CN104599474B - 一种振动式深松机作业状态监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动式深松机作业状态监控系统，不仅可以对深松机工作性能、关键参数进行现场移动检测，同时能够通过GPS定位以及GPRS DTU无线传输技术实现远程计算机的同步监测、在数据的线分析和批量存储，计算机对定位地块数据查询分析并结合该机具返回的关键技术数据分析，通过建立BP神经网路模型，输出以最低消耗为目标的优化参数，得出该地块最优耕作周期、最适宜的耕作深度、工作效率、最高的机具深松频率和振幅等相关参数，并将相关参数发至现场移动监控终端供其参考，从而实现真正的少耕、优耕。

Description

一种振动式深松机作业状态监控系统

技术领域

本发明涉及农业机械监控技术领域，具体涉及一种振动式深松机作业状态监控系统。

背景技术

近几年来，我国农业机具面向机械化、深层次发展，由于农业机具种类繁多，检测参数复杂，检测方法各异，特别是进行综合性能测试时需要多台专项测试仪器，难以同时检测多个参数，不利于数据的实时分析和处理，对于农机派出管理，耕作任务的划分和公布是一项及其繁琐的任务，需要高技术的监控手段以及切实有效的监管平台，而深松机具作为我国旱地耕作保墒关键农业机械之一，其能耗、耕作频率、性能以及机具工作状态成为保护性耕作研究的重点。

目前，鲜有对面向深松机作业状态的在线检测设备，现有的农业装备中，构建深松机远程监控平台需要选用多台检测仪器，采用不同工作参数检测专用仪器自成系统，并配有不同显示设备，数据可通过存储卡存储，采集完成后将数据输入到专用软件进行分析。但是，此种方法检测出的参数无法实时传输到计算机或其他终端设备中，因此无法对这些参数进行同步采集、实时传输、在线分析和批量存储，数据分析繁琐，这给深松机工作性能的检测和研究造成了极大的困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述无法对深松机参数进行同步采集、在线分析，批量存储任务繁重，进行数据分析困难等技术问题提出的一种振动式深松机作业状态监控系统。

为了达到上述目的，本发明提供的一种振动式深松机作业状态远程监控系统，包括：数据采集模块，采集深松机关键参数及GPS定位信息，经过信号调理传输至现场移动监控终端；现场移动监控终端，接收上述参数及定位信息，通过无线传输模块传输至远程监控中心；远程监控中心，将接收的数据存储到数据库，结合知识库数据，通过BP神经网络模型输出以最低消耗为目标的优化参数，并反馈到现场移动监控终端指导深松机作业，通过对深松机不同类型作业参数的同步采集、实时传输、批量存储和在线建模分析，有效提高深松机实现少耕、优耕作业。

作为优选，所述现场移动监控终端包括机壳，所述机壳包括上面板和下面板，机壳上面板上表面设有触摸屏，机壳下面板上固定有电源管理模块、SIM908模块、中央处理器，以及和中央处理器连接的信号调理模块和光耦隔离器，机壳侧壁上设有航空插头和电源接口，所述电源接口为两路电源输入接口，电源接口和电源管理模块之间连接有脉冲变压器；数据采集模块将采集的信号通过航空插头输入，传输至中央处理器处理后由触摸屏显示，并通过无线传输模块传输至远程监控中心，现场移动监控终端将所有电子元器件封装在一个壳体内，并通过触摸屏显示数据，占用空间小、操作方便，满足不同深松机型号要求。

作为优选，所述电源管理模块包括四路独立电源，分别为：为中央处理器供电的5V/1A独立电源，为数据采集模块供电的5V/500mA独立电源、为信号调理模块和触摸屏供电的12V/1A独立电源、为SIM908模块供电的5V/2A独立电源，可以避免个模块之间的干扰，使器件工作性能更稳定。

作为优选，所述电源接口和脉冲变压器之间连接有抑制电磁干扰的EMI电磁兼容模块，抑制从电源侵入的电磁干扰。

作为优选，所述航空插头包括加速度传感器输入航空插头、温度传感器输入航空插头、湿度传感器输入航空插头、扭矩传感器输入航空插头和拉压力传感器输入航空插头，所述加速度传感器输入航空插头、温度传感器输入航空插头和湿度传感器输入航空插头分别通过光耦隔离器与中央处理器相连，扭矩传感器输入航空插头和拉压力传感器输入航空插头分别通过信号调理模块与中央处理器相连。

作为优选，所述数据采集模块包括三轴加速度传感器，加速度传感器安装在拖拉机机座底部、振动式深松机机架和深松铲处。

作为优选，所述监控系统还包括人机接口模块，使用户和技术人员通过该模块登录远程监控中心，查询和优化数据，为耕地种植作出指导。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1. 该系统不仅可以对深松机工作性能、关键参数进行现场移动检测，同时能够通过GPS定位和GPRS DTU无线传输技术实现远程计算机的同步监测、数据的在线分析和批量存储。

2. 计算机结合数据库与知识库数据，通过建立BP神经网络模型，得出对应地块的最优耕作周期、最适宜的耕作深度、工作效率、最高的机具深松频率和振幅等相关参数，并将相关参数发至现场移动监控终端供其参考，从而实现真正的少耕、优耕。

3.系统采用无线传输模块，利用DTU网络传输数据减少通讯布线任务，便于组网，有效地提高了振动式深松机作业状态参数检测效率，采集调理电路采用电流传输解决了模拟信号传输过程中抗干扰问题，降低了远程监测的劳动成本。

附图说明

图1为本实施例所述的振动式深松机作业状态监控系统的模块示意图；

图2为本实施例所述的现场移动监控终端内部模块连接示意图；

图3为本实施例所述的现场移动监控终端结构示意图；

图4为本实施例深松机的结构示意图；

1、机壳上面板，2、三位数码显示管，3、信号指示灯，4、ISP程序下载模块，5、5V/500mA独立电源模块，6、5V/2A独立电源模块，7、变压器，8、电源接口，9、12V/1A独立电源模块，10、输出航空插头，11、加速度传感器输入航空插头，12、扭矩传感器输入航空插头，13、拉压力传感器输入航空插头，14、信号调理模块，15、中央处理器，16、湿度传感器输入航空插头，17、温度传感器输入航空插头，18、光耦隔离器，19、SIM908模块，20、天线，21、排线，22、触摸屏，23、拖拉机机座，24、深松机悬挂杆，25、偏心轮，26、限深轮，27、深松铲，28、深松机机架，29、拖拉机悬杆，30、拖拉机动力输出轴。

具体实施方式

本发明提供一种振动式深松机作业状态监控系统，下面结合不同附图对本发明的具体实施方式做进一步地说明。

如图1所示，为本发明所述的一种振动式深松机作业状态监控系统的模块示意图，主要包括：数据采集模块，用以采集深松机关键参数及GPS定位信息，经过信号调理传输至现场移动监控终端；现场移动监控终端接收上述参数及定位信息，通过无线传输模块传输至远程监控中心；远程监控中心将接收的数据存储到数据库，结合知识库数据，通过BP神经网络模型输出以最低消耗为目标的优化参数，并反馈到现场移动监控终端指导深松机作业，通过对深松机不同类型作业参数的同步采集、实时传输、批量存储和在线建模分析，有效提高深松机实现少耕、优耕作业。

如图2、图3所示，为本实施例所述的现场移动监控终端的内部模块连接示意图和其结构框架示意图，现场移动监控终端包括机壳，其底部安装有方便使用固定端子，所述机壳包括上面板1和下面板，机壳上面板1的上表面设有触摸屏22，触摸屏22采用七寸电阻触摸屏，信号指示灯3用以指示各路数据采集通道的工作状态，并通过无线传输模块传输至远程监控中心，机壳下面板上固定有电源管理模块、中央处理器15，以及和中央处理器15连接的信号调理模块和光耦隔离器，机壳侧壁上设有航空插头和电源接口，所述电源接口为两路电源输入接口，电源接口和电源管理模块之间连接有脉冲变压器7；数据采集模块将采集的信号通过航空插头输入，航空插头包括加速度传感器输入航空插头11、温度传感器输入航空插头17、湿度传感器输入航空插头16、扭矩传感器输入航空插头12和拉压力传感器输入航空插头13和输出航空插头10，加速度传感器输入航空插头11、温度传感器输入航空插头17和湿度传感器输入航空插头16分别通过光耦隔离器与中央处理器15相连，扭矩传感器输入航空插头和拉压力传感器输入航空插头分别通过信号调理模块与中央处理器15相连，中央处理器15处理后由触摸屏22显示。

由于在所有要检测的信号中，加速度信号可用于深松铲、机座、机架等关键点振动频率分析，其采样频率要求最高，因此，系统采样频率以其为参考，系统中要监测的有效信号的频率在50Hz以下，根据奈奎斯特采样定理要求，本系统采样频率取150Hz，可完整的采样有效信号，三位数码显示管2显示由加速度传感器转换后的频率信息，为用户显示机具的各关键点频率信息，现场移动监控终端将所有电子元器件封装在一个壳体内，占用空间小、操作方便，满足不同型号深松机要求。

为了避免各模块之间的干扰、使检测数据更准确，提高现场移动监控终端的使用寿命，电源管理模块采用独立电源供电方式，包括四路独立电源，分别为：为中央处理器供电的5V/1A独立电源，为数据采集模块供电的5V/500mA独立电源5、为信号调理模块和触摸屏供电的12V/1A独立电源9、为SIM908模块供电的5V/2A独立电源6，；中央处理器通过光耦隔离器连接TLC5615模块，光耦隔离器用以隔离输出对中央处理器的干扰，输出信号通过ULN2803的驱动输出到继电器模块；在电源接口和脉冲变压器7之间还连接有抑制电磁干扰的EMI电磁兼容模块，抑制从电源侵入的电磁干扰，如，SIM908模块19在通讯时功率消耗大，若与中央处理器15共电源，中央处理器15会因瞬时电压过低重启。

中央处理器15和数据采集模块的供电要求最高，现场移动监控终端采用两级稳压方式，中央处理器选用ATMEL的MEGA128，16MHz、双串口，由MEGA128控制芯片内部定时器TIME1精确定时启动内置A/D模块以中断方式进行数据接收、分析处理，并将采集到的深松机作业状态参数传送给远程监测中心，信号调理模块包含RCV420芯片构成的4-20mA转0-5V电路，用于力、扭矩等信号转换，并送至中央处理器片内AD采样检测，光耦隔离器18包含P6KE6.8CA、光耦隔离电路，用于温度、湿度等数字信号输出的传感器与装置的隔离保护，SIM908模块集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS，插入SIM卡后即可与远程监控中心进行通讯。

图4为本实施例深松机结构示意图，加速度传感器安装在拖拉机机座底部23、振动式深松机机架28和深松铲27处，监测驾驶位振动信息，振动频率三位数码管高亮显示，提示在该振动下驾驶时间，休息时间，所述加速度传感器为三轴加速度传感器，选用MPU-6050模块内置三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，单总线通讯、动态卡尔曼滤波，准确性高，安装要求低；三轴陀螺仪输出深松机姿势模拟，为深松机机具性能测试提供数据支持，重力加速度G在正交坐标系中的三个分量为Gx，Gy和Gz，通过如下公式计算偏差：△DEV=∑(DEV-DEV₀)²+∑[0.45×(RB-RB₀)²]，其中：DEV₀为深松铲斜角初始化值；RB₀为深松铲面角初始值；DEV为深松铲斜角实测值；RB为深松铲面角实测值；最终通过实测值与校正偏差值确定准确的加速度真值，解决了传统测量时选用三个单轴加速度传感器时安装不变，位置不垂直、误差大等问题。

拉压力传感器安装在机具的三根悬挂杆与拖拉机三点悬挂铰合处24、29，扭矩传感器安装位置为与拖拉机动力输出轴30同轴，温度传感器悬垂安装在振动式深松机机架28上，用以测量环境温度，并向远程监控中心发送，以分析土壤温度对土壤深松和压实的影响，湿度传感器悬垂安装在振动式深松机机架28上，用以测环境湿度并向远程监控中心发送，以分析土壤湿度对土壤深松和压实的影响，深松机耕深改变通过调节限深轮26高度，深松机振动频率通过修改拖拉机动力输出轴转速或减速器传动比，深松机振动幅值通过修改偏心轮25的偏心距实现。

监控中心知识库中的数据包括技术人员处理的深松策略，深松经验和深松规则等信息，例如：深松规则包括：A.深度25～45cm；B.砂土地不适宜深松作业，以免水分渗漏加快；C.重黏土地间隔深松，以免土壤板结；D.土层小于28cm的地块，不宜深松；E.时间取秋季深松，有利于蓄纳秋冬雨雪；F.周期，一般3～5年进行1次。深松经验包括：a.大豆、玉米等作物，要求比较疏松土壤，根系为直根系，深松大于35cm，隔年深松；b.高粱、谷子、小麦作物，要求比较紧密的土壤，须根系，深松25cm，2-3年深松一次；c.砂土深松周期长，粘土次之；d.机械耕作多，土壤压实严重，深松周期缩短。深松策略为结合土壤土质、种植作物、土壤压实，加权的出适宜的深松周期、深松深度、深松时间。

在本实施例中，为了更详细的了解数据的采集及建模处理方法，具体介绍入下：

数据采集模块包括扭矩传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器中的至少一种，信号采集中信号类型为模拟信号和数字信号两种，数字信号采用单总线模式传输，为提高模拟信号传输过程中的抗干扰能力，模拟信号采用4-20ma电流传输，BP神经网络的建模过程如下：1、创建三层BP神经网络模型，将输出功率最低的正交试验优化后的数据作为训练样本；2、将试验数据中深松入土角、频率、振幅数据做归一化处理，作为BP神经网络模型的输入；将试验数据中的功率输出数据做归一化处理，作为BP神经网络模型的目标向量，构建输出矩阵；3、BP神经网络的输入层三个节点，每一个输入向量的取值范围设为[0，1]，隐含层设5个神经元，输出层设１个神经元；4、设置训练参数，隐含层的激活函数设为tansig，输出层激活函数设为purelin，训练函数设为trainlm，设置学习速率为0.01，设置最大训练次数为15000；构建一个前向BP神经网络，网络各层加权函数设为dotprod，输入函数设为netsum，各神经元权值和阈值的初始化函数设为ininw，网络自适应函数设为trains；5、开始训练并计算仿真误差，通过修改训练函数反复训练，直至满足训练要求，输出优化后的深送机深松入土角、频率和振幅；可以结合数据库和知识库数据，通过模糊控制推出适宜的深松周期、深松深度和深松时间，对犁底层、土壤类型、湿度、温度、种植作物类型等参数模糊化，对于任意模糊变量，其子集为{-0.9，-0.6，-0.3，0，0.3，0.6，0.9}，用户和技术人员即可通过登录该系统查询相关信息、更新优化数据库，指导深松机作业、为耕地种植做出指导。

本实施例深松机作业状态监控系统还包括人机接口模块，用户和技术人员通过人机接口模块登录远程监控中心，查询对应地块耕地信息并优化调整数据库，用户登录远程监控中心验证信息后，查询相应地块的土壤深松情况和作物耕种情况，在线了解地块信息，为种植作物以及作业状态做出指导，技术人员通过登录远程监控中心，查询深松机关键参数及对应地块信息、优化扩充知识库内容，通过多地区、多地形、多类型土壤和耕种作物的生长情况信息进行优化调整深松机的机械特征，数据库根据最新的上传数据与历史数据分析比较耕种情况，对整个数据库相应的属性参数进行优化，从而在下次作业时能够有实时更新的优化数据传送至现场移动监控终端。

现场移动监控终端通过发送不同的功能码与远程监控中心进行通讯，远程监控中心根据不同的功能码将相应的数据反馈至现场移动监控终端。如：当功能码为01时，远程监控中心即将该地块的信息数据反馈为现场移动监控终端，包含土壤类型、多年耕作数据、深松数据以及种植农作物相关数据；当功能码为02时，结合该地块地位信息通过数据库和知识库中的决策规则，向其发送推荐该地块深松深度、周期、时间；当功能码为03时，将该地块信息数据库信息和终端决策规则信息输送至BP神经网路模型，输出以最低消耗为目标的优化参数：振动深松机入土角、深松振动频率、振幅等。

综上，本发明所提出的一种振动式深松机作业状态监控系统，通过本发明对振动式深松机作业状态参数的实时采集、同步传输、在线分析和批量存储，可以实现振动式深松机作业状态的现场和远程监测，地块定位，历史数据分析决策，使振动式深松机真正工作于少耕、优耕；监测系统利用DTU网络传输数据减少了通讯布线任务，便于组网，有效地提高了振动式深松机作业状态参数检测效率，采集调理电路采用电流传输解决了模拟信号传输过程中抗干扰问题，降低了远程监测的劳动成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于包括：

数据采集模块，采集深松机关键参数及GPS定位信息，经过信号调理传输至现场移动监控终端；

现场移动监控终端包括机壳，所述机壳包括上面板和下面板，机壳上面板上表面设有触摸屏，机壳下面板上固定有电源管理模块、SIM908模块、中央处理器，以及和中央处理器连接的信号调理模块和光耦隔离器，机壳侧壁上设有航空插头和电源接口，所述电源接口为两路电源输入接口，电源接口和电源管理模块之间连接有脉冲变压器；数据采集模块将采集的信号通过航空插头输入，传输至中央处理器处理后由触摸屏显示，通过无线传输模块传输至远程监控中心；

远程监控中心，将接收的数据存储到数据库，结合知识库数据，通过BP神经网络模型输出以最低消耗为目标的优化参数；并根据不同的功能码将相应的数据反馈至现场移动监控终端指导深松机作业，反馈的数据包含土壤类型、多年耕作数据、深松数据、种植农作物相关数据以及地块深松深度、周期、时间和振动深松机入土角、深松振动频率、振幅，具体的，主要进行以下处理：

(1)创建三层BP神经网络模型，将输出功率最低的正交试验优化后的数据作为训练样本；

(2)将试验数据中深松机入土角、深松振动频率、振幅数据做归一化处理，作为BP神经网络模型的输入；将试验数据中的功率输出数据做归一化处理，作为BP神经网络模型的目标向量，构建输出矩阵；

(3)BP神经网络的输入层三个节点，每一个输入向量的取值范围设为[0，1]，隐含层设5个神经元，输出层设1个神经元；

(4)设置训练参数，隐含层的激活函数设为tansig，输出层激活函数设为purelin，训练函数设为trainlm；构建一个前向BP神经网络，网络各层加权函数设为dotprod，输入函数设为netsum，各神经元权值和阈值的初始化函数设为ininw，网络自适应函数设为trains；

(5)开始训练并计算仿真误差，通过修改训练函数反复训练，直至满足训练要求，输出优化后的深送机入土角、深松振动频率和振幅；结合数据库和知识库数据，通过模糊控制推出适宜的深松周期、深松深度和深松时间。

2.根据权利要求1所述的一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于，所述电源管理模块包括四路独立电源，分别为：为中央处理器供电的5V/1A独立电源、为数据采集模块供电的5V/500mA独立电源、为信号调理模块和触摸屏供电的12V/1A独立电源和为SIM908模块供电的5V/2A独立电源。

3.根据权利要求2所述的一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于，所述电源接口和脉冲变压器之间连接有抑制电磁干扰的EMI电磁兼容模块。

4.根据权利要求3所述的一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于，所述航空插头包括加速度传感器输入航空插头、温度传感器输入航空插头、湿度传感器输入航空插头、扭矩传感器输入航空插头和拉压力传感器输入航空插头，所述加速度传感器输入航空插头、温度传感器输入航空插头和湿度传感器输入航空插头分别通过光耦隔离器与中央处理器相连，扭矩传感器输入航空插头和拉压力传感器输入航空插头分别通过信号调理模块与中央处理器相连。

5.根据权利要求4所述的一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于，所述数据采集模块包括三轴加速度传感器，三轴加速度传感器安装在拖拉机机座底部、振动式深松机机架和深松铲处。

6.根据权利要求5所述的一种振动式深松机作业状态监控系统，其特征在于，所述监控系统还包括人机接口模块，使用户和技术人员通过该模块登录远程监控中心，查询和优化数据，为耕地种植作出指导。