张艺越，李超超，王清清，范晋伟

（1.浙江广厦建设职业技术大学智能制造学院，浙江 金华 321000；2.安徽信息工程学院机械工程学院，安徽 芜湖 241000）

随着中国农业机械化进程的不断推进，农业机械的使用量以及其覆盖面不断上升[1-2]，对于中国农业生产而言起着积极的作用。通过农业机械代替传统人力与畜力进行农业生产活动，生产能力与生产效率都大幅提高，但由于缺乏科学的管理，农机在作业过程中的标准化水平较低，一定程度上对农业生产起着制约作用。由于垦区农业生产面积较大，简单地通过人力监测或管理农机作业水平与质量较为困难，因此本文旨基于物联网技术开发了一款农机管理平台，以实现一定区域内农机的统一管理与监测。

1 农机管理平台总体设计

1.1 平台系统工作流程

农业生产过程中，拖拉机是主要农业机械之一，它不仅可以提供较大的扭矩实现对其他农业机具（如移栽机等）的作业牵引，还可以通过其动力输出装置，即PTO（Power Taken Off）实现动力传递，为与它相连的农业机械（如旋耕机等）提供动力。本文以黑龙江垦区目前所主要应用的约翰迪尔7830 型拖拉机为例，该拖拉机具有扭矩大[3]、性能可靠、便于操纵、能够支持多种农业生产作业等特点，特此选用该拖拉机为实验模型进行测试。农机管理平台的组成部分如图1所示。

图1 农机管理平台组成部分

通过定位模块，实现作业农机具（本文中为拖拉机）的位置确定。同时可通过加装在农机具中的各类传感器，在农机作业过程中实现作业信号的采集[4]，并将信号通过无线传输模块发送到平台中。农机具的管理人员则通过显示模块，观测到相应的信息，并进行判断与分析，对农机具的下一步作业给出及时指示，管理人员与农机操作人员通过远程通讯模块实现实时通讯。

1.2 平台总体架构设计

本农机管理平台主要基于物联网技术，因而总体架构由4 部分构成，分别为感知层、核心层、网络层和应用层。4 部分的任务与功能各不相同，但是在工作过程中又互有联系，任何一部分出现故障或任一功能无法实现，都将影响农机管理平台的运行，只有当4部分全部正常运行，所有功能正常的情况下，整个农机管理平台才能正常运行。农机管理平台的总体架构如图2 所示。

图2 农机管理平台的总体架构图

由图2 可知，感知层主要由传感器和卫星构成，其作用在于对农机作业过程中的各个信号进行采集，由此可以实现对农机作业情况的了解，感知层将信号进行分类转换，并将转换后的信号发送到核心层中。核心层主要由CAN（Controller Area Network）总线、ECU（Electronic Control Unit）、定位板卡、基站和显示终端构成，核心层接收感知层上传的信号，并将信号通过无线技术发送给网络层[5]。网络层主要由定位模块及网络通讯模块构成，其中定位模块将相关数据信息进行转发，最终将数据信息储存在云平台中，数据转发部分可通过TCP（Transmission Control Protocol）协议予以实现；而网络通讯模块的作用是将ECU 或智能控制器中整合好的数据发送至互联网，从而将信息传递到农机管理平台的应用层中，这一过程可通过利用GPRS（General Packet Radio Services）与移动4G网络等无线网络通讯手段加以实现。人机交互功能可以通过搭建农机物联网监测平台加以实现，通过感知层、核心层、网络层的共同作用，实时掌握农机具的作业参数，实现远程监控，通过利用无线通讯技术，对农机具的操作人员进行指示与交流，及时对农机具的操作及作业参数进行修正。

2 农机管理平台具体化设计

2.1 用户界面设计

农机管理平台主要提供给类似于黑龙江垦区等具备大地块与大量作业机具的单位，以便于针对同时作业的各种农机具进行统一管理，因而软件平台主要在办公室等地点登录，并不是在农业生产一线，主要使用人群为管理人员。农机管理平台的用户界面主要由“用户名”“密码”及“验证码”等输入界面，以及“登录”和“退出”按钮构成，其中验证码可在每次登录时随机抽取4 位由数字和字母构成的信息要求用户填写，是为了加强系统平台的安全性，避免农机管理平台受到攻击的必要保障措施。在农机管理平台正式投入使用之前，农机管理单位应委托系统管理员将每位管理者的用户名与密码输入到平台的数据库中，每个用户名可对应一个密码，只有当用户名与密码相匹配，且用户名与密码均存在于数据库中的情况下，用户方可进入管理系统。

同时，根据管理者的职责不同，其管理内容也不尽相同，因而系统设计了相应的权限，在用户对农机具作业参数进行调阅及对农机具操作人员进行指示的情况下，系统数据库会根据用户名和相应权限进行判断，只有在用户名与权限相匹配的情况下，用户才能进行相关的操作，否则无法对系统内相应的功能进行使用。

农机管理单位内的人员流动，包括人员离职、退休、新人员进入及人员内部岗位调动，均可将相关信息上报到系统管理员，由系统管理员在最高权限下对农机管理平台数据库中的信息进行增、删、改等修正。

2.2 农机监测系统设计

2.2.1 农机作业监测

农机在作业过程中环境较为恶劣，且针对于垦区这种大量农机具同时工作的情况下，对其作业质量的监控十分困难。为了实现对农机具的统一管理与监测，农机具的各种作业信息可通过事先加装在农机具上的传感器进行采集，传感器采集到的信号通过局域控制网络CAN 总线上传至ECU 及智能控制器，再上传至农机管理平台的数据处理装置；农机管理平台将通过显示电路为主体的显示模块，将相应的信息可视化地展示给管理人员（即用户），管理人员通过对这些信息进行判断与分析，可有针对性地对某些或某个农机具的操作给出指示；通过终端与农机具的远程通讯模块实现通讯，将指示及时传达给农机具的操作人员，及时对农机具的操作及作业参数进行修正，建立闭环的控制策略。

2.2.2 农机位置监测

农机作业过程中，位置变化频繁，且整体位移量较大，如果无法对农机的位置进行及时准确的掌握，会影响农业生产的经济性，导致农机燃油消耗过大，因此对于农机位置的监测十分有必要。本农机管理平台通过定位模块与北斗定位系统实现定位监测，其中定位模块由北斗卫星、基准站、云平台及移动站构成；再通过对农机作业区域进行网格划分与坐标划分，有效地提高了农机位置信息的精确程度及管理指示的便捷程度。

2.3 农机ABS 防抱死制动系统诊断系统设计

2.3.1 农机ABS 防抱死制动系统诊断的意义

中国的生产原则与方针为“安全第一、预防为主”，农业生产也要首先考虑安全，自走式农机具自身具备动力，操作过程中有一定的安全隐患，因此自走式农机具的制动系统则是保障农机具安全生产的重要部分。现阶段拖拉机也为了提高制动性能而装备有ABS（Anti-Lock Brake System）防抱死制动系统，其工作原理则是在检测到制动减速度过大的情况下，防止车轮长时间抱死制动，通过不断地“点刹”实现制动，相较于车轮直接抱死进行制动，ABS 防抱死制动系统的优点在于在载具制动的过程中，操作人员仍然可以对载具的行驶方向进行一定的调整，有效避免了因方向调整而导致载具侧翻等危险事故的发生。因此，ABS防抱死制动系统是否正常，直接关系到拖拉机的制动安全与行驶安全，针对拖拉机的ABS 制动防抱死装置的监测是很有必要的。

2.3.2 常见诊断方法的弊端

针对ABS 防抱死制动系统目前常见的监测方法为直观法与读取故障码法，其中直观法是在操作人员感觉到ABS 防抱死制动系统存在故障的情况下，通过视觉观察ABS 防抱死制动系统的各个部件（如驻车制动器、轮速传感器、各继电器等）是否完好或连接正常，容易操作但主观性过强，很难提前对ABS 防抱死制动系统的故障进行及时的检测；而读取故障码法需要载具在非工作状态下进行，ABS 防抱死制动系统的故障信息无法在第一时间通知到农机具的操作人员及管理人员，给农业生产带来一定的安全隐患。因此，本农机管理平台在制动系统检测部分采用概率神经网络的方法对载具的ABS 防抱死制动系统进行诊断，力求在载具ABS 防抱死制动系统出现故障的早期能够对故障进行识别，并及时地将信息发送至农机管理平台。

2.3.3 概率神经网络的建立

概率神经网络不仅结构简单、算法容易设计实现，且对于非线性学习算法的功能，可以通过线性学习方法实现，因而应用范围十分广泛。概率神经网络共包含输入层、模式层、求和层及输出层4 部分[6-7]。针对ABS 防抱死制动系统的具体情况，输入的特征值包括载具速度、左前轮速、右前轮速、左后轮速、右后轮速及横向轮速；而模式层中神经元的数目应为不同类别的训练样本之和[8]；在求和层中，应为一个神经元对应一个训练类别；输出层的神经元数目与求和层是一致的，但输出层中的神经元属于竞争神经元[9]，输出层主要作用是接收求和层的输出[10]。本农机ABS 防抱死制动系统诊断系统神经网络输出应有9 个，分别是：左前车轮轮速传感器故障、右前车轮轮速传感器故障、左后车轮轮速传感器故障、右后车轮轮速传感器故障、左前车轮制动调节器故障、右前车轮制动调节器故障、左后车轮制动调节器故障、右后车轮制动调节器故障及ABS 防抱死制动系统无故障。根据已经确定的输入与输出信息，对这些信息进行编码，其中输入特征值6个，可编码为1—6，而输出值为9 个，可编码为1—9。具体编码信息如表1 所示。

表1 编码信息表

通过事先大量采集相应的信息，输入到诊断系统中对神经网络加以训练，确保神经网络能够学习到ABS 防抱死制动系统诊断的信息与方法。

2.3.4 神经网络的训练与测试

根据之前设计的编码表，使试验拖拉机到试验场地进行试验，用以检验神经网络对拖拉机防抱死制动系统故障的诊断能力与准确程度，但由于疫情影响，无法在室外进行试验。本着科学实践求真的原则，笔者会在后续研究工作中对该部分进行补充及试验，并完成试验数据分析工作。

3 农机管理平台系统结构设计

农机管理平台是通过通讯技术、物联网技术、神经网络技术及软件技术相结合而产生的，具备信号采集、信息展示、信息监测、远程通讯等功能，用以准确地展示出农机管理单位下属的农机具实时的行进速度、位置、ABS 防抱死制动系统是否存在故障等信息。农机管理平台的展示系统处于结构的最上层，即应用层，结合手机端APP 可实现农机管理平台相连接，通过信息上传互联网，打破地理因素的制约，使用户在家亦能够通过手机与网络获取相应的农机作业信息，极大方便了农机的管理工作。

农机管理平台的系统主要由WEB 服务平台与中心数据管理平台2 部分构成。农机管理平台的创建网页与表单网页等基本操作，可以通过嵌入代码，或者通过标记的文本格式加以实现，程序语言可以采用HTML、Java 等进行编程，农机管理平台由此可实现与JavaScript 的互操作。而农机管理平台在农机具作业过程中所有的数据信息采集、分析及其他功能的责任集成平台则被称为中心数据管理平台，通过农机管理平台管理员的权限，针对农机具的种类、作业类型及不同的作业参数等因素，设置不同水平状态下的临界值，一旦农机具作业过程中相应的作业参数不在事先设定的临界值范围内，系统可以发出警告信息以提醒管理人员（用户）对农机具信息进行查看，并及时对相应农机具操作人员进行指示，确保农机操作人员根据指示对操作进行修正调整，实现农机作业的标准化。

4 结论

通过试验与平台的开发，本农机管理平台可以实现针对垦区或农场等单位的农机初步管理，通过传感器、智能控制器及物联网平台的应用，管理人员可以较为直观地观测到单位下辖农机具的作业状况；通过利用概率神经网络，实现在工作过程中对ABS 防抱死制动系统的诊断与检测（受疫情影响无法进行试验，理论可行）；最终通过通讯技术实现对农机管理人员的指示与调整。