基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自走式農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)的理論設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

張藝越，李超超，王清清，范晉偉

（1.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，浙江 金華 321000；2.安徽信息工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用量以及其覆蓋面不斷上升[1-2]，對(duì)于中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言起著積極的作用。通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力與畜力進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率都大幅提高，但由于缺乏科學(xué)的管理，農(nóng)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)化水平較低，一定程度上對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著制約作用。由于墾區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積較大，簡(jiǎn)單地通過(guò)人力監(jiān)測(cè)或管理農(nóng)機(jī)作業(yè)水平與質(zhì)量較為困難，因此本文旨基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)農(nóng)機(jī)的統(tǒng)一管理與監(jiān)測(cè)。

1 農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)系統(tǒng)工作流程

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，拖拉機(jī)是主要農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，它不僅可以提供較大的扭矩實(shí)現(xiàn)對(duì)其他農(nóng)業(yè)機(jī)具（如移栽機(jī)等）的作業(yè)牽引，還可以通過(guò)其動(dòng)力輸出裝置，即PTO（Power Taken Off）實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，為與它相連的農(nóng)業(yè)機(jī)械（如旋耕機(jī)等）提供動(dòng)力。本文以黑龍江墾區(qū)目前所主要應(yīng)用的約翰迪爾7830 型拖拉機(jī)為例，該拖拉機(jī)具有扭矩大[3]、性能可靠、便于操縱、能夠支持多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)等特點(diǎn)，特此選用該拖拉機(jī)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)試。農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的組成部分如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)組成部分

通過(guò)定位模塊，實(shí)現(xiàn)作業(yè)農(nóng)機(jī)具（本文中為拖拉機(jī)）的位置確定。同時(shí)可通過(guò)加裝在農(nóng)機(jī)具中的各類傳感器，在農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)作業(yè)信號(hào)的采集[4]，并將信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到平臺(tái)中。農(nóng)機(jī)具的管理人員則通過(guò)顯示模塊，觀測(cè)到相應(yīng)的信息，并進(jìn)行判斷與分析，對(duì)農(nóng)機(jī)具的下一步作業(yè)給出及時(shí)指示，管理人員與農(nóng)機(jī)操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程通訊模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。

1.2 平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因而總體架構(gòu)由4 部分構(gòu)成，分別為感知層、核心層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。4 部分的任務(wù)與功能各不相同，但是在工作過(guò)程中又互有聯(lián)系，任何一部分出現(xiàn)故障或任一功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，都將影響農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的運(yùn)行，只有當(dāng)4部分全部正常運(yùn)行，所有功能正常的情況下，整個(gè)農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)才能正常運(yùn)行。農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的總體架構(gòu)圖

由圖2 可知，感知層主要由傳感器和衛(wèi)星構(gòu)成，其作用在于對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)情況的了解，感知層將信號(hào)進(jìn)行分類轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送到核心層中。核心層主要由CAN（Controller Area Network）總線、ECU（Electronic Control Unit）、定位板卡、基站和顯示終端構(gòu)成，核心層接收感知層上傳的信號(hào)，并將信號(hào)通過(guò)無(wú)線技術(shù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層[5]。網(wǎng)絡(luò)層主要由定位模塊及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊構(gòu)成，其中定位模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在云平臺(tái)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)部分可通過(guò)TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議予以實(shí)現(xiàn)；而網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的作用是將ECU 或智能控制器中整合好的數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，從而將信息傳遞到農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的應(yīng)用層中，這一過(guò)程可通過(guò)利用GPRS（General Packet Radio Services）與移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊手段加以實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互功能可以通過(guò)搭建農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)感知層、核心層、網(wǎng)絡(luò)層的共同作用，實(shí)時(shí)掌握農(nóng)機(jī)具的作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)利用無(wú)線通訊技術(shù)，對(duì)農(nóng)機(jī)具的操作人員進(jìn)行指示與交流，及時(shí)對(duì)農(nóng)機(jī)具的操作及作業(yè)參數(shù)進(jìn)行修正。

2 農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)具體化設(shè)計(jì)

2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)主要提供給類似于黑龍江墾區(qū)等具備大地塊與大量作業(yè)機(jī)具的單位，以便于針對(duì)同時(shí)作業(yè)的各種農(nóng)機(jī)具進(jìn)行統(tǒng)一管理，因而軟件平臺(tái)主要在辦公室等地點(diǎn)登錄，并不是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一線，主要使用人群為管理人員。農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的用戶界面主要由“用戶名”“密碼”及“驗(yàn)證碼”等輸入界面，以及“登錄”和“退出”按鈕構(gòu)成，其中驗(yàn)證碼可在每次登錄時(shí)隨機(jī)抽取4 位由數(shù)字和字母構(gòu)成的信息要求用戶填寫(xiě)，是為了加強(qiáng)系統(tǒng)平臺(tái)的安全性，避免農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)受到攻擊的必要保障措施。在農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)正式投入使用之前，農(nóng)機(jī)管理單位應(yīng)委托系統(tǒng)管理員將每位管理者的用戶名與密碼輸入到平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，每個(gè)用戶名可對(duì)應(yīng)一個(gè)密碼，只有當(dāng)用戶名與密碼相匹配，且用戶名與密碼均存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中的情況下，用戶方可進(jìn)入管理系統(tǒng)。

同時(shí)，根據(jù)管理者的職責(zé)不同，其管理內(nèi)容也不盡相同，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的權(quán)限，在用戶對(duì)農(nóng)機(jī)具作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)閱及對(duì)農(nóng)機(jī)具操作人員進(jìn)行指示的情況下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)根據(jù)用戶名和相應(yīng)權(quán)限進(jìn)行判斷，只有在用戶名與權(quán)限相匹配的情況下，用戶才能進(jìn)行相關(guān)的操作，否則無(wú)法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的功能進(jìn)行使用。

農(nóng)機(jī)管理單位內(nèi)的人員流動(dòng)，包括人員離職、退休、新人員進(jìn)入及人員內(nèi)部崗位調(diào)動(dòng)，均可將相關(guān)信息上報(bào)到系統(tǒng)管理員，由系統(tǒng)管理員在最高權(quán)限下對(duì)農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行增、刪、改等修正。

2.2 農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)

農(nóng)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中環(huán)境較為惡劣，且針對(duì)于墾區(qū)這種大量農(nóng)機(jī)具同時(shí)工作的情況下，對(duì)其作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)控十分困難。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)具的統(tǒng)一管理與監(jiān)測(cè)，農(nóng)機(jī)具的各種作業(yè)信息可通過(guò)事先加裝在農(nóng)機(jī)具上的傳感器進(jìn)行采集，傳感器采集到的信號(hào)通過(guò)局域控制網(wǎng)絡(luò)CAN 總線上傳至ECU 及智能控制器，再上傳至農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理裝置；農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)將通過(guò)顯示電路為主體的顯示模塊，將相應(yīng)的信息可視化地展示給管理人員（即用戶），管理人員通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行判斷與分析，可有針對(duì)性地對(duì)某些或某個(gè)農(nóng)機(jī)具的操作給出指示；通過(guò)終端與農(nóng)機(jī)具的遠(yuǎn)程通訊模塊實(shí)現(xiàn)通訊，將指示及時(shí)傳達(dá)給農(nóng)機(jī)具的操作人員，及時(shí)對(duì)農(nóng)機(jī)具的操作及作業(yè)參數(shù)進(jìn)行修正，建立閉環(huán)的控制策略。

2.2.2 農(nóng)機(jī)位置監(jiān)測(cè)

農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中，位置變化頻繁，且整體位移量較大，如果無(wú)法對(duì)農(nóng)機(jī)的位置進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的掌握，會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)燃油消耗過(guò)大，因此對(duì)于農(nóng)機(jī)位置的監(jiān)測(cè)十分有必要。本農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)通過(guò)定位模塊與北斗定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)測(cè)，其中定位模塊由北斗衛(wèi)星、基準(zhǔn)站、云平臺(tái)及移動(dòng)站構(gòu)成；再通過(guò)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分與坐標(biāo)劃分，有效地提高了農(nóng)機(jī)位置信息的精確程度及管理指示的便捷程度。

2.3 農(nóng)機(jī)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 農(nóng)機(jī)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)診斷的意義

中國(guó)的生產(chǎn)原則與方針為“安全第一、預(yù)防為主”，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也要首先考慮安全，自走式農(nóng)機(jī)具自身具備動(dòng)力，操作過(guò)程中有一定的安全隱患，因此自走式農(nóng)機(jī)具的制動(dòng)系統(tǒng)則是保障農(nóng)機(jī)具安全生產(chǎn)的重要部分?，F(xiàn)階段拖拉機(jī)也為了提高制動(dòng)性能而裝備有ABS（Anti-Lock Brake System）防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，其工作原理則是在檢測(cè)到制動(dòng)減速度過(guò)大的情況下，防止車輪長(zhǎng)時(shí)間抱死制動(dòng)，通過(guò)不斷地“點(diǎn)剎”實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，相較于車輪直接抱死進(jìn)行制動(dòng)，ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于在載具制動(dòng)的過(guò)程中，操作人員仍然可以對(duì)載具的行駛方向進(jìn)行一定的調(diào)整，有效避免了因方向調(diào)整而導(dǎo)致載具側(cè)翻等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。因此，ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是否正常，直接關(guān)系到拖拉機(jī)的制動(dòng)安全與行駛安全，針對(duì)拖拉機(jī)的ABS 制動(dòng)防抱死裝置的監(jiān)測(cè)是很有必要的。

2.3.2 常見(jiàn)診斷方法的弊端

針對(duì)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)目前常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)方法為直觀法與讀取故障碼法，其中直觀法是在操作人員感覺(jué)到ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)存在故障的情況下，通過(guò)視覺(jué)觀察ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件（如駐車制動(dòng)器、輪速傳感器、各繼電器等）是否完好或連接正常，容易操作但主觀性過(guò)強(qiáng)，很難提前對(duì)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的故障進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)；而讀取故障碼法需要載具在非工作狀態(tài)下進(jìn)行，ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的故障信息無(wú)法在第一時(shí)間通知到農(nóng)機(jī)具的操作人員及管理人員，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一定的安全隱患。因此，本農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)在制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)部分采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)載具的ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行診斷，力求在載具ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的早期能夠?qū)收线M(jìn)行識(shí)別，并及時(shí)地將信息發(fā)送至農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)。

2.3.3 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，且對(duì)于非線性學(xué)習(xí)算法的功能，可以通過(guò)線性學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)，因而應(yīng)用范圍十分廣泛。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共包含輸入層、模式層、求和層及輸出層4 部分[6-7]。針對(duì)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的具體情況，輸入的特征值包括載具速度、左前輪速、右前輪速、左后輪速、右后輪速及橫向輪速；而模式層中神經(jīng)元的數(shù)目應(yīng)為不同類別的訓(xùn)練樣本之和[8]；在求和層中，應(yīng)為一個(gè)神經(jīng)元對(duì)應(yīng)一個(gè)訓(xùn)練類別；輸出層的神經(jīng)元數(shù)目與求和層是一致的，但輸出層中的神經(jīng)元屬于競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)元[9]，輸出層主要作用是接收求和層的輸出[10]。本農(nóng)機(jī)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)診斷系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出應(yīng)有9 個(gè)，分別是：左前車輪輪速傳感器故障、右前車輪輪速傳感器故障、左后車輪輪速傳感器故障、右后車輪輪速傳感器故障、左前車輪制動(dòng)調(diào)節(jié)器故障、右前車輪制動(dòng)調(diào)節(jié)器故障、左后車輪制動(dòng)調(diào)節(jié)器故障、右后車輪制動(dòng)調(diào)節(jié)器故障及ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)故障。根據(jù)已經(jīng)確定的輸入與輸出信息，對(duì)這些信息進(jìn)行編碼，其中輸入特征值6個(gè)，可編碼為1—6，而輸出值為9 個(gè)，可編碼為1—9。具體編碼信息如表1 所示。

表1 編碼信息表

通過(guò)事先大量采集相應(yīng)的信息，輸入到診斷系統(tǒng)中對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以訓(xùn)練，確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)到ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)診斷的信息與方法。

2.3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與測(cè)試

根據(jù)之前設(shè)計(jì)的編碼表，使試驗(yàn)拖拉機(jī)到試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)拖拉機(jī)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)故障的診斷能力與準(zhǔn)確程度，但由于疫情影響，無(wú)法在室外進(jìn)行試驗(yàn)。本著科學(xué)實(shí)踐求真的原則，筆者會(huì)在后續(xù)研究工作中對(duì)該部分進(jìn)行補(bǔ)充及試驗(yàn)，并完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析工作。

3 農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)是通過(guò)通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及軟件技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，具備信號(hào)采集、信息展示、信息監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通訊等功能，用以準(zhǔn)確地展示出農(nóng)機(jī)管理單位下屬的農(nóng)機(jī)具實(shí)時(shí)的行進(jìn)速度、位置、ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是否存在故障等信息。農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的展示系統(tǒng)處于結(jié)構(gòu)的最上層，即應(yīng)用層，結(jié)合手機(jī)端APP 可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)相連接，通過(guò)信息上傳互聯(lián)網(wǎng)，打破地理因素的制約，使用戶在家亦能夠通過(guò)手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)獲取相應(yīng)的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息，極大方便了農(nóng)機(jī)的管理工作。

農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的系統(tǒng)主要由WEB 服務(wù)平臺(tái)與中心數(shù)據(jù)管理平臺(tái)2 部分構(gòu)成。農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)的創(chuàng)建網(wǎng)頁(yè)與表單網(wǎng)頁(yè)等基本操作，可以通過(guò)嵌入代碼，或者通過(guò)標(biāo)記的文本格式加以實(shí)現(xiàn)，程序語(yǔ)言可以采用HTML、Java 等進(jìn)行編程，農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)由此可實(shí)現(xiàn)與JavaScript 的互操作。而農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)在農(nóng)機(jī)具作業(yè)過(guò)程中所有的數(shù)據(jù)信息采集、分析及其他功能的責(zé)任集成平臺(tái)則被稱為中心數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過(guò)農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)管理員的權(quán)限，針對(duì)農(nóng)機(jī)具的種類、作業(yè)類型及不同的作業(yè)參數(shù)等因素，設(shè)置不同水平狀態(tài)下的臨界值，一旦農(nóng)機(jī)具作業(yè)過(guò)程中相應(yīng)的作業(yè)參數(shù)不在事先設(shè)定的臨界值范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以發(fā)出警告信息以提醒管理人員（用戶）對(duì)農(nóng)機(jī)具信息進(jìn)行查看，并及時(shí)對(duì)相應(yīng)農(nóng)機(jī)具操作人員進(jìn)行指示，確保農(nóng)機(jī)操作人員根據(jù)指示對(duì)操作進(jìn)行修正調(diào)整，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)與平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，本農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)墾區(qū)或農(nóng)場(chǎng)等單位的農(nóng)機(jī)初步管理，通過(guò)傳感器、智能控制器及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用，管理人員可以較為直觀地觀測(cè)到單位下轄農(nóng)機(jī)具的作業(yè)狀況；通過(guò)利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在工作過(guò)程中對(duì)ABS 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的診斷與檢測(cè)（受疫情影響無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，理論可行）；最終通過(guò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)管理人員的指示與調(diào)整。