王濤，溫浩軍，劉洋，王士國，董云成

（1新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2石河子大學(xué)，新疆 石河子 832000）

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化程度逐年提升，農(nóng)機燃油消耗量不斷增加，目前已成為農(nóng)機作業(yè)的主要成本之一。國家出臺農(nóng)機燃油補貼政策，以提高農(nóng)民購置和使用農(nóng)業(yè)機械的積極性。對農(nóng)機作業(yè)過程中的燃油消耗量實施精準(zhǔn)測量，是提高農(nóng)機作業(yè)服務(wù)水平，保證作業(yè)油耗有效監(jiān)管，落實農(nóng)機燃油補貼政策的關(guān)鍵。

莊衛(wèi)東等[1]使用GIS和GPS技術(shù)對農(nóng)機作業(yè)實時記錄，能對農(nóng)機作業(yè)進(jìn)行調(diào)度導(dǎo)航和信息化管理，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量；彭波等[2]采用GPS、GSM技術(shù)以短信息的方式實現(xiàn)對農(nóng)場農(nóng)機合理調(diào)度；關(guān)學(xué)忠等[3]設(shè)計基于STC單片機的鉆井燃油流量和燃油罐液位自動監(jiān)測系統(tǒng)；王慧平等[4]實現(xiàn)基于ArcGIS Server的農(nóng)機遠(yuǎn)程監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)。這些研究雖然在農(nóng)機作業(yè)過程起到重要的指導(dǎo)作用，但在大型農(nóng)場及農(nóng)機專業(yè)合作社中，農(nóng)機的作業(yè)方式主要是農(nóng)機集群作業(yè)和跨區(qū)作業(yè)，農(nóng)業(yè)機械數(shù)量多、作業(yè)分散，在柴油的使用上無法全面有效進(jìn)行監(jiān)管，限制了農(nóng)機高效監(jiān)控調(diào)度的能力。

本文針對農(nóng)機作業(yè)過程中燃油量難以實時監(jiān)控的實際情況，設(shè)計并開發(fā)農(nóng)機燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，采用GNSS、4G、超聲波探頭等技術(shù)設(shè)計農(nóng)機燃油監(jiān)測終端，并應(yīng)用三位重構(gòu)技術(shù)建模不規(guī)則燃油箱，實現(xiàn)對農(nóng)機加油時間、加油地點、加油量、剩余油量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過精準(zhǔn)測量農(nóng)機作業(yè)過程的燃油消耗量，實現(xiàn)油耗遠(yuǎn)程智能監(jiān)測，對提高我國農(nóng)業(yè)機械智能化水平，提升農(nóng)業(yè)機械集群作業(yè)的管理水平都具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)機燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由監(jiān)測終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和農(nóng)機監(jiān)控中心3部分組成。監(jiān)測終端主要功能是：利用GPS定位模塊，實時、準(zhǔn)確獲取農(nóng)機位置、速度、時間、航向等農(nóng)業(yè)機械作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過油位監(jiān)測模塊完成油量數(shù)據(jù)實時、準(zhǔn)確測量和顯示；監(jiān)測終端將農(nóng)機位置和油量信息按自定義協(xié)議打包以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心包括服務(wù)器和客戶端，用于農(nóng)機油位數(shù)據(jù)管理、實時監(jiān)控等。用戶通過登錄系統(tǒng)網(wǎng)址就可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、油量信息管理及統(tǒng)計分析。

圖1 監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of the supervisory system

2 硬件設(shè)計

依據(jù)油位測量傳感器的特性及農(nóng)機燃油監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，農(nóng)機燃油監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Hardware structure diagram of monitoring terminal

油位監(jiān)測模塊采用超聲波測量油位的方式，并通過溫度傳感器監(jiān)測農(nóng)機油箱的實時環(huán)境溫度，為超聲波油位傳感器提供傳播介質(zhì)環(huán)境溫度補償校正；GPS定位模塊實時獲取作業(yè)過程中農(nóng)機的作業(yè)位置、作業(yè)時間、作業(yè)速度等信息，為農(nóng)機加油點和異常油量變化提供位置定位；GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，將經(jīng)監(jiān)測終端微處理器處理后的燃油油量、GPS定位數(shù)據(jù)，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)管中心的通信服務(wù)器端；蜂鳴器報警系統(tǒng)在監(jiān)測終端出現(xiàn)GPS無定位、GPRS無法正常傳輸數(shù)據(jù)和傳感器無法正常工作等故障時，蜂鳴器發(fā)出報警；數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)在GPRS無信號的情況下，為避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，將當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，在GPRS信號正常的情況下，將保存數(shù)據(jù)正常傳輸至服務(wù)器；顯示模塊顯示經(jīng)處理后的燃油量數(shù)據(jù)。

2.1 監(jiān)測終端主控制模塊

監(jiān)測終端以STM32F407VGT6單片機為主控制器，包含輸入輸出（I/O）擴展及硬件時鐘電路。STM32F407VGT6單片 機 采用ARM Cortex-M4為 內(nèi)核的微處理器，Cortex-M4處理器采用擴展的單周期乘法累加（MAC）指令、優(yōu)化的SIMD運算、飽和運算指令和一個可選的單精度浮點單元（FPU），主頻為168MHz，提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率，完全可以滿足拖拉機燃油監(jiān)測系統(tǒng)的需要。主控制器最小系統(tǒng)如下圖3所示。

圖3 主控模塊最小系統(tǒng)原理圖Figure 3 Schematic diagram of the minimum system of the main control module

2.2 超聲波發(fā)射和接收電路

油位監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。采用超聲波油位監(jiān)測傳感器，對油箱的油位變化進(jìn)行實時的監(jiān)測；利用溫度傳感器監(jiān)測農(nóng)機油箱實時環(huán)境溫度，旨在為超聲波在介質(zhì)中傳播提供環(huán)境溫度補償校正。

圖4 油位監(jiān)測模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 4 Oil level monitoring module system structure block diagram

超聲波油位傳感器利用“脈沖-回波測距”原理測量油位高度。由超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收回波。測出從超聲波發(fā)出脈沖串至接收到回波信號的傳輸時間，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳輸速度是不變的，所以根據(jù)時間和聲速，就可算出測量距離。因此，當(dāng)置于容器底部的換能器向油面發(fā)射短促的聲脈沖時，經(jīng)過t時間，換能器便可接收到從油面反射回來的回波聲脈沖，設(shè)換能器發(fā)射面到液面的距離為h，聲波燃油中的傳播速度為v，則存在如下關(guān)系：

而實際測得距離：

式中，Tt＝nus，為機器周期；t為定時器的計數(shù)個數(shù)。

從公式看影響測距的兩個主要因素為超聲波的速度和計數(shù)值。超聲波的聲速隨溫度變化而變化，由此產(chǎn)生的誤差較大，必須進(jìn)行修正。目前對溫度的修正主要依靠修正系數(shù)來進(jìn)行溫度補償，溫度為t時，被測媒質(zhì)的聲速溫度關(guān)系系數(shù)為：

式中，v0為0℃時的聲速值；b為被測媒質(zhì)的聲速溫度系數(shù)。

超聲波換能器激發(fā)的超聲波信號，經(jīng)過油面的反射后，經(jīng)過超聲波換能器的接收，重新轉(zhuǎn)換為電信號，由于傳輸過程的能量損耗，接收信號一般為毫伏級的弱電信號，同時，信號在傳輸過程中受到噪聲影響，接收信號會產(chǎn)生雜波，需要經(jīng)過放大和濾波才能獲得比較理想的波形。設(shè)計中采用無源濾波器的設(shè)計思路，R34和C34構(gòu)成的一階無源低通濾波器，C32和R39構(gòu)成的一階高通濾波器串聯(lián)，構(gòu)成帶通濾波器，滿足條件為低通濾波器的截止頻率高于高通濾波器的截止頻率。

針對超聲波油位監(jiān)測模塊，要求得到精確的超聲波測量時間差，選擇一款用于熱量表設(shè)計的高精度時間間隔測量數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22，來完成油位監(jiān)測裝置的設(shè)計。TDC-GP22內(nèi)部集成了高速脈沖發(fā)生器、溫度測量功能及STOP屏蔽窗口功能等。TDC-GP2分辨率可達(dá)50ps，具有兩個測量范圍分別為：0～1.8us，500ns～4ms。油位監(jiān)測信號處電路如圖5所示。

圖5 油位監(jiān)測信號處理電路Figure 5 Oil level monitoring signal processing circuit

2.3 農(nóng)機燃油監(jiān)測終端軟件設(shè)計

農(nóng)機燃油監(jiān)測終端的軟件程序采用C語言編寫，易于移植，可讀性強。系統(tǒng)程序部分包括主程序、系統(tǒng)時鐘設(shè)置、濾波程序、油位監(jiān)測程序、燃油量體積計算程序、串口通信程序。主程序的流程如圖6所示，終端上電后完成系統(tǒng)自檢和初始化，初始化需完成以下工作：首先檢測油位傳感器脈沖信號，計算脈沖信號時間間隔獲得燃油箱油位數(shù)據(jù)，利用所得燃油箱函數(shù)模型，對油位數(shù)據(jù)進(jìn)行體積轉(zhuǎn)換計算并存儲。然后，接受GPS的有效定位信息，解析出農(nóng)機位置、速度、時間、航向等農(nóng)業(yè)機械作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)；終端控制單元利用無線通信模塊定時將各項有效數(shù)據(jù)打包發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成燃油數(shù)據(jù)處理發(fā)送工作。

圖6 監(jiān)控終端主程序流程圖Figure 6 Flow chart of the main program of the monitoring terminal

3 遠(yuǎn)程監(jiān)管中心設(shè)計

農(nóng)機燃油遠(yuǎn)程監(jiān)管中心主要用于管理農(nóng)業(yè)機械燃油監(jiān)測狀況，具有數(shù)據(jù)接收、存儲、查詢、統(tǒng)計、分析和處理等功能。根據(jù)燃油監(jiān)測終端傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對作業(yè)機械的加油時間、加油地點、加油量、剩余油量、異常油耗行為的遠(yuǎn)程監(jiān)管，同時可跟蹤農(nóng)機位置變化并實現(xiàn)軌跡回放等功能。監(jiān)管中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，由數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用支撐層和數(shù)據(jù)層組成，通過多層體系架構(gòu)保證系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和可伸縮性。用戶的各種應(yīng)用請求，通過門戶網(wǎng)站發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)層，通過實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)接口，完成一般性服務(wù)的處理功能。如果客戶端請求后臺支撐服務(wù)的支持，應(yīng)用服務(wù)層將調(diào)用服務(wù)支撐層和數(shù)據(jù)層的接口。

圖7 農(nóng)機燃油監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Structure diagram of agricultural fuel supervision and service system

農(nóng)機燃油監(jiān)管功能設(shè)計如下：

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)主要包括協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲模塊。協(xié)議解析負(fù)責(zé)對車載終端上傳的農(nóng)機燃油信息、GPS信息、作業(yè)信息等數(shù)據(jù)的解析；數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)把解析得到的數(shù)據(jù)整理、保存到數(shù)據(jù)庫中。

（2）應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)

應(yīng)用服務(wù)器主要包括農(nóng)機實時數(shù)據(jù)分發(fā)、農(nóng)機歷史軌跡數(shù)據(jù)分發(fā)、農(nóng)機作業(yè)面積統(tǒng)計及數(shù)據(jù)分發(fā)等服務(wù)模塊。

（3）客戶端系統(tǒng)

客戶端系統(tǒng)包括農(nóng)機作業(yè)實時監(jiān)控、農(nóng)機作業(yè)跟蹤，農(nóng)機作業(yè)歷史軌跡回放、作業(yè)燃油統(tǒng)計（當(dāng)日、起始日期、春季、秋季和當(dāng)年累計），權(quán)限管理，用戶登錄，用戶管理，行政區(qū)劃管理，農(nóng)機管理等。

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，2015年秋季農(nóng)機收獲作業(yè)期間，在北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心小湯山實驗基地進(jìn)行田間現(xiàn)場測試，連續(xù)監(jiān)測田間農(nóng)機作業(yè)燃油數(shù)據(jù)。系統(tǒng)登陸界面如圖8所示，如圖9所示為系統(tǒng)中查詢指定農(nóng)機燃油消耗統(tǒng)計折線圖，。測試結(jié)果表明，監(jiān)管終端能實現(xiàn)對農(nóng)機燃油量的有效監(jiān)測，遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，界面友好，管理便捷。

圖8 農(nóng)機遠(yuǎn)程燃油監(jiān)管用戶端Figure 8 Remote fuel supervision of agricultural machinery user side

圖9 農(nóng)機遠(yuǎn)程油耗監(jiān)控曲線Figure 9 Remote fuel consumption monitoring curve of agricultural machinery

5 結(jié)論

以信息感知技術(shù)為基礎(chǔ)的“精準(zhǔn)”農(nóng)業(yè)是一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢和管理模式，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流。本文采用GPS、GPRS、超聲波傳感器和三維重構(gòu)等技術(shù)設(shè)計農(nóng)機遠(yuǎn)程燃油監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ARM單片機作為主控單元核心處理器，應(yīng)用超聲波傳感器實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)機械燃油信息，采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)獲取作業(yè)農(nóng)機的位置信息，通過GPRS模塊，實現(xiàn)作業(yè)農(nóng)機燃油數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)管中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲、查詢、統(tǒng)計、分析、處理等功能。

該系統(tǒng)實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)過程中燃油消耗量的精確測量，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)燃油量遠(yuǎn)程監(jiān)管，不僅可為目前農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)的燃油監(jiān)管提供一種可行可靠的應(yīng)用模式，還可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的其他監(jiān)測應(yīng)用提供借鑒。