基于嵌入式電子監控器的自動收割機開發

杜馳平

(河南省水利水電學校，河南 周口 466001)

0 引言

近年來，我國農業種植模式發生改變，農田開始向種植大戶集中，面積較大、地勢平坦的田塊數量增加。同時，農村的勞動力向城市轉移，農業生產的人力資源數量和質量都大幅下降。受此影響，以往的生產方式無法適應現代農業發展要求，面臨效率低下和成本高的問題。另一方面，農田連片集中、地勢平坦廣闊，為推廣農業機械提供了空間。機械化是農業現代化的一個主要內容，其作業效率高，可以快速完成農業操作，增強了農業生產抵御自然風險的能力。

我國農業機械化起步較晚，但發展迅速，針對主要糧食作物設計了多種類型和功能的生產機械，促進許多種植區域實現了全程機械化。但是，我國許多農業機械的適應性還沒有得到檢驗，新技術少、自動化水平不高的問題普遍存在，制約了進一步推廣應用的潛力。精準農業的目的在于推動農業生產的規模化和專業化，是現代農業新的發展方向。精準農業賦予農業機械不同的內容，要求升級技術，提高自動化水平[1]。農業機械自動化可以有效提高作業效率和質量，降低生產成本，符合農業可持續發展的要求。

收割是作物生產的最終環節，合適的收割時機對保證作物產量和品質起著決定性作用。過早收割會導致作物日產量損失，太晚又會增加各種不利因素帶來的風險；種植者必須把握最佳收割時機，且收割環節持續時間不宜過長。我國的許多作物都依靠農業機械進行收割，糧食作物由于種植面積大，收割時期集中，機械化收割的需求迫切。目前，收割機在糧食產區的普及程度較高，但整體技術相比國外較為落后，機械控制的自動化水平有待提高。

反映收割機運行狀況的作業參數有多種，包括行走速度、滾筒轉速、攪龍轉速和喂入量等。在作業過程中，受人工操作和工作條件的影響，實際參數與設定值或最佳值之間存在偏差：偏差值過大時，會導致作業效率降低，或者機械的負荷過高，引起零部件變形甚至損壞，影響正常作業[2]。目前，收割機的作業狀況監控大多由駕駛人員根據經驗進行觀察和控制，對操作能力要求較高，也增加了工作強度，且控制精確度無法保證。為此，專家設計了收割機的各種監控方法：袁文勝等利用壓力傳感器檢測喂入量，實時調節收割機行走速度，使其保持正常的運行負荷[3]；趙爽根據收割機滾筒轉速，通過模糊神經網絡調節行走速度，取得了理想的控制效果[4]。

隨著科學的進步，許多新型技術如單片機、嵌入式技術和PC機等都作為核心被應用在農業機械的監控上。單片機的功能過于簡單，以其為核心的監控系統擴展和升級難度大，運行穩定性也不理想。以PC機為核心的監控系統成本太高，同時冗余的功能多，影響了推廣范圍[5]。與這兩種技術相比，嵌入式技術的系統集成具有較為明顯的優勢。

嵌入式技術是在計算機基礎上建立的以應用為核心，具有可編輯軟硬件，且對功能、可靠性、體積和功耗嚴格要求的專業計算機電子信息系統[6]。嵌入式系統具有微型化、智能化和網絡化的特點，并兼顧了各項性能的平衡性，使用壽命長，發展前景廣闊[7]。嵌入式技術的應用范圍覆蓋國民經濟和生活的許多領域，對各種機械和設施運行狀況的監控是嵌入式的一個重要功能。嵌入式與機械的整合主要集中在工程機械和農業機械上，工程機械包括裝載機、掘進機和挖掘機等[8-10]。

在農業機械上，賈全忠提出了一種基于嵌入式開發平臺的農業機械設備監控調度系統，實現了對農業機械設備的信息收集和檢測調度[11]。張微微等和錢坤等都設計了基于嵌入式云計算平臺的采棉機監控系統，可以對采棉機的作業位置和狀態數據進行實時采集[12-13]。張建軍等提出了基于WSN和嵌入式的收割機智能監測優化方法，結果表明具有實際應用的可行性[14]。此外，嵌入式技術還應用在糧庫和溫室的監控系統構建中，并體現出明顯的效果[15-16]。本文基于嵌入式技術，設計了一個收割機的電子監控系統，用于對收割機作業參數和狀況進行監控，以降低收割機的故障率，提高自動化水平。

1 系統組成和原理

收割機電子監控系統以嵌入式微處理器為核心，由收割機的蓄電池提供電源。監控終端設備安裝在各個作業部件上，采集收割機運行的參數信息，通過連接器傳輸給微處理器。微處理上連接嵌入顯示屏、控制面板、時鐘復位電路和存儲器。其中，顯示屏用于實時數據顯示，控制面板用于設置運行參數，時鐘復位電路用于保持系統穩定性，存儲器用于存儲監控的信息。系統的應用程序和操作軟件安裝在存儲器中，系統的組成如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統以微處理器為核心，加上嵌入式的硬件設備和嵌入式軟件操作程序，安裝在收割機械上。微處理器為STM32F103VCT6型主控制芯片，具有32位Cortex-M3內核。該型芯片具有48kB的RAM，256K的FLASH腳本，處理速度和存儲空間性能都較好，相對其10元左右的價格，體現出較高的性價比。另外，該芯片可適應多種通信模式，與其它模塊之間建立通信及優化設計都極為方便。

監控設備包括1個安裝在收割機輸送器入口地板處的TJP-1型壓力傳感器，將壓力轉換為電信號從而測定喂入量；3個HAL41F型霍爾元件，分別安裝在收割機的滾筒、攪龍和地輪上，檢測各部件轉動形成脈沖信號，從而獲得部件的轉速和機械行走速度；監控部件通過TLC1543CN型轉換器與微處理器連接。

圖1 系統的組成部分

電子監控系統使用3.5V的電壓，以收割機12V的蓄電池作為電源。采用德州儀器TPS7A4700型低壓差線穩壓器，在輸入電壓12V時的最小輸出電壓為3V，最大輸出電壓為36V，最大電流為1A，可以滿足系統的要求。微處理器外接S1D13506型顯示屏用于數據的顯示，采用分辨率500×800的TFT液晶屏，顯著提高了屏幕效果。參數設定設備為JZ-9型矩形控制面板，為方便收割機駕駛人員使用，優化了按鍵和電路的設計，增加編碼功能使操作人員可以根據各自的習慣對按鍵進行設定。微處理器上還連接北京宏空HK-CRAM型存儲器進行信息和分析結果的保存，以及706R型時鐘復位電路。

系統采用CAN總線的通信方式，抗干擾能力強，可以支持多條線路的有效連接，適合在復雜的自然環境條件下工作。通信線路采用RS232的串口，系統根據設備的數量，裝備2個電源，2個CAN總線和3個RS232串口。為方便用戶根據實際需求嵌入新的功能，系統預留一定數量的連接端口。

3 軟件和算法

目前，嵌入式系統的操作系統主要有面向控制及通信的實時操作系統和面向電子消費的非實時操作系統，種類包括Vxwork、WindowsCE、Embedded和Linux等。其中，WindowsCE為32位的實時操作軟件，具有較強的功能，且適合硬件內存和體積小的系統，因此在研究中采用。監控系統的操作程序為模塊化設計，能夠根據用戶需求進行裁剪，將其內核增加到4M即可實現圖像處理功能。程序基于API函數設計，便于開發升級，以增加監控的信息種類。

收割機的部件繁多，結構復雜，作業過程中會產生大量的信息數據，導致嵌入式系統的核心芯片負荷較重。微處理器既要接受監控設備獲取的運行狀況信息，又要對龐大的數據進行計算，并輸出控制信號。針對這一問題，本研究采用分布式結構的系統軟件設計，分攤核心芯片的運行負荷，出現故障的嵌入式設備能被其它部件及時替代，從而提高系統的可靠性。

對收割機運行數據采用自適應加權融合算法，以檢測作業負荷，即在保證總方差最小的前提下，通過自適應方法計算最優加權因子，獲得融合后的測量值。為應對多傳感器的情況，嵌入式系統須要學習該算法，再引入控制收割機參數的程序，最終實現對收割機喂入量、滾筒轉速、攪龍轉速和行駛速度合理性的判斷。系統軟件的監控過程如圖2所示。

圖2 系統軟件的監控過程

4 系統測試

本研究中將嵌入式電子監控系統安裝在稻麥類收割機上進行測試。收割機為久保田4LZ-2.5型全喂入式履帶收割機，適用于水稻、小麥和油菜等作物的收割作業。收割機的額定功率50kW，工作幅寬2m，喂入量2.5kg。測試的作物為水稻和小麥，分別以1.1、1.4、1.7m/s的速度行駛，完成5hm2作物的收割。測試過程中啟動電子監控器采集收割機作業狀況，為駕駛人員提供參考，最后記錄收割機的作業效率和故障率。

測試的結果如表1所示。整個過程中監控系統運行穩定，在其輔助操作下，收割機的故障率極低，僅有的幾次故障都是由滾筒堵塞造成。收割機作業過程順利流暢，作業效率隨著行駛速度的增加而穩步提高，取得了良好的應用效果。

表1 監控系統的田間測試

5 結論

基于嵌入式技術，設計了收割機的電子監控系統，用于對收割機作業參數和狀況進行監控。系統以嵌入式微處理器為核心，由監控終端設備、嵌入式顯示屏、控制面板、復位電路和存儲器等部件組成。系統安裝在收割機上對水稻和小麥進行收割試驗，整個過程中系統運行穩定。在其輔助操作下，收割機的故障率極低，作業過程順利流暢，作業效率隨著行駛速度的增加而穩步提高。系統應用效果良好，可以降低收割機的故障率，提高自動化水平。