農(nóng)機(jī)檢測(cè)通用接口技術(shù)處理系統(tǒng)的研究

宋瑜清，姚運(yùn)仕，蔣姣麗

（廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，廣州 510515）

農(nóng)機(jī)檢測(cè)通用接口技術(shù)處理系統(tǒng)的研究

宋瑜清，姚運(yùn)仕，蔣姣麗

（廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，廣州 510515）

本文論述了農(nóng)機(jī)檢測(cè)通用接口技術(shù)研究的必要性、可行性，說(shuō)明了該系統(tǒng)的基本構(gòu)成，以及該技術(shù)研究應(yīng)用后的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，提高檢測(cè)手段水平，降低人為干擾，提高工作效率，解決“檢不準(zhǔn)、檢不快”的問(wèn)題。

信息采集 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)控制 接口 通用

0 引言

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能將是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)工程發(fā)展的重點(diǎn)，各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人或智能化系統(tǒng)將在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制中不斷應(yīng)用，推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，向農(nóng)機(jī)檢測(cè)提出更高的要求。目前農(nóng)機(jī)檢測(cè)普遍使用單一設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，而集成通用接口的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)很少，或基本沒(méi)有。如檢測(cè)增氧機(jī)性能，增氧能力用溶解氧分析儀，電機(jī)溫升用萬(wàn)表，功率、電流和電壓用電能綜合測(cè)試儀，噪聲用聲級(jí)計(jì)，質(zhì)量用電子稱，如果采用通用接口技術(shù)，則可以把檢測(cè)增氧機(jī)的性能參數(shù)集中在一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)中完成，不但可以提高檢測(cè)的效率，而且可以提高檢測(cè)的一致性和準(zhǔn)確性。所以，研制通用型農(nóng)機(jī)檢測(cè)接口的信號(hào)處理系統(tǒng)，就可以連接不同的傳感器，從而達(dá)到同時(shí)、高效地完成農(nóng)機(jī)的檢測(cè)。因此，利用微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化和技術(shù)性能的融合，研制可以處理農(nóng)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)不同類型信號(hào)的數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是提升農(nóng)機(jī)檢測(cè)水平的關(guān)鍵技術(shù)保證。

1 農(nóng)機(jī)檢測(cè)通用接口技術(shù)處理系統(tǒng)的基本構(gòu)成

系統(tǒng)的基本構(gòu)成為三個(gè)部分：信息采集部分、數(shù)據(jù)接收和控制部分、數(shù)據(jù)處理部分，分別位于整個(gè)系統(tǒng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層，基本構(gòu)成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 基本構(gòu)成框圖

信息采集系統(tǒng)中配置不同的連接口，每個(gè)接口設(shè)計(jì)可更換接入方式，以適應(yīng)不同傳感器或信號(hào)接收器方便接入，電源采用蓄電池供電。

數(shù)據(jù)接收和控制系統(tǒng)采集不同傳感器或信號(hào)接收器檢測(cè)到的信號(hào)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，形成修正因子；根據(jù)修正因子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，然后形成最終檢測(cè)結(jié)果，最后通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和有線傳輸方式把數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把接收的數(shù)據(jù)形成報(bào)表，并對(duì)單獨(dú)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，形成最終檢測(cè)結(jié)果，然后通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

2 系統(tǒng)的組成

2.1 硬件

該系統(tǒng)的硬件主要是信號(hào)采集器（信息采集部分或稱傳感器）、信號(hào)傳輸器（數(shù)據(jù)接收和控制部分）、終端顯示器（數(shù)據(jù)處理部分）三部分組成，首先要對(duì)這些硬件進(jìn)行信號(hào)通信傳輸?shù)倪x配。

2.1.1 信號(hào)采集器（傳感器）

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械，檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)主要是溫度、濕度、水壓力，氣體壓力，質(zhì)量、流量、拉壓力、太陽(yáng)輻射、光強(qiáng)。為了滿足更多的檢測(cè)參數(shù)，接入18個(gè)傳感器接口，因?yàn)椴煌夹g(shù)參數(shù)傳感器的信號(hào)（采集的數(shù)據(jù)）不同，分別設(shè)置符合溫度、濕度、水壓力，氣體壓力，質(zhì)量、流量、拉壓力、太陽(yáng)輻射、光強(qiáng)等接口，為了方便數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信傳輸，同時(shí)減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的衰減，選擇的傳感器必須滿足有rs232或rs485接口，并提供modbus協(xié)議；對(duì)于傳感器的量程，可以按需要選配，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以適配不同量程的傳感器。

2.1.2 信號(hào)傳輸器

采用無(wú)線和有線兩種方式進(jìn)行。有線比較簡(jiǎn)單，直接用USB傳輸線就可以；無(wú)線傳輸選擇無(wú)線傳輸模塊。無(wú)線傳輸模塊現(xiàn)有技術(shù)分別是采用433 MHz頻段無(wú)線數(shù)據(jù)終端DTD433，或GPRS透明傳輸數(shù)據(jù)終端DTP_S09F。前者可以傳輸3 km以內(nèi)范圍，后者只要中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋，就可以跨越不同地域甚至不同國(guó)家?？紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械在野外作業(yè)比較多，無(wú)線通訊距離設(shè)置在1 km以上就可以滿足要求，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，無(wú)線傳輸采用采用433 MHz頻段無(wú)線數(shù)據(jù)終端DTD433，為了提高接收靈敏度及減少誤碼率，傳輸數(shù)據(jù)速率控制在2.5 kbps左右，傳輸?shù)拇a組格式為前導(dǎo)碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀，前導(dǎo)碼長(zhǎng)度12 ms，以避開(kāi)背景噪聲，減少數(shù)據(jù)第一位被干擾（即零電平干擾）而造成接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，同時(shí)采用CPU編譯碼在數(shù)據(jù)識(shí)別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾。

2.1.3 終端顯示器

采用電腦顯示和打印機(jī)輸出，電腦的技術(shù)要求滿足CPU主頻1.9 GHz，內(nèi)存容量2 G，硬盤容量500 GB，有帶光驅(qū)。

2.2 軟件

考慮到檢測(cè)的通用性，以及農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)升級(jí)，檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)作相應(yīng)的升級(jí)和提高精度，因此必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，所以必須選擇一個(gè)可以方便修改的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。組態(tài)軟件，或說(shuō)是組態(tài)式監(jiān)控軟件，功能非常強(qiáng)大，具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開(kāi)放數(shù)據(jù)接口、廣泛支持I/O，用戶可以根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)可以升級(jí)和修改。如果用匯編、C等語(yǔ)言進(jìn)行編制一套控制系統(tǒng)，編制時(shí)間長(zhǎng)，價(jià)格非常昂貴，而且穩(wěn)定性比較差，升級(jí)和增加功能都受到嚴(yán)重的限制，倘若原來(lái)的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而會(huì)相當(dāng)困難。

2.2.1 組態(tài)軟件功能特點(diǎn)

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的使用方法，它解決了控制系統(tǒng)通用性問(wèn)題。其預(yù)設(shè)的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。組態(tài)軟件通常有以下幾方面的功能：

1）強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能。目前，工控組態(tài)

軟件大都運(yùn)行于Windows環(huán)境下，充分利用Windows的圖形功能完善界面美觀的特點(diǎn)，可視化的m風(fēng)格界面、豐富的工具欄，操作人員可以直接進(jìn)人開(kāi)發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時(shí)間。

2）良好的開(kāi)放性。社會(huì)化的大生產(chǎn)，使得系統(tǒng)構(gòu)成的全部軟硬件不可能出自一家公司的產(chǎn)品，“異構(gòu)”是當(dāng)今控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一。開(kāi)放性是指組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備。開(kāi)放性是衡量一個(gè)組態(tài)軟件好壞的重要指標(biāo)。組態(tài)軟件向下應(yīng)能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通信。

3）豐富的功能模塊。提供豐富的控制功能庫(kù)，滿足用戶的測(cè)控要求和現(xiàn)場(chǎng)要求。利用各種功能模塊，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、產(chǎn)生功能報(bào)表、顯示歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、提俠報(bào)警等功能，使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，易于操作，系統(tǒng)既叫適用于單機(jī)集中式控制、DCS分布式控制，也可以是帶遠(yuǎn)程遇信能力的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。

4）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。配有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，如模擬量、離散量、字符型等，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

5）可編程的命令語(yǔ)言。有可編程的命令語(yǔ)言，使用戶可根據(jù)自己的需要編寫程序，增強(qiáng)圖形界面。

6）周密的系統(tǒng)安全防范，對(duì)不同的操作者，賦予不同的操作權(quán)眼，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

7）仿真功能.捉供強(qiáng)大的仿真功能使系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)，從而縮短開(kāi)發(fā)周期[1]。

2.2.2 軟件控制流程圖

該軟件系統(tǒng)必須完成接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)的軟件功能，同時(shí)考慮到通用性，必須有一個(gè)人機(jī)對(duì)話窗口，該窗口必須具備設(shè)置修改傳感器量程、不同技術(shù)參數(shù)修正因子和指令接口改變接入形式，大概流程如圖2。

圖1 軟件控制流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性?？商岣邫z測(cè)手段水平，降低人為干擾，提高工作效率，解決“檢不準(zhǔn)、檢不快”的問(wèn)題?？梢源蚱苽鹘y(tǒng)笨重而不精準(zhǔn)的農(nóng)機(jī)檢測(cè)方式，檢測(cè)人員可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)，便可以實(shí)時(shí)得到檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅可以減輕繁重的工作量，還可以提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在用于一些高危、高溫作業(yè)的農(nóng)機(jī)檢測(cè)，解決了一些項(xiàng)目“檢不了”的問(wèn)題，而且還降低檢測(cè)人員的工作危險(xiǎn)。

[1]Kliwei.組態(tài)軟件的功能分析[OL].[2008-11-12]. http://www.dzsc.com.

2012年廣東省扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目——通用型農(nóng)機(jī)檢測(cè)接口的信號(hào)處理系統(tǒng)研制。

宋瑜清（1975—），男，廣東梅縣人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事儀器設(shè)備管理及農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定、檢測(cè)工作。