太陽能農機發動機監測系統設計—基于智慧農業物聯網信息采集

楊玉霞，湯金金

(濟源職業技術學院 機電工程系，河南 濟源 459000)

0 引言

目前，我國農業正處于轉型期，由小規模的種植方式向大規模種植方式發展是主流方向，隨之帶來的是作業方式的轉變，如何對大規模作業實現高效化和信息化的管理是當前一個急需解決的問題。對于環境和作業狀態的監控，國內目前還大部分采用傳統的人工手段，不僅監控效率低，而且不利于大規模作業。物聯網可以利用局部網絡和互聯網進行通信，可以將農機、傳感器和人員等聯系在一起，形成人與物和物與物的信息化管理，以便于遠程控制。但是，由于農田作業環境的限制，加上傳感器節點耗能大等問題影響了監控系統的整體性能，而采用太陽能為傳感節點供電，可以有效地解決監測系統的功耗問題，對于提高監測系統的整體性能具有重要的意義。

1 農機發動機信息采集

采用太陽能發電作為農機發動機監測系統的能量來源，將會有效地降低能量損耗，提高監測系統的整體性能。在使用太陽能發電發動機監測系統時，為了對太陽能電池和發動機運行狀態進行監測，在基站較少的農田區域，需要架設WSN無線傳感網絡。一個基本的WSN網絡如圖1所示。

圖1 基本WSN通信網絡框架Fig.1 The basic WSN communication network framework

發動機監測系統通過ZigBee無線通信的方式采集發動機的轉速和噪聲的信息，然后通過數據處理和融合，利用自組織通信網絡，將數據以多跳的方式接收和發送，最后在用戶監控中心顯示數據，管理人員利用反饋數據可以實現遠程作業和管理。

在圖2所示的監測系統中，監測的主要項目包括太陽能發電和發動機的一些數據，數據的接收采用事件驅動的方式循環讀??；讀取后的數據通過數據解析后，計算光伏電池的功率，判斷光伏電池工作狀態；同時，對發動機允許的狀態數據進行分析，判斷發動機的運行狀態，做到及時預警，并將數據存儲到數據庫，可供后續查閱。

2 農機發動機監控系統

由于農機的作業條件較差，而發動機監測系統的傳感器節點在進行監測時，傳感器會消耗較大的能量，對監測系統的性能影響較大。如果采用太陽能發電，不僅可以有效節省能源，還可以從整體上提高監控系統的性能。太陽能電池發電的原理是基于PN結，將吸收的太陽能轉換成電能。在實際工作時，照射到太陽能電池上的光線一部分被吸收，另一部分被反射。在吸收光子時，半導體中原子的價電子會被激活，在P區和N區都會產生光電子，使P帶正電，N帶負電，從而產生電動勢，如圖3所示。

圖2 基于太陽能發電的發動機監測系統框架Fig.2 The engine monitoring system framework based on solar power

圖3 光伏電池PN結結構Fig.3 The PN junction of photovoltaic cell

當PN結結構受到光照時，在電極上下會產生電勢差，如果將正極和負極相連接，便會產生直流電。將多個PN結串聯在一起，可以封裝成電池組，這些電池組具有不同的功率，將這些組件按照發動機監測系統用電的需求，形成太陽能電池陣列，可以滿足監測系統的供電。圖4為太陽能電池的基本單元。在線性電路中，當外部電路的負載同電池內阻相同時可以得到最大的輸出功率，雖然太陽能電池功率輸出具有一定的非線性，但在較短時間內可以認為是線性的，因此在外部環境影響下，太陽能輸出功率具有一定的特性，如圖5所示。

圖4 太陽能電池單元模型Fig.4 The solar cell model

圖5 光伏陣列輸出特性Fig.5 The PV array output features

圖5中：在不同的光強度下，曲線1和曲線2輸出的特性是不同的，其中A和C分別是光伏電池輸出的最大功率點。在光強度發生變化的情況下，裝置輸出特性由曲線1降低到曲線2，但是電池內阻是不變的，這時需要調整電池的內阻，使其可以輸出最大功率。而電池的內阻和太陽能電池的表面溫度也有關系，可通過調整溫度，使太陽能電池發揮最大功效。光伏電池板數據存儲如表1所示。

表1 光伏電池板數據存儲

根據農機發動機監測系統的需求，進行儲存的數據主要是從串口讀取的，存儲數據類型較為單一，不需要設計E-R圖或者其他的物理模型等，發動機監測數據的存儲表如表2所示。

表2 發動機監測數據存儲

串口通信是比較簡單的通信方式，可以直接發送和接收字節，還可以通過一端發送一端接收的通信方式，實現遠距離通信。在進行發動機監測數據的傳輸時，需要使發送端和接收到端遵循一定的協議，針對發動機監測系統串口通信的特點，指定規則如表3所示。

表3 太陽能電池板編號和存儲

太陽能電池編號和存儲能力都用單塊板數據格式的形式，即看成是單個節點，假設投入的電池板數為6塊，則數據的發送格式如表4所示。

表4 數據發送格式

如表4所示：6塊太陽能電池板的數據在前邊，發動機監測數據在后邊，其通信規則是28字節×6+10字節+10字節+6字節。在進行WSN通信時，可以根據這個規則對數據包首先進行封存，發送給接收端，接收端可以按照通信協議，分段讀取這些數據。

3 農機發動機監測系統太陽能發電和WSN通信測試

根據上部分的通信規則，在農機發動機上安裝了基于WSN的信息采集系統，通過傳感器對發動機的溫度、轉速和噪聲進行采集，傳感器節點采用太陽能供電，如圖6所示。

圖6 農機園林試驗作業Fig.6 The experimental work of agricultural garden

為了使太陽能電池發揮最好的功效，選擇了天氣情況的氣候條件，并且在比較開闊的園林里對一款園林修剪機械進行試驗測試，通過對20℃時光伏太陽能電池的測試得到了如圖7所示的電流電壓特性曲線。

圖7 太陽能I-U測試曲線Fig.7 The solar I-U test curve

由測試結果可以看出：其I-U特性曲線和太陽能正常工作時的曲線趨勢相吻合，對其P-U特性繼續測試，得到了如圖8所示的結果。從特性曲線圖對比可以得知：太陽能電池存在最大功率值，這個數值除了和環境因素有關之外，還與太陽能表面的溫度有關。因此，在實際使用時，也需要同時兼顧太陽能電池的表面溫度。

對發動機狀態監測系統進行了測試，得到了如表5所示的測試結果。

測試結果表明：在太陽能供電情況下，監測系統可以保持良好的通信功能，且通信效率和準確率都較高，從而驗證了監測系統的可靠性。

圖8 太陽能P-U測試曲線Fig.8 The solar P-U test curve表5 多發動機狀態監測表Table 5 The state monitor of multi engine

4 結論

為了解決農機發動機監測傳感器的節點能耗問題，基于無線傳感網絡技術，設計了一種基于太陽能發電的無線監測系統，可以實現多臺農機和太陽能電池的實時監測。根據太陽能電池的輸出特性，設計了太陽能電流、電壓和溫度的傳感器節點，從而最終監測太陽能光伏電池的最大功率點，根據發動機的工作狀態特性，設計了發動機轉速、溫度和噪聲的傳感器節點，實現了發動機工作狀態的遠程監測。最后，分別對光伏電池輸出特性和發動機工作狀態進行了監測試驗。測試結果表明：監測系統可以有效輸出電池的發電特性曲線，可以監測到發動機轉速、溫度和噪聲的正常與異常情況，從而驗證了系統的可靠性。

參考文獻：

[1] 劉傳玉,郭強.論現代農業的發展趨勢[J].江蘇農業科學,2014,42(4): 436-438.

[2] 呂鑫,王忠.ZigBee無線數據傳輸模塊的設計與實現[J].安徽師范大學學報:自然科學版,2010,33( 4): 332-335.

[3] 尹嘉鵬,徐志祥.針對少實時任務應用的嵌入式Linux改進[J].計算機工程,2013,39(10): 49-52.

[4] 楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設計與參數整定方法綜述[J].化工自動化及儀表,2005,32(5): 1-7.

[5] 王建峰,黃國策,康巧燕.4G移動通信系統及其與3G系統的比較研究[J].西安郵電學院學報,2006,11(5): 13-17,27.

[6] 郭勇,黃巍巍,王偉朋.基于以太環網的污水處理系統設計與應用[J].儀表技術與傳感器,2013(5):60-61, 69.

[7] 王英輝,周鳳星.基于B/S模式的鋼企自動化管理系統的設計與應用[J].制造業自動化,2013,35(19):72- 75.

[8] 王德斌.交流伺服進給系統及其數學模型的研究[J].機械制造與自動化,2006,35(1) :86-88.

[9] 胡春花.控制系統中高階系統的簡化[J].陜西理工學院學報：自然科學版,2007,23(1) :84-86.

[10] 任兵,任小洪,李國志.基于PSO算法優化BP神經網絡的數控機床熱補償[J].機床與液壓,2013,41(3): 59-61.

[11] 胡偉,徐福緣.基于改進粒子群算法的PID控制器參數自整定[J].計算機應用研究,2012,29(5):1791- 1794.

[12] 徐雄偉,王平,徐世武.無線傳感器網絡同步算法的研究與探討[J].單片機與嵌入式系統應用,2012,12(3): 8-11.

[13] 司海飛,楊忠,王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程,2011,28(1):16-20.

[14] 薛明,高德民.無線傳感器網絡最大生命期聚合樹路由算法[J].傳感器與微系統,2014,33(1):130-133.

[15] 崔素輝,陳光亭,李茹雪.三維無線傳感器網絡的中繼器放置問題[J].杭州電子科技大學學報,2010,30(2): 81-84.

[16] 張艷維.無線傳感器網絡中位置受限的中繼器放置問題[D].杭州：杭州電子科技大學,2013:35-40.

[17] 張二鵬,馬锃宏,耿長興,等.溫室懸掛噴施機跨壟作業控制系統設計[J].中國農業大學學報，2013,18(6): 170-174.

[18] 馬锃宏,李南,李濤,等.缽體苗帶式供苗移栽機的設計與試驗[J].中國農業大學學報，2015,20(3):216-222.

[19] 張春龍,黃小龍,劉衛東,等.苗間鋤草機器人信息獲取方法的研宄[J].農業工程學報,2012,28(9):142- 146.

[20] 胡煉,羅錫文,曾山,等.基于機器視覺的株間機械除草裝置的作物識別與定位方法[J].農業工程學報, 2013,29(10):12-18.

[21] 朱鳳武,于豐華,鄒麗娜,等.農業機器人研究現狀及發展趨勢[J].農業工程，2013,3(6):10-13.

[22] 吳巖,杜立宇,高明和,等.農業面源污染現狀及其防治措施[J].農業環境與發展，2011(1):64-67.

[23] 王海青,姬長英,顧寶興,等.基于機器視覺和支持向量機的溫室黃瓜識別[J].農業機械學報,2012,43(3): 163-167.

[24] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業機器人識別與定位[J].農業機械學報,2012,43(12): 165-170.

[25] 魏澤鼎,賈俊國,王占永.基于視覺傳感器的棉花果實定位方法[J].農機化研究,2012,34(6):66-68,112.

[26] 高春城.我國農業發展的資源環境問題與展望[J].當代生態農業,2013,3(4):151-154.

[27] 萬寶瑞.當前我國農業發展的趨勢與建議[J].農業經濟問題,2014,4(1):110-114.

[28] 徐茂,鄧蓉.國內外設施農業發展比較[J].北京農學院學報,2014,29(2):75-79.

[29] 趙其國.當前我國農業發展中存在的深層次問題及對策[J].生態環境學報,2013,22(6):911-915.