拖拉機耕整地作業質量檢測裝置及其應用

土壤耕整地作業作為農業生產不可或缺的關鍵環節，其作業質量的高低直接關聯到農作物的最終產量。然而，當前國內在評估耕整地作業質量方面的方法比較單一，相關參數的監測與評估體系沒有實現高效集成化。拖拉機耕整地作業質量檢測裝置選用多維度高精度傳感器，利用數據采集與處理系統，基于多通道無線傳輸技術，能夠將拖拉機耕整地作業相關技術指標進行采集、存儲和運算，從而快速精準測得耕整地作業質量指標和拖拉機田間作業不同工況的相關數據，為耕整地作業質量和拖拉機作業載荷設計提供了有效的技術支撐。

1 拖拉機耕整地作業現狀分析

農業領域的耕整地機具可以對土壤進行松、整、翻耕作業，打破犁底層，把下部堅實的土壤與上部熟土層進行分層置換，厭氧生物在疏松的土層中與氧氣充分結合，增加土壤的耕層深度，提升土壤的通透性，提高耕作土壤的微量元素含量，使耕層厚實疏松，加大土壤顆粒之間的孔隙度，有利于作物種子發芽和根系生長。同時，形成的松軟海綿體土質吸收了天然雨水，提高了土地蓄水保墑和抵御干旱的能力。此外，翻耕作業可以清除殘茬雜草，掩埋土壤表面的病蟲菌害，發酵生成生物質有機肥料。將作物秸稈粉碎后和土壤進行充分融合，有利于秸稈殘茬快速腐爛和土質改良優化，提高土壤自然肥力。耕整地作業環節中的耕深一致性、碎土率、平整度、滅茬率等關鍵指標直接影響后續的農業生產。提高耕整地作業質量，可以有效地提高種子發芽率和出苗率，保障農業穩產高產，促進單產提升。

國內目前檢測拖拉機耕整地作業質量的方法還比較單一，大部分還停留在人工測量階段，且缺乏對拖拉機的相關作業參數如牽引力、油耗率、作業速度、輪胎滑轉率、發動機轉速等的測量手段。但田間作業工況十分復雜多變，相關的作業參數也在不斷變化，如何將各種參數進行同時測量和分析，對于耕整地作業質量的判斷和拖拉機作業載荷的采集顯得尤為重要。本文所述的拖拉機耕整地作業質量檢測裝置能夠為拖拉機田間作業的參數進行測量，得到牽引力、油耗、作業速度、輪胎滑轉率、耕深、發動機轉速、耕深穩定性等作業指標并且能夠實時上傳至顯示終端，隨時監控作業質量，并且能掌握在不同的耕作條件下拖拉機的動力性能，為拖拉機的整體設計及底盤的可靠性提供數據支撐和參考。同時，該裝置可以作為檢測、監控耕整地作業質量的有效技術手段，為高標準農田建設、鄉村振興提供技術支撐，為糧食增產豐收助力。

2 拖拉機耕整地作業質量檢測裝置的構成和原理

拖拉機耕整地作業質量檢測裝置由硬件部分和軟件控制部分組成，硬件部分由測量主體單元（傳感器）、數據采集處理器、數據發射終端、數據接收終端、顯示終端（筆記本電腦）、連接數據線等組成，軟件控制部分由測量控制軟件、數據庫等組成，頁面主要包含實時數據標簽、串口原始數據標簽、參數標定標簽、試驗信息標簽、歷史與導出頁面，實時數據標簽主要包含串口掃描、實時參數和試驗按鈕等。

2.1 硬件部分

硬件部分由測量主體單元（傳感器）和數據采集部分組成。傳感器包括速度傳感器、轉速傳感器、銷軸傳感器、角度傳感器、油耗傳感器、溫濕度傳感器等，利用各自的原理和算法，分別測量機組作業速度、輪胎滑轉率、牽引力、耕深、油耗量、環境參數等。通過傳感器，將各種參數轉化為電子信號，從而傳輸到數據采集部分進行數據分析處理。數據采集處理部分包括數據采集處理器、數據發射終端、數據接收終端、顯示終端、連接數據線等。通過該部分，可以對數據進行解析、加密、打包發送、測控和存儲等。

2.2 軟件部分

檢測裝置的軟件系統由兩部分組成。一個運行于下位機的數據采集及預處理軟件，采用C語言，通過嵌入式軟件開發系統實現；另一個是運行于數據終端的上位機軟件，采用C#語言開發實現。數據采集處理器的核心部件（MCU）采用STM32單片機，同時內置了檢測功能所需的CAN總線、12Bits A/D轉換、外部中斷、I/O、USART、定時器等功能單元。上位機軟件，也就是用戶操作界面，運行于Windows平臺，采用C#語言開發，主要負責接收、拆包數據采集處理器通過Lora模塊傳輸的各種傳感器信息（速度、牽引力A/D值、油耗脈沖數等），并在此原始數據的基礎上，計算、生成用戶感興趣的檢測數據（距離、牽引力、牽引功率、單位時間油耗等）；實現用戶交互界面，用于開始、結束各種檢測以及其他相關輔助功能，如參數設置、傳感器標定等；保存、匯總檢測數據，實現檢測相關的其他輔助功能，如查詢、生成表格、打印等功能。

3 拖拉機耕整地作業質量檢測裝置的應用

3.1 拖拉機犁耕作業性能實測

以濰坊市濰城區軍埠口鎮測量結果為例，測試時間為2023年10月，測量對象為P2404-7V型輪式拖拉機配備1LFT-550型液壓翻轉犁進行犁耕作業，測量方法依據NY/T 742-2003《鏵式犁作業質量》、T/CAMA 14.3-2020《農業機械作業載荷檢測技術規范 第3部分：輪式拖拉機（組）》。測區長度選擇30m直線距離，前后均留有20m穩定區，發動機標定轉速為2200r/min，標定功率為177kW，試驗區土壤類型為壤土，前茬作物為玉米，農藝規定耕深為（25～30）cm，工作幅寬為2.5m。拖拉機以犁耕作業模式工作，工作速度范圍為（8～12）km/h，整個試驗過程選用農機作業經驗豐富的駕駛員。

試驗過程中傳感器工作均正常，沒有出現測量數據異常現象；無線數據處理裝置工作正常，數據傳輸無中斷、卡頓、丟失數據等情況；無線傳輸距離在1000m內傳輸穩定，無異常狀況；測控系統各操作界面均顯示正常，能夠快捷轉換和實時操控，試驗結果（見表1）。

3.2 實測試驗結果分析

通過表1發現，該檢測裝置在耕深、速度、油耗、輪胎滑轉率、牽引力等主要測試指標上，測量準確可靠，無異常狀況。生成的測試報告準確，數據無異常。測試人員通過人工測量方式對耕深進行了測量，得到耕深平均值為28.5mm，與檢測裝置自動測得的28.1mm偏差值在2%范圍內；通過拖拉機OBD故障檢測接口讀取ECU數據，油耗量數值與傳感器測量值在1%范圍內。測試數據表明，拖拉機耕整地作業質量檢測裝置性能穩定可靠，測量數據精確，數據傳輸穩定，操控界面清晰方便，達到產品設計和檢驗標準的要求。

3.3 拖拉機底盤設計驗證

目前拖拉機底盤設計都是先以理論設計為主，然后再進行組裝生產，然后投入田間驗證或者實驗室模擬驗證，這樣的方式一旦出現了設計偏差或者基礎數據不足，比如土質變化、耕作深度不同導致的土壤比阻不同，就會出現較多的缺陷從而導致批量事故的發生。田間作業的基礎數據是最直觀、最切合實際的數據，是在實驗室任何加載工況下都無法完全模擬和再現的。目前針對拖拉機田間作業的載荷測量大多采用應變片方式，即在拖拉機驅動輪軸上安裝應變膜片，去測量拖拉機在實際田間作業時的驅動力矩。這種測量模式較為準確，但是設備價格昂貴，安裝復雜，測試周期較長，導致田間作業實際載荷譜建立的建立較為困難。拖拉機耕整地作業質量檢測裝置通過測量耕整地作業機組在不同作業地點、不同作業環境、不同作業方式、不同耕深條件下的牽引力，從而建立起可以參照的數學模型和數據庫，通過大量的整機試驗驗證，與拖拉機理論設計相關數值進行鏈接和對照，可以進行逆向反饋。牽引力通過相應計算，可以和驅動軸力矩建立起數學關系，且有輪胎滑轉率這個重要指標進行實時對照，測量數據更加全面，能夠為拖拉機底盤的實驗室驗證提供更有利的數據支撐。

4 結論

拖拉機耕整地作業質量檢測裝置在實際廣泛應用中，可以有效準確的測量拖拉機田間耕整地作業的基本性能參數和作業質量指標，大大減輕了檢測人員的勞動強度，提高了準確性。并且能夠同時對多參數同時進行測量，建立數學模型后進行分析，對于拖拉機整體的設計有很大的參考價值。通過不同的作業情況數據分析，能夠得到在不同的耕整地作業環境下，拖拉機的工作效率、作業經濟性等是否在最優化狀態。對我國現階段大馬力農業機械的快速發展有重要推動作用。

4.1 提升農業機械鑒定和檢驗水平

本檢測裝置能夠對農業機械的關鍵指標進行快速摸底排查，提高了行業對農業機械尤其是大馬力農業機械的檢測檢驗效率，推動了農業機械的迭代速度，解決了困擾農機試驗檢測周期長、檢測指標多、難操作的問題，促進了我國現階段農機發展“一大一小”規劃中的大農機普遍應用，耕種時間被大大縮短，提高了農機作業速度和質量，節約了勞動力和人力成本，解決了人力不足的問題，提高了農業生產的效率。

4.2 為農機制造行業提供技術支撐

本檢測裝置通過田間作業數據測量的方式，能夠在不同環境、不同工況進行數據檢測，從而建立完備的田間作業指標的載荷數據庫。田間作業載荷數據庫建立后，能夠反向作用于實驗室階段的論證，從而更加科學的指導產品設計、開發和試驗驗證，縮短周期，提質增效。

4.3 為農機化主管部門提供裝備支撐

農機作業補貼是農業補貼的一項主要手段，而且農機購置補貼也越來越傾向于作業補貼。本檢測裝置可以進行數據實時上傳至后臺，可以隨時進行耕整地作業質量的監控。通過預設程序，可以在拖拉機進行耕整地作業時，隨時對工作姿態如直線度、耕深、作業速度等進行反饋、報警提示，從而及時對耕整地作業進行調整和優化，確保土地耕整地質量的有效提升。