甘蔗葉打捆機遠程監測系統設計

莫德寬

(來賓市興賓區鳳凰鎮農業農村綜合服務中心，廣西 來賓 546102)

0 引言

秸稈資源被認為是繼石油、煤炭和天然氣之后的第四大能源，目前經過驗證可以在多個生產領域替代化石燃料，減少能源消耗與碳排放[1-4]。我國是農業生產大國，農作物種類較多，秸稈資源十分豐富，由于秸稈機械化輸送、打捆等水平較低，我國秸稈主要用于燃燒取暖，甚至在部分農業生產區域仍然存在秸稈田間焚燒的現象，造成了嚴重的環境污染[5]。

甘蔗葉可以直接還田作為有機肥，也可以經過加工制成優質畜牧飼料，但是對于甘蔗種植戶來說，由于甘蔗葉打捆機械化程度較低，農戶一般僅使用少量甘蔗葉用于畜禽養殖。廣西省柳州市環保產業協會明確提出，希望廣西省甘蔗葉實現減量化、資源化、無害化利用，相關農業生產部門希望把甘蔗葉制成沼氣、用于發電、在田地里漚肥還田等，但是由于機械化程度低，人工勞動強度大，導致甘蔗葉利用率較低。因此，降低甘蔗葉收集和運輸成本，是實現甘蔗葉綜合利用的重要條件[6-7]。

打捆機能夠實現甘蔗葉的高效收集與輸送，降低人工勞動強度，提高農業生產效率。但是當前打捆機在田間連續作業時，容易出現機器堵塞和吐料等問題，尤其是在農忙時節，打捆機需要進行長時間高強度的田間作業，機器負荷較大，更容易造成零部件發生故障，當某部件出現故障后，會影響整機的正常運行，造成延誤農時，嚴重時還會造成一定的農業經濟損失。

針對以上問題，本研究對甘蔗葉打捆機遠程監測系統進行研究與分析，為全面提升甘蔗葉打捆機智能化發展提供技術支撐，同時，對于全面提升打捆機工作效率具有重要意義。

1 遠程監測系統國內外研究現狀

遠程監測系統主要是通過在相關設備上安裝傳感器，對設備運行狀態進行檢測，控制系統和數據分析庫可以對設備狀態信息進行分析，進而判斷設備的運行狀態與故障診斷等。

目前，國內外對設備遠程監測技術進行了深入研究與應用。國外發達國家的設備遠程監測和故障診斷技術十分成熟，已經在市場進行了廣泛推廣與應用。如Trimble導航公司一直致力于高精度連續運行基準站GPS設備的研制工作。新技術的應用使Trimble的設備在世界范圍內廣泛應用于地震-板塊運動監測、沉降變形監測、精準氣象觀測等高精度應用領域，如Site Vision GPS技術已經廣泛應用到車輛狀態監控中，可以遠程監控每一輛車的運行狀態。美國斯坦福大學研發了開放式遠程監測系統與故障診斷中心，具有診斷服務管理、維修計劃管理等功能，實現故障遠程診斷的高效性和經濟性。

我國遠程監測系統和故障診斷技術也得到了快速發展與深入研究，如我國天遠公司研發的遠程監測裝置可以實現遠程車輛控制與車輛發動機狀態監測，后期逐漸發展為通過GPS和GPRS技術為主的設備遠程監測與故障診斷技術，但關于遠程實時監測與故障預測技術等方面研究較少。

2 整體結構與工作原理

2.1 總體結構

甘蔗葉打捆機主要由割臺、輸送系統、打捆室和電力輸送系統組成，整體結構如圖1所示[8]。

1.割臺;2.喂入機構;3.駕駛室;4.底盤機構;5.發動機;6.存儲倉;7.打捆成型室圖1 甘蔗葉打捆機結構示意圖

2.2 工作原理

在進行田間工作時，割臺中的割刀進行甘蔗葉的切割，并在扶持機構的引導下將甘蔗葉導入喂入機構，甘蔗葉在成捆室內擠壓、翻滾等實現甘蔗葉成捆。甘蔗葉打捆機的行走系統和傳輸系統動力主要由發動機提供，通過變速箱將動力合理分配至各個機構。

3 基于嵌入式監控系統的設計

為了實現甘蔗葉打捆機遠程監測與狀態評估，并根據運行狀態及時進行故障預測與診斷，需要對甘蔗葉打捆機的振動信號、輸入軸扭矩、電機轉速和液壓系統壓力組成進行設計。控制系統主要包括主控制平臺、信息采集模塊、數據處理和控制模塊。

3.1 主控制平臺

遠程監測系統主控制平臺主要是實現數據采集與輸送等主要功能，一般采用單片機作為數據處理中心，運行穩定且成本較低，原理圖如圖2所示。

圖2 主控制平臺終端結構原理圖

3.2 信息采集模塊

為了實現甘蔗葉打捆機各個系統的狀態監測，將不同類型的傳感器安裝在甘蔗葉打捆機的重要工作部位，由于部分結構距離較遠，因此不適宜采用導線連接與信息傳輸，布線難度較大，因此采用無線通信方式實現信息采集與傳輸。本研究選用ZigBee短距離無線通信技術，其工作原理與信息采集節點如圖3所示。

圖3 ZigBee短距離無線通信系統原理圖

3.3 信息輸送系統

信息傳輸系統采用GPRS無線輸送，實現甘蔗葉打捆機終端信息監測，能夠實現信息遠距離輸送，可以將甘蔗葉打捆機工作過程中各個系統的運行狀態進行儲存與輸送，客戶終端還可以通過向服務中心提出數據申請，隨時調用歷史數據。

3.4 人機交互界面設計

為了實現甘蔗葉打捆機遠程監測，對主界面進行設計，主要包括賬戶登錄、數據管理、導航定位、故障診斷和歷史數據共5個模塊如圖4所示。

圖4 人機交互界面主要功能模塊

4 結論與展望

4.1 結論

本研究基于目前國內外打捆機遠程監測與容錯控制技術，對甘蔗葉打捆機故障診斷和自適應控制等技術研發了甘蔗葉打捆機狀態監測系統，選擇嵌入式PLC作為控制終端和自適應控制中心，集成故障診斷、故障預測和數據處理等多種功能模塊。通過田間驗證表明，該系統能夠正常運行，滿足田間遠程控制的需求，并且可以適應較為復雜的工作環境。研究結果對于全面提升農機裝備的智能化水平提供技術參考與理論借鑒。

4.2 展望

雖然本研究對甘蔗葉打捆機遠程監控系統和容錯控制技術進行優化設計，取得了一定的進展，但是仍然存在一些問題有待進一步深入研究。

1)由于甘蔗葉輸送機構故障類型較多，部分故障影響較大，部分故障對整機運行影響較小，導致本研究提出的故障知識庫尚不完善，部分故障難以實現在線監測與遠程診斷，因此需要進一步積累故障類型與相關經驗，便于對甘蔗葉打捆機進行有效監測與故障診斷。

2)本研究提出的遠程監控系統如果要進行田間實際應用與發展，需要進一步完成監測系統數據庫的建立，并針對不同的故障類型對系統進一步改善。