太阳能农机发动机监测系统设计—基于智慧农业物联网信息采集

2018-06-06杨玉霞汤金金

农机化研究 2018年5期

杨玉霞，汤金金

(济源职业技术学院机电工程系，河南济源 459000)

0 引言

目前，我国农业正处于转型期，由小规模的种植方式向大规模种植方式发展是主流方向，随之带来的是作业方式的转变，如何对大规模作业实现高效化和信息化的管理是当前一个急需解决的问题。对于环境和作业状态的监控，国内目前还大部分采用传统的人工手段，不仅监控效率低，而且不利于大规模作业。物联网可以利用局部网络和互联网进行通信，可以将农机、传感器和人员等联系在一起，形成人与物和物与物的信息化管理，以便于远程控制。但是，由于农田作业环境的限制，加上传感器节点耗能大等问题影响了监控系统的整体性能，而采用太阳能为传感节点供电，可以有效地解决监测系统的功耗问题，对于提高监测系统的整体性能具有重要的意义。

1 农机发动机信息采集

采用太阳能发电作为农机发动机监测系统的能量来源，将会有效地降低能量损耗，提高监测系统的整体性能。在使用太阳能发电发动机监测系统时，为了对太阳能电池和发动机运行状态进行监测，在基站较少的农田区域，需要架设WSN无线传感网络。一个基本的WSN网络如图1所示。

图1 基本WSN通信网络框架Fig.1 The basic WSN communication network framework

发动机监测系统通过ZigBee无线通信的方式采集发动机的转速和噪声的信息，然后通过数据处理和融合，利用自组织通信网络，将数据以多跳的方式接收和发送，最后在用户监控中心显示数据，管理人员利用反馈数据可以实现远程作业和管理。

在图2所示的监测系统中，监测的主要项目包括太阳能发电和发动机的一些数据，数据的接收采用事件驱动的方式循环读取；读取后的数据通过数据解析后，计算光伏电池的功率，判断光伏电池工作状态；同时，对发动机允许的状态数据进行分析，判断发动机的运行状态，做到及时预警，并将数据存储到数据库，可供后续查阅。

2 农机发动机监控系统

由于农机的作业条件较差，而发动机监测系统的传感器节点在进行监测时，传感器会消耗较大的能量，对监测系统的性能影响较大。如果采用太阳能发电，不仅可以有效节省能源，还可以从整体上提高监控系统的性能。太阳能电池发电的原理是基于PN结，将吸收的太阳能转换成电能。在实际工作时，照射到太阳能电池上的光线一部分被吸收，另一部分被反射。在吸收光子时，半导体中原子的价电子会被激活，在P区和N区都会产生光电子，使P带正电，N带负电，从而产生电动势，如图3所示。

图2 基于太阳能发电的发动机监测系统框架Fig.2 The engine monitoring system framework based on solar power

图3 光伏电池PN结结构Fig.3 The PN junction of photovoltaic cell

当PN结结构受到光照时，在电极上下会产生电势差，如果将正极和负极相连接，便会产生直流电。将多个PN结串联在一起，可以封装成电池组，这些电池组具有不同的功率，将这些组件按照发动机监测系统用电的需求，形成太阳能电池阵列，可以满足监测系统的供电。图4为太阳能电池的基本单元。在线性电路中，当外部电路的负载同电池内阻相同时可以得到最大的输出功率，虽然太阳能电池功率输出具有一定的非线性，但在较短时间内可以认为是线性的，因此在外部环境影响下，太阳能输出功率具有一定的特性，如图5所示。

图4 太阳能电池单元模型Fig.4 The solar cell model

图5 光伏阵列输出特性Fig.5 The PV array output features

图5中：在不同的光强度下，曲线1和曲线2输出的特性是不同的，其中A和C分别是光伏电池输出的最大功率点。在光强度发生变化的情况下，装置输出特性由曲线1降低到曲线2，但是电池内阻是不变的，这时需要调整电池的内阻，使其可以输出最大功率。而电池的内阻和太阳能电池的表面温度也有关系，可通过调整温度，使太阳能电池发挥最大功效。光伏电池板数据存储如表1所示。

表1 光伏电池板数据存储

根据农机发动机监测系统的需求，进行储存的数据主要是从串口读取的，存储数据类型较为单一，不需要设计E-R图或者其他的物理模型等，发动机监测数据的存储表如表2所示。

表2 发动机监测数据存储

串口通信是比较简单的通信方式，可以直接发送和接收字节，还可以通过一端发送一端接收的通信方式，实现远距离通信。在进行发动机监测数据的传输时，需要使发送端和接收到端遵循一定的协议，针对发动机监测系统串口通信的特点，指定规则如表3所示。

表3 太阳能电池板编号和存储

太阳能电池编号和存储能力都用单块板数据格式的形式，即看成是单个节点，假设投入的电池板数为6块，则数据的发送格式如表4所示。

表4 数据发送格式

如表4所示：6块太阳能电池板的数据在前边，发动机监测数据在后边，其通信规则是28字节×6+10字节+10字节+6字节。在进行WSN通信时，可以根据这个规则对数据包首先进行封存，发送给接收端，接收端可以按照通信协议，分段读取这些数据。

3 农机发动机监测系统太阳能发电和WSN通信测试

根据上部分的通信规则，在农机发动机上安装了基于WSN的信息采集系统，通过传感器对发动机的温度、转速和噪声进行采集，传感器节点采用太阳能供电，如图6所示。

图6 农机园林试验作业Fig.6 The experimental work of agricultural garden

为了使太阳能电池发挥最好的功效，选择了天气情况的气候条件，并且在比较开阔的园林里对一款园林修剪机械进行试验测试，通过对20℃时光伏太阳能电池的测试得到了如图7所示的电流电压特性曲线。

图7 太阳能I-U测试曲线Fig.7 The solar I-U test curve

由测试结果可以看出：其I-U特性曲线和太阳能正常工作时的曲线趋势相吻合，对其P-U特性继续测试，得到了如图8所示的结果。从特性曲线图对比可以得知：太阳能电池存在最大功率值，这个数值除了和环境因素有关之外，还与太阳能表面的温度有关。因此，在实际使用时，也需要同时兼顾太阳能电池的表面温度。

对发动机状态监测系统进行了测试，得到了如表5所示的测试结果。

测试结果表明：在太阳能供电情况下，监测系统可以保持良好的通信功能，且通信效率和准确率都较高，从而验证了监测系统的可靠性。

图8 太阳能P-U测试曲线Fig.8 The solar P-U test curve表5 多发动机状态监测表Table 5 The state monitor of multi engine

4 结论

为了解决农机发动机监测传感器的节点能耗问题，基于无线传感网络技术，设计了一种基于太阳能发电的无线监测系统，可以实现多台农机和太阳能电池的实时监测。根据太阳能电池的输出特性，设计了太阳能电流、电压和温度的传感器节点，从而最终监测太阳能光伏电池的最大功率点，根据发动机的工作状态特性，设计了发动机转速、温度和噪声的传感器节点，实现了发动机工作状态的远程监测。最后，分别对光伏电池输出特性和发动机工作状态进行了监测试验。测试结果表明：监测系统可以有效输出电池的发电特性曲线，可以监测到发动机转速、温度和噪声的正常与异常情况，从而验证了系统的可靠性。

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