試驗結果表明：該系統可以實時完成與服務器信息的共享，能夠提前對收割機的潛在故障進行預警，并能通過服務器的跟蹤檢測，集中調度收割機的作業區域，提高聯合收割機的工作效率，為實現聯合收割機綜合監測控制系統提供了重要的參考價值。

[1] 江波.洞庭湖區水稻聯合收割機械的選型與優化配置研究[D].長沙:湖南農業大學,2006.

[2] 楊海濱.大型履帶式起重機遠程狀態監測系統智能終端的設計與實現[D].上海:上海交通大學,2008.

[3] 劉艷嬌.基于嵌入式Linux的無線視頻監控系統設計與實現[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[4] 趙建波.聯合收割機負荷反饋智能控制系統的研究[D].鎮江:江蘇大學,2009.

[5] 黃治根.聯合收割機負荷反饋系統多信號處理方法的研究[D].鎮江:江蘇大學,2010.

[6] 種衍林.嵌入式無線視頻監控系統設計與實現[D].濟南:山東大學,2010.

[7] 白楊.施工升降機運行狀態遠程監控終端設計與研究[D].南京:南京理工大學,2014.

[8] 董宇.家居智能用電裝置設計與實現[D].杭州:浙江大學,2013.

[9] 湯碧翔.基于ARM9嵌入式系統的聯合收割機負荷反饋控制系統的研究[D].鎮江:江蘇大學,2009.

[10] 王敏.基于無線網絡技術的智能家居系統設計與基本實現[D].成都:電子科技大學,2009.

[11] 梁學修.聯合收割機自動監測系統研究[D].北京:中國農業機械化科學研究院,2013.

[12] 劉華,陳衛靈,鄒詩洋,等.南方水稻收獲機械應用現狀與發展趨勢[J]. 現代農業裝備,2014(1):37-40.

[13] 崔奮強.小麥聯合收割機的總體結構與作業方式設計[J]. 黑龍江科技信息,2014(16):117.

[14] 陳進,寧小波,李耀明,等.聯合收獲機前進速度的模型參考模糊自適應控制系統[J]. 農業機械學報,2014(10):87-91,86.

[15] 鄧中亮,智艷霞.基于MSP430的可便攜車載GPS智能終端的設計[J].物流技術,2007(3):87-89.

[16] 謝蓓.基于CAN總線的聯合收割機工作狀態智能化監測系統的研究[D].南京:南京農業大學,2011.

[17] 王海彬,李光林.小型收割機作業信息監測系統研制[J].農機化研究,2013,35(11):88-91.

[18] 涂廣.基于無線局域網的電網環境監測系統開發和研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

[19] 陳進,顧文龍,李耀明.聯合收獲機智能控制試驗臺設計與試驗[J].農業機械學報,2011(S1):78-81.

[20] 王靜,張倩,朱曉言,等.基于CAN總線的聯合收割機脫粒滾筒測控系統研究[J]. 農機化研究,2012,34(1):71-75.

[21] 黃榮濂.模糊神經網絡在聯合收割機脫粒滾筒角速度控制中的應用[D]. 長春:吉林大學,2007.

[22] 王子健.基于FPGA FIFO處理的多路CAN總線高速通信設計[J].計算機測量與控制,2015(2):558- 560.

[23] 耿連才.汽車遠程監測與故障診斷系統研究與測試[D].長春:吉林大學,2014.

Research on the Intelligent Terminal of the Remote Monitoring System of the Crawler Harvester

Zhang Xiaoyun

(Mianyang Vocational and Technical College (Mianyang Polytechnic), Mianyang 621000, China)

With the social and economic level of a large increase, China's various industries have made great progress and development. As an important strategy to improve farmers' income and promote agricultural modernization, agricultural mechanization has been developed very rapidly in recent years, but it also has a shortage in the process of wide application. Agricultural machinery and equipment in the actual production and application, often there is a problem of information management is not concentrated, low equipment utilization and equipment maintenance is not timely and other issues. In this paper, the research object of this paper is to study the remote monitoring system of the crawler harvester based on STM32. The intelligent terminal adopts embedded intelligent control platform, GPS, GSM and CAN bus technology to realize remote monitoring and early warning of geographic information, job information, washing and entrainment loss, mechanical failure and Prevention of sudden obstacles. The experiment shows that the system can realize the accurate collection and judgment of the real-time working state and potential failure information of the crawler type combine harvester, which has important reference value for the realization of the information, the active maintenance and the prevention of the sudden failure of the harvester.

crawler harvester; intelligent monitoring; CAN bus; STM32

2015-12-16

四川省自然科學基金項目(2015SC1552)

張曉云(1968-)，女，四川眉山人，副教授，碩士，(E-mail)1318747794@qq.com。

S225;TP274

A

1003-188X(2017)02-0176-05