智能监测技术在农业机械化生产中的应用及关键技术

谭增鑫

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

近年来,我国的农业机械化生产模式日趋合理,所应用的农业机械产品在种类丰富程度,技术先进性、可靠性等方面进步明显,很多国产机型不仅具备良好的机械性能,而且自动化程度显著提升,机电一体化技术在农业机械中得到了广泛应用。在实现农业机械功能控制的同时,加强农业机械工作状态、工作性能、位姿准确性的监测是农业机械向精确化、精准化发展的关键。从国际农机发展的趋势来看,智能监测技术应用于拖拉机、收获机、播种机、谷物烘干机等农机设备能更好保障农业生产的规范合理实施,并有利于获得农机使用和运转过程的一系列数据,对于预防农机故障、优化农机结构、提高整机性能具有积极的促进作用。

1 智能监测技术应用价值

整体上看,我国的农业机械技术在快速发展的同时,农业机械整体的智能化程度仍相对偏低,农业机械粗放型特征明显,且生产过程的平均故障率偏高,一旦发生故障,故障的严重性和维修周期偏长,导致农机实际利用率降低。智能监测技术在农业机械中的应用,能充分利用卫星定位、传感器、遥感技术与数据处理等技术相结合,对农业机械的作业位置、工作状态、性能发挥等进行实时监测,并获取农机作业的关键参数,用于对农业机械的优化控制。

1.1 提高农业机械作业精确性

智能监测技术的应用能实现控制系统对农机动作执行质量的监管,能掌握农机的控制指令是否达到预期的控制目标。如监测农业机械的耕作深度、收获速度、行驶线路、播种量、喷药量、施肥量、灌溉量等,并进行作业质量的计算及判断,对作业质量不佳的现象进行及时修正,有效提高作业的合理性,并减少生产过程的资源浪费与环境污染。同时,利用智能监测技术与农业处方图技术相结合,能实现农业生产的机械化变量作业,根据农田不同区域的植株特征、土壤养分、病虫害程度等精确实施变量灌溉、变量施肥、变量喷药,促进机械化生产向合理化发展[1]。

1.2 有利于预防农业机械的故障

智能监测技术融合了自动控制领域的传感器技术,能利用多种传感器进行农机运行状态的监测,如利用温度传感器监测变速箱温度,当温度过高说明润滑油不足或变质,或存在机械故障;或利用振动传感器监测发动机运转状态,当振动幅度过大或频率异常,均表示发动机存在故障,需进行及时维修。在农业机械的关键部件和易损部件处安装相应功能的传感器,能及时准确获取农机工况信息,有效预防农机故障,避免小故障扩大化,有利于降低故障损失,并提高农机利用率[2]。

1.3 能改善驾驶和调整检查的过程

智能监测技术能将农机行驶过程的各项数据信息及时反馈给农机驾驶员,驾驶员在驾驶农机过程通过数字屏幕获取农业机械行驶路线、行驶速度、牵引力状态等信息,通过辅助驾驶改善驾驶操作体验。同时,监测功能所提供的位姿数据、农机性能参数数据有效替代了传统驾驶员对农机检查项目,对农机的作业高度、角度、位置等调整也有明确的参数显示,能有效提高调整检查的效率与精确性。

1.4 能实现作业数据的记录和利用

智能监测技术能获取大量的农机化生产数据信息,这些数据通过系统自动记录,与传统的人工记录相比,在数据丰富性、全面性、准确性等方面优势明显。所获取的数据信息具有很高的价值,能应用于农业机械管理、适用性分析、农机产品升级等方面,有利于农业机械技术的发展[3]。

2 农机智能监测技术组成

2.1 卫星定位技术

随着农机技术的快速升级,卫星定位技术已经与现代化农业机械实现了广泛融合,能为农业机械的作业提供位置、导航、监测等多种功能。卫星定位技术主要利用卫星系统对地表的某一位置的农业机械设备进行实时定位,能实现在任意时刻、任意位置都能利用4颗以上的卫星进行精确定位,并利用导航技术使农业机械沿着合理的路线行驶,尤其在我国自主研发的北斗卫星导航系统(COMPASS)应用于农业生产后为自主农机产品提供全天候、高精度的卫星服务。并结合差分基站降低田间行驶和作业的定位误差,提高卫星数据收发的效率,降低时间延迟,使农业机械田间作业过程获取良好的位置监测数据。

2.2 传感器技术

传感器技术是农业机械感知外部生产环境及内部机械运转状态的关键技术,利用传感器技术能实现对农机作业环境、农机工况、重要部件运行数据等的实施监测,能针对某一固定的物理量实现精准测量,并将获得的农机相关数据以电信号的形式进行传输。用于农机智能监测的传感器种类繁多,总体上看在农机中应用较多的传感器种类包括转速传感器、扭矩传感器、位置传感器、角度传感器、计数传感器、称重传感器等。将功能各异的传感器与农业机械的结构原理相结合进行应用,能实时且精确的获取农业机械的内外部数据信息,实现对农机作业质量及作业状态的精准管控[4]。

2.3 数据处理技术

随着农机自动化程度的持续提升,卫星定位、传感器、视觉设备等大量应用于农机产品之中,使农业机械具备了典型的数字化控制特征,为保证控制过程的准确性与高效性,必须要合理应用数据处理技术。一方面,大量实时获取的数据种类繁多且形式各异,如何在数据采集、存储、检索等过程中使杂乱无章的数据成为高价值、可利用的数据是数据处理技术主要解决的问题;另一方面,数据处理的效率与质量对于农机性能将产生直接影响,数据处理通常需要经过采集→转换→分组→计算→判断→存储等一系列过程,如何在最短的时间内处理最高效的数据,进而实现对农机化生产过程的高效率控制与决策是农机信息化发展的关键技术。

2.4 远程管控平台技术

针对农机监管过程和监管数据的管理是农业机械化生产合理开展的重要保证。远程管控平台是人机交互的重要窗口,其主要借助无线通讯技术、5G网络、局域网传输实现数据传输,并能利用LAN、WLAN、WAN等网络方式,或通过有线网络传输实现在远距离对农机智能监测数据的获取与利用。通过信息技术远程获取农业生产的实时数据及历史数据信息,并辅助决策农业生产方案及后续农业生产流程的实施。同时,农业生产经营都能通过远程管控平台对农业生产过程实施管理,并及时了解生产进度、农机状态等信息,有针对性的进行方案调整,促进生产实施最优化[5]。

3 关键技术的应用形式

3.1 农机的行驶监测

在现代化的农机产品中,广泛应用了智慧导航系统辅助农机进行作业,尤其以先进的大马力拖拉机为代表,其利用卫星定位技术监测农机行驶的路线、精确位置、速度。图1所示为北斗麦普农机自动驾驶系统监测与人机交互界面,该系统主要包括车载GPS接收机及天线、液压控制器、显示屏、差分基站等硬件及检测控制软件系统,将其应用于农业机械作业监测,能完成对农机行驶路线的导航和行驶准确性的监测,有效提高作业精度和作业质量。

图1 北斗麦普农机自动驾驶系统

3.2 播种机播量监测

随着高速精量播种机技术普及,精量播种机中应用的电控监测技术也越来越多,主要的监测类型集中于播种量监测,并对工况异常进行及时精确预警。目前来看,欧美国家的播种机监测技术与电气化程度发展较好,例如,美国研究的快速测量播种机排种间距的光电传感器系统、德国DLG农业中心相继研究并推广的播种机光电监测系统、日本的Inoti IK研制的电子控制的气力式精密播种机等,对于引领播种机的电气化发展具有积极引导作用。我国近年来的播种机技术发展迅速,播种机的配套电子设备日渐丰富,如图2所示为我国保定联宇公司生产的LY系列播种机智能电子监测系统,能在合理设置株距、行距、周长、肥料技术等参数的基础上对播种粒数、单行粒数、播种面积、肥料重量等进行监测,高效且精确的获取播种信息,提高对播种的监管并降低故障率。

图2 LY系列播种机智能电子监测系统

3.3 植保机喷雾量监测

农药喷施量直接影响农业产量和食品安全,不合理的农药喷施还会影响生产人员人身健康或造成农田周边的环境污染。优化农药喷施技术是植保机械领域的重点研究和开发任务,变量喷药与精确喷施已成为植保机械的发展趋势。喷雾量监测是实现植保机械喷雾量控制的关键,因此,在现代化的精量喷药设备上,常利用流量监测传感器配合药液箱称重传感器监测实时喷雾量和单位面积喷雾量。以便利用获取的数据调整和控制管路中的压力和PWM脉宽调制变量喷头等关键工作参数,实现精确变量喷施。

3.4 谷物烘干温度及含水率监测

大型谷物烘干设备的自动化程度很高,在粮食烘干的过程中,必须对烘干机各个区域的热风温度、谷物湿度、谷物温度进行分别测量,以实现最合理的谷物烘干质量。如图3所示为中联谷王DC220横流式谷物烘干机,其配套有进口高精度在线谷物水分仪,先进的高精度温湿度测控传感器,能实现对谷物烘干过程的全程监控,具有良好的稳定性及可靠性。

图3 中联谷王DC220横流式谷物烘干机

4 结语

综上所述,智能监测技术在农业机械化生产中能发挥重要的作用,不仅能提高农业机械的作业精度和准确性,而且在作业可靠性、自动化等方面具有良好的促进作用。从我国农机产业发展来看,相对于其他行业在电气化方面的进步相对较慢,先进的卫星定位、传感器等技术应用相对不足,未来应持续加强农业机械技术与智能监测技术的融合,促进农业机械向自动化和智能化发展,为农业生产的高效率实施提供助力。