基于CAN数据的拖拉机作业报告单生成技术研究

2019-12-22白钰，王熙

农机化研究 2019年2期

关键词：报告单油耗拖拉机

白钰，王熙

(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319)

0 引言

我国是农业生产大国，黑龙江垦区为重要组成部分，农机化水平保持在98.6%。由于引进国外拖拉机数量较多，国外拖拉机都配有CAN总线，所以针对拖拉机CAN总线数据的研究非常必要。

基于拖拉机CAN数据的拖拉机作业报告单生成技术，可以采集记录拖拉机CAN数据，通过软件解析出拖拉机作业数据，并根据解析出来的数据生成拖拉机作业报告单，将拖拉机的作业情况以纸质报告单的形式体现出来，以便对拖拉机作业情况进行分析。

国外许多科研机构及大公司都在积极关注和研究CAN总线。美国凯斯(CASE)、约翰迪尔(John Deere)，德国克拉斯(CLAAS)、芬特(Fendt),日本久保田(KUBOTA)、洋马(YANMAR)等公司，已开发出很多基于CAN总线技术的产品，用于农机导航、农机作业记录，以及精量播种、联合收获等作业之中[1-2]。现阶段，关于拖拉机作业报告单生成技术的研究只有约翰迪尔公司在进行，生成的是全英文的作业报告单，无法满足国内的需求。

2015年，湖北工业大学明鑫朗等人对基于CAN总线的拖拉机控制系统平台进行研究，完成了拖拉机的控制系统平台软件的设计[3]。2016年，黑龙江八一农垦大学刘传茂等人对农机CAN数据记录仪进行研究，设计了CAN总线无线数据传输记录仪[4]。由此可以看出：目前国内对CAN总线的研究较多，但关于拖拉机作业报告单生成技术仍然处于初步研发阶段，具有一定的研究价值。

1 CAN总线及特点

CAN( Controller Area Network)总线是一种有效支持分布式控制或定时控制的串行通讯网络。它以半双工的方式工作，1个节点发送信息，多个节点接收信息，实现了全分布式多机系统，提高了数据在网络中传输的可靠性。CAN总线具有以下特点及优点：

1)具有多主控制的特点，在总线空闲时，所有单元都可以发送消息。

2)在CAN协议中，所有消息的发送格式都是固定的。优先级高的可以持续发送消息，优先级低的则终止发送消息改为接收消息。

3)系统具有柔软性，在连接总线的其他单元及应用层不改变的情况下就可以在总线上增加单元。

4)通信速度可以根据网络规模设定，同一网络中通讯速度必须统一。

5)远程数据的请求可以通过发送“请求帧”来请求其他单元发送数据。

6)具有错误检测、错误通知和错误恢复功能。

7)具有自行判断错误功能，可以将总线上发生的持续错误的故障单元从总线上隔离出去。

8)CAN总线是可以同时连接多个单元的总线。

2 数据采集记录

在农垦九三管理局荣军农场进行试验数据的采集记录，进行整地作业，地块面积约30hm2，如图1所示。

图1 九三荣军农场试验田

试验所用车型为John Deere 7830 拖拉机，作业速度0～49.89km/h，额定功率151kW，最大扭矩975N·m。拖拉机配有CAN总线网络、CAN物理接口及星火GPS导航设备。将CAN数据记录仪(见图2)通过接线与拖拉机连接，启动拖拉机开始作业，将整地作业时的数据采集记录到CAN数据记录仪之中。

图2 CAN数据记录仪

CAN总线数据记录仪是专门用于储存CAN数据的模块。该模块采用标准的CAN总线接口，将模块接到CAN总线上，通过模块上搭载的TF储存卡，将总线上的数据实时储存在储存卡中；使用时，只需将存储数据的储存卡带回，根据要求解析储存卡上的数据，即可获得真实的总线数据，用于分析。

3 数据解析

为了实现不同农林车辆及电控单元之间实现关联通用和数据公用，国际标准化组织结合农业机械发展趋势，制定了农林车辆串行网络通信国际标准，即ISO11783标准。目前，欧洲的许多农机公司所使用的CAN协议都是ISO11783标准[5-6]。根据此标准，对接收到的数据进行分析。

ISO11783通讯标准是以CAN2.0B协议作为网络协议支持，规定拖拉机及农机具的网络通信的信息交换方法及格式，提供开放式系统互联的方法，使电控单元之间实现数据共享及相互通信。

ISO11783标准实现了通讯的灵活，定义了传感器、控制部件和执行器，并且规定了信息储存和显示单元之间的数据传输协议及格式，依靠标准的信息格式实现通讯同步。CAN有两种信息帧格式，即标准帧和扩展帧。ISO11783只针对扩展帧定义了标准化通信策略，所以其网络上的控制必须用扩展帧格式。

解析的初始数据为拖拉机作业数据，通过CAN总线得到报文数据，根据ISO11783标准获得其作业数据中的拖拉机参数。CAN总线数据接收，储存报文格式如表1所示。

表1 CAN总线接收存储的报文格式

以发动机转速的解析为例：发动机控制器1的ID为:ID=0x0CF004F0=0000,1100,1111,0000，0000,0100,1111,0000→0Xf004=61444(十进制)，则发动机控制器1的参数组编号为61444(十进制)。发动机控制器2的参数组8个字节的参数定义如表2所示。

发动机转矩模式指发动机产生、限制及控制转矩的模式，根据数据长度和分辨率进行计算，结合数据范围和操作范围，确定驾驶员的需求发动机转矩百分比可疑参数号码为512，实际发动机转矩百分比的可疑参数号码为513，以及发动机转速的可疑参数号码为190。

表2 发动机控制器1参数定义

根据表2结合发动机控制器ID，可以计算出实际发动机转矩百分比为34%，发动机转速为130.9r/min。根据上述解析过程，从拖拉机CAN数据中还可以获得拖拉机作业时的经纬度、作业速度、作业日期及作业油耗等参数信息。表3为全部解析出来的拖拉机作业参数表。

表3 拖拉机作业参数表

4 生成软件设计

4.1 软件编程

在代码编写之前，首先确定作业面积及油耗等数据的计算方法，然后通过编程软件将程序编写出来。

1)作业面积计算。根据拖拉机作业参数表中经纬度参数，拖拉机的作业面积方法计算如下：

将经纬度参数通过高斯投影坐标正算公式转换为大地坐标，即

(1)

(2)

式中B—大地纬度；

l—中央子午线的经差；

C—由赤道至纬度B的子午线弧长；

e—第二偏心率；

g—自由落体加速度。

获得大地坐标后，已知作业幅宽M，则实际作业面积计算公式为

(3)

式中S—作业面积(m2)；

xi、yi—测点大地坐标(m)。

2)作业油耗量计算。拖拉机的作业油耗与发动机、作业地面高低变化及拖拉机手操作方式有关，通过大量的拖拉机作业油耗量的分析，找出合理油耗的作业方式，提高其作业经济性。

根据拖拉机作业参数表中的油耗数据，计算总油耗量，公式为

(4)

式中X—总油耗量(L)；

ai—每秒钟的瞬时油耗(L/s)。

在将各项数据选用合理的方式计算出来以后，通过运用编程软件进行拖拉机作业报告单生成软件的程序编写。在编程软件的选用方面，选用VB6.0进行编程[7]。VB6.0全称为VisualBasic 6.0,是目前世界上使用范围较广的程序开发工具之一。VB6.0结构简单，资源占有率低，实用性强，为编者的学习提供很大方便。Vb6.0具有以下特点：

1)可视化的集成开发环境；

2)面向对象的程序设计思想；

3)交互式的开发环境；

4)高度的可扩充性。

所以，选用VB6.0作业拖拉机作业报告单生成程序的编写软件。拖拉机作业报告单生成程序设计流程图如图3所示。

图3 拖拉机作业报告单程序设计流程图

根据流程图的流程进行软件的设计，在代码设计时，部分主要功能实现的方式如下：

1)文件打开方式。通过添加microsoft common dialog comtorl6.0控件，重命名为cdg,然后在事件代码中使用cdg.showopen 打开对话框，实现文件的打开。

2)轨迹图的绘制。通过scale设置坐标系，scale方法能够将坐标系统重置到所选择的任意刻度，scale对运行时的图形语句及控件位置的坐标系统都有影响，然后再根据VB中的line的使用来完成拖拉机作业轨迹图的绘制。

4.2 拖拉机作业报告单生成

在程序成功运行以后，将需要生成拖拉机作业报告单的拖拉机作业数据输入到程序之中，拖拉机作业报告单生成流程图如图4所示。

图4 拖拉机作业报告单运行流程图

将表格中的数据输入拖拉机作业报告单生成程序中,根据拖拉机作业情况，录入作业单位、作业名称、作业地点、拖拉机型号及作业机具等信息；然后，点击读取Excel文件，选择要录入的拖拉机作业数据，经过读取后，生成拖拉机的作业轨迹图，并将其他作业数据解析显示出来；点击生成作业报告单，就会生成如图5所示的拖拉机作业报告单。

4.3 数据分析

从拖拉机作业报告单中可以获得作业时间、作业地点、作业轨迹、作业速度及作业油耗等信息，通过拖拉机作业报告单生成程序，可以大量地获得具有详细作业数据的拖拉机作业报告单。

在报告单中，根据作业轨迹和作业速度，可以确定拖拉机合理的作业时间，避免作业时不必要的时间消耗。根据作业油耗，可以确定合理的油耗，避免不必要的浪费，并且这些信息还可以作为农机补贴的依据，减少农机纠纷。大量的拖拉机作业报告单汇总在一起互相对比，对比结果可以为农机运用管理提供合理有效的依据，提高了农机运用质量。