傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄢發(fā)東 陳永虎 高剛毅

（荊楚理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 湖北省荊門市 448000）

近年來，國家在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展給予了較大的政策扶持與資金支持，許多地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展取得了突出成就，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。當(dāng)前許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都配備有專門的農(nóng)業(yè)機(jī)械，用機(jī)械化取代了人工作業(yè)，但農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性與農(nóng)業(yè)機(jī)械性能、功能緊密關(guān)聯(lián)，傳感技術(shù)作為自動化系統(tǒng)內(nèi)的重要技術(shù)，可大大提高機(jī)械自動化水平。未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需繼續(xù)推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化，不斷拓展傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1 傳感器發(fā)展

信息時代下計算機(jī)信息技術(shù)保持高速發(fā)展的狀態(tài)，由此衍生了很多全新的技術(shù)，傳感技術(shù)就是典型表現(xiàn)。在目前的經(jīng)濟(jì)社會領(lǐng)域，傳感技術(shù)被應(yīng)用到了方方面面，如環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械制造等。人們在獲取外界信息時主要依賴的是自身的感覺器官，而傳感器相當(dāng)于人體的感覺器官，在有需要的情況下科學(xué)配備傳感器，可用傳感器來感受外界的變化，采集信息。當(dāng)前我國的傳感技術(shù)越發(fā)成熟，在人工智能等技術(shù)的支持下傳感器呈現(xiàn)微型化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢，在帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面具有重要的意義。結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)生活領(lǐng)域的傳感器使用情況，第三代傳感器的應(yīng)用范圍較廣，此類傳感器中集成了更多的現(xiàn)代技術(shù)，具有更強(qiáng)的智能化水平。當(dāng)前國內(nèi)外都非常重視傳感技術(shù)，增大了此項技術(shù)中的研發(fā)投入，隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳感技術(shù)必將有嶄新的發(fā)展，在更多領(lǐng)域有所應(yīng)用。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械化中傳感器自動化控制技術(shù)

2.1 底盤控制用傳感器

圖1：平地機(jī)自動控制系統(tǒng)

在很多農(nóng)業(yè)機(jī)械中傳感器都是不可或缺的設(shè)備，傳感器的性能是否良好關(guān)乎機(jī)械設(shè)備的性能穩(wěn)定性、功能全面性。根據(jù)目前市場上的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與使用情況，即使為一個普通的農(nóng)業(yè)機(jī)械，其中也會包含至少20 個傳感器，這些傳感器在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行中有著不可替代的作用，每個傳感器都有其特殊的作用，如發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)中的傳感器功能有些微差別。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械中傳感技術(shù)的應(yīng)用水平是關(guān)鍵，如傳感技術(shù)先進(jìn)，配備的傳感器功能齊全且具有更高的智能化水平，就可提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化水平。完整的農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)中如不合理利用傳感技術(shù)來監(jiān)測控制對象，將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行中的風(fēng)險較大，無法正常開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。如在農(nóng)墾系統(tǒng)中使用大功率輪式拖拉機(jī)時，若要提高這一機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行可靠性，保障其工作效率，必須合理利用傳感技術(shù)[1]。在不同系統(tǒng)中傳感器的功能、作用差異顯著，但傳感器的作用原理卻大同小異。農(nóng)業(yè)機(jī)械如拖拉機(jī)、收割機(jī)、制米機(jī)、灌溉機(jī)等，其中都安裝有傳感器，在機(jī)械運(yùn)行過程中傳感器負(fù)責(zé)采集信息，將其采集的信息傳送給控制系統(tǒng)，最后由控制系統(tǒng)執(zhí)行指令，這一過程下更能保障控制的精確性，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行效率。現(xiàn)階段的技術(shù)條件下，電子控制系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械控制可靠性不足、效率偏低等問題，系統(tǒng)內(nèi)配備的傳感器可在機(jī)械運(yùn)行的過程中實時采集數(shù)據(jù)，將空氣濕度、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)量等有關(guān)信號傳送給控制終端。

農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)動機(jī)中傳感器為核心構(gòu)成，通過配備傳感器可優(yōu)化發(fā)動機(jī)整體性能，使發(fā)動機(jī)能穩(wěn)定、安全運(yùn)行，保持最佳的工作狀態(tài)，降低油耗、減少廢氣，即使農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生了故障，傳感器也能采集到完整、準(zhǔn)確的故障信息，及時反饋故障信息，保障故障處理的及時性。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性決定了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性與惡劣性，為此，前期的設(shè)計制造環(huán)節(jié)有關(guān)人員需根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的類型及作業(yè)環(huán)境，科學(xué)配備傳感器，使后續(xù)農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行中傳感器采集、傳送信息，提高控制精度，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械故障率。

2.2 光電傳感器

在農(nóng)業(yè)機(jī)械中光電傳感器也相對常用，此類傳感器在采集到物理值后能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光電信息變化值，之后再由光電器件將光電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)信號。結(jié)合光電傳感器的構(gòu)成，主要有光電單元、光源器件、光學(xué)通道幾個部分，不同部分之間通過相互協(xié)調(diào)，能發(fā)揮傳感器在采集信息中方面的作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面播種機(jī)的使用頻次較高，在很多地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對此機(jī)械的依賴性較大，播種過程中自動化控制系統(tǒng)需科學(xué)調(diào)節(jié)播種機(jī)的響應(yīng)速度。在播種過程中，如能科學(xué)配備光電傳感器，就可精準(zhǔn)測量播種量，高效完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。光電傳感器的整體構(gòu)造簡單，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，且成本較低，安裝了這一傳感器后的播種機(jī)，機(jī)械性能不受影響[2]。目前的技術(shù)發(fā)展趨勢下，光電傳感技術(shù)成為了先進(jìn)的種子籽粒間距檢測技術(shù)，通過地輪的前進(jìn)速度、兩個籽粒間距來精準(zhǔn)檢測種子籽粒長度，在導(dǎo)管的恰當(dāng)位置科學(xué)安裝光電傳感器，由該傳感器來采集間距信息，如每一顆種子被光敏探測器阻擋時傳感器同步產(chǎn)生脈沖信號，而該信號能被自動轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，被系統(tǒng)捕捉到，這一過程中導(dǎo)管中的種子數(shù)被轉(zhuǎn)換為微處理器可識別的信號。播種機(jī)中光電傳感器的這一工作原理及過程，表明傳感器與播種機(jī)性能、效率之間的緊密聯(lián)系，在使用播種機(jī)時有關(guān)人員需做好光電傳感器的配置、安裝、檢修與維護(hù)?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化水平顯著提高，部分農(nóng)用噴藥利用液壓機(jī)構(gòu)平衡、固定了噴藥桿位置，再加上有自動化模塊的保障，能實時采集機(jī)械的行駛速度、植保面積、噴藥壓力、噴藥量等基本信息，當(dāng)作業(yè)環(huán)境有變化的情況下及時調(diào)整有關(guān)參數(shù)。

2.3 GPS 定位技術(shù)的應(yīng)用

一些現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)也在農(nóng)業(yè)機(jī)械中采用了GPS定位技術(shù)，在農(nóng)耕作業(yè)中為實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作狀態(tài)，GPS 定位技術(shù)必不可少，通過建立GPS 系統(tǒng)可全面收集、分析數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行可靠性。在一些農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用中，受限于狹小的區(qū)域環(huán)境、惡劣的生產(chǎn)條件，機(jī)械的控制精度不足，而利用GPS 技術(shù)，則可以有效解決這一問題，但要進(jìn)一步保障控制精確性，還需有一定的數(shù)字補(bǔ)償[3]。具體來說，有關(guān)人員需構(gòu)建實物模型及其相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，將兩個模型相結(jié)合構(gòu)成精密度更高的數(shù)字模型，利用該模型提高GPS 的定位精度，使農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化系統(tǒng)有更高的控制能力，高效完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)一定誤差，為減小誤差必須使用傳感器，配備特定類型的傳感器，該傳感器在接收到模擬信號后轉(zhuǎn)變A/D，再由處理器完成數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)零點漂移，將偏差控制在正常標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

2.4 電子式汽車機(jī)油壓力傳感器技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常配備拖拉機(jī)，為此機(jī)械設(shè)備中電子式汽車機(jī)油壓力傳感器技術(shù)必不可少，科學(xué)應(yīng)用該技術(shù)后能發(fā)揮其自動導(dǎo)航優(yōu)勢，從多個角度提高農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行效率，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行更為安全。通過配備定位傳感器，能采集和處理頻率信息，再加上其中有絕對定位與相對定位技術(shù)，可使自動化系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。傳感器技術(shù)和激光技術(shù)在水田農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用較多，科學(xué)采用這兩種技術(shù)可有效避免人工作業(yè)下農(nóng)作物間距過小的情況，將農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)換角度控制在合理范圍內(nèi)，由激光與聲吶技術(shù)的配合獲取完整且準(zhǔn)確的道路信息，最后再在GPS 輔助下得到完整的行駛錄像。

2.5 水分檢測技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也涉及選種環(huán)節(jié)，原先的選種環(huán)節(jié)主要為人工方式，效率低且一些情況下選出的種子不符合要求，水分檢測技術(shù)恰好可以改變這一情況。通過科學(xué)應(yīng)用水分檢測技術(shù)，可自動采集種子中的水分含量信息，這種數(shù)據(jù)采集過程包含電阻式檢測、電容式檢測，但還需添加熱敷。實際上，水分檢測的核心就是配備傳感器，由傳感器自動感知水分情況。目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水分檢測技術(shù)的應(yīng)用相對普及，特別是在大規(guī)模農(nóng)場中，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，水分檢測技術(shù)還將有新的發(fā)展。

2.6 傳感器自動化機(jī)械插秧機(jī)的應(yīng)用

市場上的部分插秧機(jī)中也采用了傳感技術(shù)，利用傳感技術(shù)可使插秧機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中正常工作，高效、高質(zhì)量完成插秧任務(wù)。以乘坐式插秧機(jī)為例，為確保秧苗插種的連續(xù)性，相關(guān)人員必須合理把控秧箱上的秧苗數(shù)量，采用自動補(bǔ)苗預(yù)告技術(shù)。目前市場上有傳感器自動化機(jī)械插秧機(jī)，該機(jī)械的特殊性就在于在秧箱板上有微動式開關(guān)傳感器，如秧苗重量較大可壓住傳感器，切斷其與警報燈的連接線路，感應(yīng)燈不亮；如秧苗數(shù)量較少，傳感器將與感應(yīng)燈連接，發(fā)出補(bǔ)苗信號，提醒有關(guān)人員及時補(bǔ)苗[4]。傳感器自動化機(jī)械插秧機(jī)在應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中時也存在問題，如漏插情況較為常見，后續(xù)在傳感技術(shù)持續(xù)發(fā)展的過程中需重點關(guān)注漏插問題。另外，在傳感器自動化機(jī)械插秧機(jī)中還設(shè)置有車輪升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此系統(tǒng)中有傳感器技術(shù)，有效保障了系統(tǒng)的可靠性。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)用車在田間正常行走，符合插秧深度標(biāo)準(zhǔn)，插秧機(jī)中的車輪升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)要發(fā)揮作用，在機(jī)體處于下沉狀態(tài)時，秧船相對機(jī)體下沉呈上升趨勢，使秧船與地面的平行距離相同，控制插秧深度，避免深度過大；如機(jī)體上升，秧船下降，可避免插秧深度不足的情況。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的傳感器技術(shù)的運(yùn)用

3.1 傳感器自動化機(jī)械插秧機(jī)的使用

3.1.1 補(bǔ)苗預(yù)告

以乘坐式插秧機(jī)為例，該機(jī)械在水稻插秧中較為常見，利用此農(nóng)業(yè)機(jī)械時相關(guān)人員需重點關(guān)注插種秧苗是否連續(xù)，避免出現(xiàn)漏插現(xiàn)象。具體來說，有關(guān)設(shè)計人員需結(jié)合乘坐式插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)特點及工作原理來采用自動化補(bǔ)苗預(yù)告技術(shù)，使得乘坐式插秧機(jī)工作時能自動識別到漏苗情況并自動預(yù)告補(bǔ)苗。補(bǔ)苗預(yù)告裝置中，在秧箱板上配備有微動式開關(guān)傳感器，秧苗較重的情況下，如秧苗重量較大，將對傳感器產(chǎn)生壓力作用，秧苗壓住傳感器，警報燈連線被切斷，感應(yīng)燈不亮；秧苗數(shù)量相對較少的情況下，因為此時的秧苗重量相對較小，無法壓住傳感器，傳感器與警報燈之間保持可靠連接，一旦采集到存在漏插的信息時，就會立即發(fā)送補(bǔ)苗信號，與此同時感應(yīng)燈亮起，當(dāng)農(nóng)戶看到感應(yīng)燈亮的情況下開始補(bǔ)苗。

3.1.2 車輪升降調(diào)節(jié)裝置

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)田條件參差不齊，一些農(nóng)田為平整的大塊土地，而另一些為凹凸不平的小塊土地，平整的大塊土地更有利于機(jī)械化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械行走更為便捷與安全，但如面臨一些凹凸不平的田地，農(nóng)業(yè)機(jī)械行走不便，操作不當(dāng)可能出現(xiàn)事故[5]。為此，插秧過程中如面臨凹凸不平的田地，且需保障插秧深度符合要求，相關(guān)人員需適當(dāng)改造機(jī)械體、插秧裝置，如使用升降裝置及，該設(shè)備上配備有傳感器，能在機(jī)械行走時采集信息。

如機(jī)體處于下沉狀態(tài)，秧船將與機(jī)體同步上升，由于張緊輪上安裝有秧船，該秧船同樣為上升狀態(tài)，再在皮帶輪張緊狀態(tài)下驅(qū)動油缸與油泵動作，在插到特定深度后使插秧裝置上升，這一工作過程下使插秧機(jī)的插秧深度更為合理，不會過深。機(jī)體逐步上升階段秧船持續(xù)下降，在張緊輪秧船、油缸、油泵等的聯(lián)合作用下，插秧機(jī)裝置下降，不會插得過淺。

3.2 自動化傳感器技術(shù)在果樹中的使用

果樹采摘的工作量大，原有的技術(shù)條件相對落后，采摘任務(wù)完全由人工來完成，再加上采摘過程中需區(qū)分大果與小果，還需要區(qū)分果子的顏色等，都給采摘帶來了較大的難度，工作效率相對偏低。為了采摘的便捷性，可配備顏色選果機(jī)。

根據(jù)選果機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，光電晶體管與光電管為其中的關(guān)鍵構(gòu)成，利用選果機(jī)工作時主要是通過分析光的發(fā)射強(qiáng)度來判定果實的成熟度，如判定該果實未成熟，則立即通過氣缸作用來將此果實排出。果園中果實的成熟度不一，在顏色方面存在明顯差異，光的反射情況各有不同，反射率有大有小，相關(guān)人員通過全面、精準(zhǔn)分析反光強(qiáng)度來判斷果實的成熟程度，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。水果分選機(jī)如圖2所示。

圖2：水果分選機(jī)構(gòu)成

照射光對選果機(jī)的工作往往會產(chǎn)生或大或小的影響，為有效減弱這一方面的干擾，可利用電鹵燈，在此情況下擴(kuò)大觀察面積，利用光導(dǎo)纖維，僅通過紅光或綠光濾色器來判定與檢測光強(qiáng)度，進(jìn)而判定果實顏色、成熟度。在選果機(jī)工作期間，傳感器負(fù)責(zé)采集光信息，再將此信息傳遞給自動模塊，由該模塊處理信息后再執(zhí)行操作指令。

3.3 半喂入聯(lián)合收割機(jī)的自動化農(nóng)作物機(jī)械

收割機(jī)也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為常見的機(jī)械設(shè)備，在傳感技術(shù)發(fā)展下市場上出現(xiàn)了一種半喂入聯(lián)合收割機(jī)的自動化機(jī)械，在此設(shè)備的運(yùn)行中能自動控制喂入深度。為保障收割機(jī)在各種條件下都能保障最佳的工作狀態(tài)，可將喂入深度這一指標(biāo)作為自動控制的部分。在半喂入收割機(jī)中，輸送鏈結(jié)合扶禾器等部件安裝有傳感器，在機(jī)械工作期間傳感器能自動檢測莖稈作物情況，將采集的信息傳遞給控制模塊，再由控制模塊根據(jù)信息來控制喂入深度，實現(xiàn)收割。半喂入聯(lián)合收割機(jī)如圖3所示。

圖3：半喂入聯(lián)合收割機(jī)

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中各種機(jī)械逐步被應(yīng)用到了生產(chǎn)活動中，但農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化系統(tǒng)中的傳感技術(shù)為關(guān)鍵。目前的技術(shù)條件下傳感技術(shù)雖有所發(fā)展，但在未來農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化過程中傳感技術(shù)還有巨大的發(fā)展?jié)摿?，相關(guān)人員需持續(xù)創(chuàng)新傳感技術(shù)，提高技術(shù)水平。