大马力精播机的田间无线调度系统设计

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大马力精播机的田间无线调度系统设计

引言

目前，全国大中型农场已基本实现农业机械化。以黑龙江垦区为例，垦区现有 9 个农场管理

局、113 个国有农牧场，农业机械总动力近 600 万kW ，拥有农用大中型拖拉机 4 ．5 万台、大

中型配套农具 11 万台、机动水稻插秧机 6 万台多、谷物联合收获机械 1 万台多、农用飞机 52

架，已率先实现了机械化作业。随着机械化程度的提高，农机作业范围越来越大，农机作业信

息反馈实时性差，不能满足机收的组织者和参与者对信息快捷、准确、详细掌握的要求。目

前，国内缺少有效的农机调度手段，不仅降低了农机作业的工作效率和作业质量，也造成了农

机的不合理配置，导致了资源的严重浪费，给农机作业的进一步发展带来困难。田间作业机群

无线调度系统能够更为科学、合理地调配田间作业机械，使得作业机械不再是单兵作战，而成

为科学合理的团队力量，可及时采取调度措施，采用精简、高效的协作方式，避免机械较大故

障、轮空、休息的情况发生。采用作业机群无线调度系统后，田间作业机械上配备的信息采集

控制器可动态地采集生产信息，迅速、及时地将信息传送到调度中心，为及时、正确的决策提

供可靠数据，亦可为农机管理部门提供农田作业的准确信息，为未来的集约化农业生产提供一

个良好的示范作用。

1 硬件构成

田间作业机无线调度硬件系统以大马力精播机为研究对象，以作业机工作状态监测为重点内

容，主要包括播种装置种肥监测、动力设备状态监测、播种机播种面积及作业速度监测。其可

在实现本机作业参数监控的同时，利用无线网络技术实时传输作业参数，上位监控机调度决策

软件对拖拉机作业进行远程监控与管理调度。系统结构图如图 1 所示。【图1】

种肥监测传感器组为 14 路种肥防堵传感器，监测排种与排肥质量; 发动机转速传感器监测发动

机工作状态; GPS 定位传感器、转速传感器监测为计算播种面积及播种量而设置; 油耗传感器为

油耗管理提供基础; 采集控制器采集各类经信号调理的传感器信息，通过即插即拔的SDI 接口

与核心控制器联机，实现机车作业状态监测、显示的同时，通过无线通信装置，传输给远程控

制中心的调度管理系统进行系统管理。系统为扩展方便，各接口模块均设为即插即用的 SDI－

12 接口类型。

1 ．1 播种装置种肥监测

精播机的种肥监测包括播种量与施肥量监测及导种管、导肥管堵塞状态监测，通过转速传感器

测量排种盘和排肥轴转动角度。间接计算获得排种量与排肥量。采用 Allegro 公司的ATS665

实现转轴转速测量，它是高精度的齿轮边沿传感器，体积小，可以不受安装空间的限制。链轮

的每个齿通过传感器的表面时，ATS665 对应产生 1 个电脉冲，脉冲数量与转速之间存在线性

关系，计量对应脉冲信号的数量，就可以得到轴转动的角度。

对于排种盘吸孔数为 32 而言，播种量与转轴角度的关系为【1】

其中，z 为链轮齿数; n 为ATS665 测得脉冲; N 为播种株数。排肥量与转轴转速之间关系为

【2】

其中，n1 为排肥轴链轮转动产生的脉冲数; z1 为排肥轴的链轮齿数; N1 为施肥量; a 为排肥轴转

动1 周单个排肥管的排肥量。采用光电阵列方式，对 7 行种箱14 路导管监测，获取种肥堵塞

信息。应用半值角小的光电元件( 即EL－1KL5 发光二极管和 ST－1KL3A 光敏三极管) 3 对并

列安装的光电阵列方法，实现堵塞测量，避免光电元件之间的相互干扰和漏检的发生。

光电阵列传感器的控制器与 ATS665 的控制器均采用表贴的AT89C2051。ATS665 输出的频率

信号由 4 脚( OUT 端) 进入MCU1 的P3 ．4，采样控制器对频率信号进行处理、计算，获得转

轴转速信息与种肥信息。

采样控制器输出设计为SDI－12 接口，与主控制器相连。光电阵列进入MCU2 的P1 ．

7、P1 ．6、P1 ．5 引脚进行采样，判断导种管与肥管的堵塞状态，并将之通过 SDI－12 接口

传送给主控制器。

1 ．2 作业速度与作业面积测量

为提高系统测量精度，采用双轮监测法测量作业速度，进而计算机车行走距离; 将作业幅宽乘

以行进距离，计算作业面积。采用多传感器融合技术( 即作业速度采用光电编码器) 与GPS 联

合测量。光电编码器测量驱动轮转速与地轮转速。机车行驶过程中，存在地轮空转、驱动轮与

地轮打滑现象。单一测量地轮与驱动轮不能精确获得机车速度，与 GPS 定位传感器联合测

量，采用多传感器融合方法，可获得精准作业的速度与位置信息。设置数据融合控制器，光电

编码器将地轮/驱动轮角位移转换为电脉冲，进入单片机控制器统计脉冲个数，初步获得机车

行驶速度。

GPS 信号以定位为主，采样频率为 1s ，田间机车行驶速度 3 ～11km/h( 约0 ．83 ～3 ．05m/s)

，通过测量地轮/ 驱动轮转动周数，得到机车速度。对 GPS 速度信息与两个光电编码器获得的

地轮与驱动轮转速进行数据融合，进而获得机车作业速度。

在没有打滑与空转发生时，联合 GPS 测量值，获得精准机车速度。地轮与驱动轮打滑情况下

机车作业速度为 0; 地轮空转情况下，即使作业机前行，但作业为无效作业，短时间空转不做

处理，只需存储打滑时间，从而计算作业质量。长时间空转则需报警，在有打滑或空转发生

时，判断空转与打滑是机车作业速度精准测量的关键。2BJM－7 型驱动轮与地轮的转速比为周

长比，考虑测量误差，约为 4: 1，小于此值的转速比认为有地轮空转发生; 在3s 时间内 GPS 数

据无变化，同时 ATS665 传感器有测量值，则认为地轮或驱动轮在打滑。3 个传感器采用串并

联数据融合结构进行表决，传感器输出与一个融合逻辑器相连，该融合逻辑器事先结合了各传

感器的先验知识。表决算法基于布尔代数，GPS 传感器信任级别最高，驱动轮转速传感器次

之，地轮转速传感器最低，如表1 所示。【表 1】

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标签： #设计 #系统设计

摘要：

大马力精播机的田间无线调度系统设计引言目前，全国大中型农场已基本实现农业机械化。以黑龙江垦区为例，垦区现有9个农场管理局、113个国有农牧场，农业机械总动力近600万kW，拥有农用大中型拖拉机4．5万台、大中型配套农具11万台、机动水稻插秧机6万台多、谷物联合收获机械1万台多、农用飞机52架，已率先实现了机械化作业。随着机械化程度的提高，农机作业范围越来越大，农机作业信息反馈实时性差，不能满足机收的组织者和参与者对信息快捷、准确、详细掌握的要求。目前，国内缺少有效的农机调度手段，不仅降低了农机作业的工作效率和作业质量，也造成了农机的不合理配置，导致了资源的严重浪费，给农机作业的进一步发展带来困...

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