赫 磊 ， 李紀鑫

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

農(nóng)機智能感知平臺的設(shè)計，首先需要對其進行信息數(shù)據(jù)采集，分析農(nóng)機設(shè)備在運行過程中，多個傳感器與硬件設(shè)備構(gòu)建的集成模式，并探究農(nóng)機設(shè)備的車況信息、采收環(huán)境以及存儲功能，同時也要深入探究農(nóng)機自動化的關(guān)鍵技術(shù)，針對其實際功能進行深入探索，保證農(nóng)機智能感知平臺的精準度。此外，還需要對智能感知平臺進行更深一步的研發(fā)，設(shè)立單獨的智能感知平臺，實現(xiàn)對全部信息的收集展示，同時也需要對傳感器的選擇進行深入探索，以此保障農(nóng)機智能感知平臺的質(zhì)量。

1 多傳感器數(shù)據(jù)集成與可視化

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，也是對農(nóng)機設(shè)備、車況信息、環(huán)境信息以及時空信息掌握的根本，要想實現(xiàn)農(nóng)機設(shè)備智能化，就應(yīng)當實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與可視化。農(nóng)機設(shè)備的信息采集表現(xiàn)出多元化特點，信息主要以網(wǎng)絡(luò)等形式進行傳送，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，PC端繼承USB口、網(wǎng)口等多個端口，支持各種形式的數(shù)據(jù)傳輸，進而實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)集成的載體，支持數(shù)據(jù)信息的集成與處理。

1.1.1 車況信息

一般情況下，農(nóng)機設(shè)備需要在高溫以及灰塵多的環(huán)境中進行作業(yè)，設(shè)備很容易受到環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)故障，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響農(nóng)機設(shè)備的實際工作效率，如果不能夠及時檢測出傳感器作業(yè)過程中的故障，則會直接影響傳感器的實際工作效率。通過對傳感器信息的實時監(jiān)控，能夠及時掌握農(nóng)機設(shè)備的運行狀態(tài)，進而提高農(nóng)機作業(yè)效率[1]。

1.1.2 環(huán)境信息

大部分農(nóng)機設(shè)備為大型農(nóng)業(yè)機械，駕駛員在駕駛過程中很容易出現(xiàn)視角盲區(qū)，無法了解實際儲量情況以及農(nóng)產(chǎn)品采凈情況等環(huán)境信息。網(wǎng)絡(luò)攝像頭是結(jié)合傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所生成的新型攝像機，除了具備傳統(tǒng)攝像機的圖像捕捉功能以外，在攝像頭內(nèi)部還安裝了數(shù)字壓縮控制器，可實現(xiàn)數(shù)字化操作等。網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集數(shù)據(jù)信息，并加密壓縮，可以通過局域網(wǎng)或無線網(wǎng)將其送至終端用戶，直接對其進行觀看。網(wǎng)絡(luò)攝像頭對客戶端性能并沒有較高要求，只需在客戶端上安裝瀏覽器，通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址，即可實現(xiàn)訪問網(wǎng)絡(luò)攝像頭，不僅能夠?qū)崟r掌握目標現(xiàn)場情況，同時也能夠存儲監(jiān)控圖像，進而有效控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭的云臺或鏡頭，實現(xiàn)全方位實時監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)攝像頭在區(qū)域監(jiān)控、遠程監(jiān)控中，都已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

1.1.3 時空信息

農(nóng)機設(shè)備在應(yīng)用過程中，在信息輔助以及空間信息的價值下能夠擁有更高的應(yīng)用價值?？臻g位置與農(nóng)機設(shè)備運行狀態(tài)之間有著密切關(guān)聯(lián)，通過二者的結(jié)合，能夠及時提取出設(shè)備的軌跡，進而將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)畝數(shù)高清地推算出來。將時間信息與設(shè)備運行狀態(tài)相融合，可以對機械設(shè)備的運行狀況進行全方位判斷，同時也能夠在故障發(fā)生時及時掌握設(shè)備的實際運行參數(shù)，進而推算出設(shè)備的故障因素。GPS系統(tǒng)在農(nóng)機設(shè)備中的應(yīng)用較為常見，通過GPS系統(tǒng)能夠自動獲取其位置信息，然后將其傳送至PC端[2]。常用的GPS模式大多數(shù)為NMES-0183協(xié)議，此協(xié)議是由美國國家海洋電子協(xié)會制定的標準。在協(xié)議的支持下，GPS模塊所輸出的信息由二進制字符轉(zhuǎn)換為16進制，隨后通過對字符串的檢索，找出GPS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息。

1.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)是對設(shè)備功能分析的基礎(chǔ)，如果農(nóng)機設(shè)備的各項參數(shù)只是用來展示，則會難以發(fā)揮出數(shù)據(jù)的價值，而在數(shù)據(jù)的輔助下能夠掌握整體設(shè)備的實際運行狀態(tài)，使二者之間能夠擁有更高的關(guān)聯(lián)性。在完成對車況、環(huán)境等信息的采集后，可以選擇相關(guān)技術(shù)，設(shè)計合理的表結(jié)構(gòu)，有效存儲各項信息，進而使得物體傳播與信息價值得以全面體現(xiàn)，為農(nóng)機設(shè)備質(zhì)量及車況等功能完善、自動化水平的提高奠定良好基礎(chǔ)。

1.2.1 選擇數(shù)據(jù)庫

如果農(nóng)機設(shè)備長期處于運行狀態(tài)，則會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，要想實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速整理、檢索與分析，務(wù)必要與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相結(jié)合。比如Access這一數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)就十分適合農(nóng)機設(shè)備的使用。此系統(tǒng)由微軟公司發(fā)布，屬于Microsoft Office系統(tǒng)方程式之一，具有用戶操作圖形化的特點，同時此數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也能夠支持開發(fā)數(shù)據(jù)庫互聯(lián)，利用其強大的動態(tài)數(shù)據(jù)交換能力、對象連接和嵌入特性，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)表格中填入Excel表格、Word文檔、聲音等數(shù)據(jù)類型?？偠灾珹ccess能夠作為平臺的數(shù)據(jù)庫，對農(nóng)機設(shè)備數(shù)據(jù)進行存儲與分析。

1.2.2 設(shè)計表結(jié)構(gòu)

農(nóng)機設(shè)備的各項信息包括車況信息、故障信息、位置信息以及時間信息等，結(jié)合數(shù)據(jù)信息、警報信息、車況信息以及故障信息等，進行數(shù)據(jù)存儲，通過表結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)對數(shù)據(jù)量的降低，使得數(shù)據(jù)不再復(fù)雜。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲

農(nóng)機設(shè)備的作業(yè)過程屬于一項較為持續(xù)的過程，每一個時間節(jié)點信息都進行存儲，不僅會使得數(shù)據(jù)過于冗余，也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以儲存，使得設(shè)備的處理效果難以得到保障，設(shè)備的穩(wěn)定性難以得到保障。農(nóng)機設(shè)備屬于大型農(nóng)機，在作業(yè)過程中很容易導(dǎo)致作業(yè)速度較為緩慢，這時可以對其軌跡點進行分析，使其符合數(shù)據(jù)存儲的標準，進而保障數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低數(shù)據(jù)存儲量[3]。

1.3 數(shù)據(jù)可視化

通過合理的數(shù)據(jù)可視化解決方法，能夠為用戶提供更為便捷的信息傳達服務(wù)，傳統(tǒng)農(nóng)機數(shù)據(jù)能夠展現(xiàn)出不同硬件儀器與儀表信息，或者通過工業(yè)虛擬儀器展示出實際數(shù)據(jù)，此種圖形化表達形式能夠?qū)⑿畔蚀_地傳達給用戶，并得到了廣泛關(guān)注。但此類傳統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，難以實現(xiàn)視頻信息的多元化集成。隨著計算機技術(shù)與嵌入技術(shù)的完善，PC端數(shù)據(jù)集成功能更加靈活，且數(shù)據(jù)處理能力與人機交互功能更加全面，使其能夠在模擬傳統(tǒng)儀表的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對信息的多元化展示。

1.3.1 虛擬儀器數(shù)據(jù)

虛擬的儀器、儀表能夠為農(nóng)機設(shè)備駕駛?cè)藛T提供直觀的數(shù)據(jù)支持，在Windows的顯示下，能夠?qū)⒅羔樀膬x表盤作為底圖，而后使用透明數(shù)值指針進行疊加，建立完整的豎直支撐旋轉(zhuǎn)角度，或抬升其高度[4]。在微軟封裝的圖形設(shè)備接口中，畫面能夠按照指針圖像進行旋轉(zhuǎn)，在虛擬的儀器表中展示出來。

1.3.2 可視化界面

農(nóng)機設(shè)備狀態(tài)信息顯示界面，完全模擬機械儀表盤或顯示屏的顯示方式，以儀表盤圖像為主，將Panel作為背景頭像，并疊加透明指針，模擬出虛擬的儀表[5]。通過對平臺界面的總體設(shè)計，方便使用者對其進行觀測，通過綜合考慮用戶的負擔以及用戶界面的應(yīng)用和服務(wù)行為，將農(nóng)機設(shè)備的行駛速度放置在界面左上角，并單獨顯示；而對于負載敏感泵以及馬達等壓力數(shù)據(jù)，則可放置在界面上方，使用統(tǒng)一圓形壓力對其進行排序；液壓油溫度應(yīng)放置在界面的中上方，使用方形溫度虛擬儀進行單獨展示；4路攝像頭應(yīng)當統(tǒng)一放置在界面右下方，并逐一按照數(shù)據(jù)進行集中顯示。

1.3.3 多線程數(shù)據(jù)更新

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、解析、控制等多個階段需要互相分離，而攝像頭與GPS的啟動時間較長，PC端難以檢測出零件設(shè)備的故障，如果采用單一線程進行數(shù)據(jù)處理，則會導(dǎo)致界面出現(xiàn)卡頓或者信息接收延時。多線程主要是指在軟件或硬件上通過多個線程并發(fā)執(zhí)行。PC端如果具備多線程能力，能夠在同一時間內(nèi)執(zhí)行多個處理流程，使得處理效率明顯提升。而在同一進程內(nèi)，所有線程能夠?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存，使得線程在通信過程中不再需要特殊的數(shù)據(jù)傳送機制，也不需要對其建立共享或存儲機制，進而實現(xiàn)不同線程的協(xié)調(diào)操作與數(shù)據(jù)交互，而數(shù)據(jù)資源分配等多項問題也更易于被解決[4]。

2 農(nóng)機智能感知平臺設(shè)計主要元件

2.1 控制系統(tǒng)的核心控制器

行駛控制系統(tǒng)需要對電機進行閉環(huán)控制以及較為復(fù)雜的運算，因此選擇PIC18F87J10更適合系統(tǒng)的需求，但操作管理系統(tǒng)難以有效控制，其運算能力要求不高，因此應(yīng)當選擇性能更弱的PIC16F884。行駛控制系統(tǒng)大面積的主要作用是分析處理采集到的信號，掌握智能農(nóng)機運行的實際狀態(tài)，驅(qū)動電機發(fā)送指令，控制其進行工作。同時，控制器能夠識別各項操作指令，判斷當前操作下需要如何進行后續(xù)操作，當控制系統(tǒng)發(fā)出錯誤指令時，系統(tǒng)則會自動屏蔽錯誤的轉(zhuǎn)向或控制，以最合理的方式進行自動駕駛，進而使其最快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

2.2 無線遙控終端模塊選型

為了增強智能農(nóng)機的無線遙控功能，使其遙控終端效果得到控制，而工作人員也能夠?qū)崿F(xiàn)對控制面板的有效控制，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，多功能智能農(nóng)機的接收裝置在接到命令之后會對其命令進行還原，然后傳達給控制器，使得各元件開始工作，智能農(nóng)機能夠按照無線終端的需求高效地開展作業(yè)。

2.2.1 電源

遙控終端是智能農(nóng)機在輸入控制系統(tǒng)指令時的主要設(shè)備，工作人員需要通過使用遙控控制面板，實現(xiàn)對智能農(nóng)機的有效控制，在多功能智能系統(tǒng)的應(yīng)用下，使得接收器在接收命令后能夠?qū)⑵鋫鬟_給控制器，實現(xiàn)合理設(shè)計電源模塊，保障元件的正常運行。在對電源進行選型時，要綜合考慮遙控終端每一元件的實際功率，使得電源容量以及電池的安全性得到保障，而在選擇電池時也應(yīng)當優(yōu)先選擇適應(yīng)性更強的鋰離子電池[7]。

2.2.2 緊急停止按鈕

智能農(nóng)機運行過程中應(yīng)用緊急停止按鈕的主要作用是控制其工作狀態(tài)，如果設(shè)備出現(xiàn)異常，能夠及時停止，屬于緊急制動裝置[8]。其中，A02ES型緊急停止按鈕應(yīng)用于智能農(nóng)機設(shè)備之中，能夠有效保障作業(yè)的可靠性。

2.3 測速傳感器選型

在農(nóng)機設(shè)備作業(yè)過程中，主控器未調(diào)控其電機的轉(zhuǎn)速信號，通過對信號的采集與接收和控制終端的信號進行對比，實現(xiàn)對電動機的全面控制。測速傳感器的主要作用是將信號作為主要數(shù)據(jù)類型，表達物體的速度，這時需要確保測速傳感器能夠準確測量出其實際速度，并且抗干擾性強，將其安裝到智能農(nóng)機設(shè)備的兩側(cè)履帶上，靠近開關(guān)且不與機械接觸。當物體接觸到感應(yīng)面時，不需要在機械接觸或施加壓力的情況下，使開關(guān)動作保持穩(wěn)定狀態(tài)，主要設(shè)備選擇海龍翼電器的LN12型電感式傳感器開關(guān)[9]。

2.4 轉(zhuǎn)角位置傳感器選型

為了有效減輕對單片機產(chǎn)生的負擔，提高單片機的運行效率，可以綜合考慮溫度、角度等多項因素，在LCD顯示屏上放置另一塊單片機。PIC6F884具備人機界面功能，實現(xiàn)與操作者之間互換數(shù)據(jù)。角度傳感器是智能農(nóng)機作業(yè)過程中轉(zhuǎn)向時獲取信息的主要部件，轉(zhuǎn)角位置傳感器在農(nóng)機設(shè)備中具有重要作用，與汽車中的方向盤功能相似，既能夠感知駕駛者對角度的控制，同時也是重要的信息輸入口[6]。在測量位移和角度時，傳統(tǒng)的電位計式位置傳感器結(jié)果過于簡單，價格較為低廉，很容易受到高溫環(huán)境與振動等因素的影響。除此之外，電位計式位置傳感器及其工作原理較為局限，使得大信號電流難以處理[10]。非接觸感應(yīng)式傳感器的工作原理更加先進，能夠有效克服電位計式位置傳感器的問題，可靠性強。而此類傳感器的輸出方式主要為模擬式與數(shù)字式，為了方便實現(xiàn)對信號的采集，一般采用模擬式輸入方式。

3 結(jié)束語

綜上所述，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機械自動化水平有待提升，為了實現(xiàn)農(nóng)機自動化水平的有效提升，應(yīng)積極研發(fā)多傳感器集成的智能感知平臺，進而實現(xiàn)農(nóng)機設(shè)備的全信息監(jiān)控，增強其分析能力。與此同時，也要借助智能輔助設(shè)備，不斷提高農(nóng)機設(shè)備的智能化水平，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。此外，在設(shè)計農(nóng)機設(shè)備時要積極應(yīng)用計算機技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等多項技術(shù)，增強智能感知設(shè)備的功能，提高其自動化水平。