0.引言
近年来,世界农业机械装备技术正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成果。这与农业面对世界市场竞争的压力,及集约化、现代化对大型、复杂、高效、节能、环保型农业机械化技术日益提高的要求是密切相关的。近20年来,农业装备技术不断积累的技术创新成果也为这一发展提供了基础。
目前,我国农业还处于逐步推进实现基本农业机械化的发展阶段,与发达国家之间的差距较大,因此跟踪研究发达国家电子信息等方面高新技术在规模化农业和农业机械化服务产业中的应用是很有必要的。
1.农业机械电子化、信息化概述
电子信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着农业机械化技术发展中新的里程碑。电子信息技术使一些农业装置具有智能化的特征，使系统各控制单元间可相互通信,促进了支持基于信息和知识的“精细农业”应用的智能化变量作业农业机装备上的技术创新,可概括为以下5个方面。
1) 提高机械作业的技术性能••过程监视、控制、诊断、通信。
2) 实现节本增效和环境友好的农作•节约化肥、农药、水资源和燃料消耗,降低作业成本;保护生态环境,减少土壤、水体、动植物所遭受的污染。
3) 过程的精确操作•及时获取过程信息,使农业机械操作能精确执行过程控制指令。
4) 改善劳动者的操作条件•良好的人机接口,操作方便、安全、舒适。
5) 发展基于卫星定位系统的农机作业田间导航、定位变量作业的智能控制农业机械,实现农场管理信息系统与田间移动作业机械间的无线通信与机群调度,支持农田作业的科学管理决策等。
智能化农业机械需要有不同类型的采集传感器、适于农机工作环境和结构设计的控制执行器、高性能的电子控制器和相应的软件支持,需要建立拖拉机及其他农业机械各部件电子控制单元间的通信、接口设计标准。这些都需要机械、电子、信息管理等多种学科的集成支持。
2.农业机械电子化、信息化的工程应用
2.1 拖拉机与农业机械内部的电子装备技术
拖拉机与自走式农业机械电子化正向网络化、智能化、分布式控制技术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械,已装置了若干个标准的电子控制单元(ECU),它实际上已是一个带有独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端,是针对农业机械使用环境专门设计的通用微型作业计算机,具有统一标准设计的接口,采用了控制局域网络(简称CAN)技术及其网络通信协议。
图1、2分别是德国FENDT拖拉机和CLAAS谷物联合收割机上应用的CAN总线系统，这已经在欧洲大中型农业机械的内部电子监视与控制系统中应用。机器的若干重要部件采用了独立的带微处理器的电子控制单元,由设置于驾驶室带液晶显示的用户有标准的输入/输出接口，挂接到标准总线上按规定协议进行通信和控制。总线上还留有插接端口,可与外部计算机连接,对总线系统设备进行诊断或实施系统扩展。
农业机械机组的电子控制单元,正在由早期的专用控制器设计向通用控制器方向发展。这样,一个标准的电子控制单元即可用于不同类型的农机部件和不同厂商的产品配套使用。图3是农业机械上采用的通用控制系统示意图。
2.2 拖拉机与农业机械间的总线通信技术
拖拉机和各种农业机械上所应用的智能化电子控制单元的发展,使其接口的通用化、标准化设计变得日益重要。通常都是在拖拉机和联合收割机的驾驶室内,安装可以和不同机型配套的通用型智能显示终端。采用双绞线或光纤电缆构筑机组内的“信息高速公路”,即数据通信链路,它是基于CAN总线技术的串行总线结构。各种机器部件或不同形式的农业机器电子控制单元被设计成具有与总线挂接的标准接口,包括硬件芯片和可编程软件,使得机组上各个相对独立的ECU间均可与中央控制器及显示单元交换信息,接受控制指令,也可在各个农机具或部件的E-CU之间传输和交换数据信息，实现拖拉机与农机具间、农机具相互间和拖拉机中央控制器与农场计算机之间的串行通信。为了使农机具上的电子系统具有通用性、兼容性,建立通用的总线通信设计标准十分必要的。这样可使农户在国际市场上选购不同厂商的机器时，便于拖拉机与各种农业机械的ECU间的配套连接；对制造商来说,通用标准的建立,使其仅需关注ECU用户一侧与机器控制相关的设计或建立其闭环控制系统，而不需要去深入了解ECU与其他设备之间接口，只要将其插接到总线标准插座上即可，在总线上的数据信息交换仅以双向开环方式进行。设计农业机械的专用总线接口、通信协议和开发生产集成物理特性和软件协议的硬件电路,需要具有高集成度的IC芯片嵌入式微控制器丨。为此,CAN协议被选用作为农业机械应用的总线标准协议的基础。它是德国BOSCH公司开发用于汽车的总线通信协议标准。其工作方式与农业机械上的网络拓扑结构十分相似，支持CAN协议的接口通信芯片已可由世界各地IC供应商提供。1986年,德国首先提出了基本CAN2.0版本的农业机械总线标准(DIN9684),并从1993年起被欧洲各国的农业机械制造厂家普遍采用。20世纪90年代中期,以DIN9684为基础,国际标准化组织(ISO)正在加速制定基于CAN2.0B版本基础上的国际标准,可望在近两年内完成。DIN9684农业总线标准的应用原理如图4、5所示。
2.3人机接口技术
拖拉机和农业机械在作业中,都需要人来操纵和控制。传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电子监视仪表取代,并逐步由单一参数显示方式向智能化信息显示终端过渡,从而大大改善了人机交互界面。这种智能化显示终端,实际上就是一台带液晶显示屏的计算机。它代表了当今仪器与控制装置发展的主流方向，又常被称为虚拟化仪器显示终端"VirtualDisplayTer-minal)。它可在屏幕上按操作者的需求,通过屏幕任意选择显示机组中不同部分的终端信息,调用数据库信息,显示数据、图形、语音等多媒体信息。并可将数据信息动态存入类似信用卡尺寸大小的高密度智能化数据存储卡,将田间记录的数据信息通过智能卡带回办公室,由计算机应用高级软件进行处理。也可以将管理者的决策和操作指令通过智能卡传送到拖拉机上的智能控制终端,自动控制农机的操作。图6是现代大型拖拉机驾驶室内带有智能化显示终端和良好人机工程设计的操作环境实例。
2.4农场农业机械化中的机群调度与管理决策支持技术
欧洲一些大农场,已开始建立和使用农场办公室计算机与移动作业机械间通过无线通信进行数据交换的管理信息系统。其通信协议及接口标准已在DIN9684-5中加以定义。这可以使农场管理调度中心计算机直接调用各个田间作业机械智能终端存储的作业数据,存入农场计算机的数据库中。由于农场计算机具有比移动作业机强大得多的信息存储、处理功能,专家知识库和管理决策支持系统,通过计算机处理后,制定详细的农事操作方案和导航作业计划后，通过无线通信数据链路传回到田间移动作业机。机器发生故障,操作者也可调用具有强大分析功能的办公室计算机诊断处理程序。现代通信技术革命的成果,已开始应用于农业机械化作业的远程管理中。
3.结语
电子信息技术与其它新技术在农业机械中应用研究的发展,既促进了新世纪农业机械化系统电子信息化技术的创新研究与新产品开发,也为适应“精细农业”技术体系的试验实践开发智能化变量作业农业机械提供了基础。
我国农业还处于逐步推进实现基本农业机械化的发展阶段,为了提高我国大中型农业装备产品在国际市场上的竞争力,需要科研与技术人员在学习和研究发达国家先进经验的基础之上,加速推进高新技术在规模化农业和农业机械化服务产业中的应用,以实现我国农业机械电子信息化技术的跨越式发展。
