农机燃油远程监管系统的设计与实现

王涛，温浩军，刘洋，王士国，董云成

（1新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2石河子大学，新疆 石河子 832000）

随着我国农业机械化程度逐年提升，农机燃油消耗量不断增加，目前已成为农机作业的主要成本之一。国家出台农机燃油补贴政策，以提高农民购置和使用农业机械的积极性。对农机作业过程中的燃油消耗量实施精准测量，是提高农机作业服务水平，保证作业油耗有效监管，落实农机燃油补贴政策的关键。

庄卫东等[1]使用GIS和GPS技术对农机作业实时记录，能对农机作业进行调度导航和信息化管理，提高作业效率和作业质量；彭波等[2]采用GPS、GSM技术以短信息的方式实现对农场农机合理调度；关学忠等[3]设计基于STC单片机的钻井燃油流量和燃油罐液位自动监测系统；王慧平等[4]实现基于ArcGIS Server的农机远程监管服务系统。这些研究虽然在农机作业过程起到重要的指导作用，但在大型农场及农机专业合作社中，农机的作业方式主要是农机集群作业和跨区作业，农业机械数量多、作业分散，在柴油的使用上无法全面有效进行监管，限制了农机高效监控调度的能力。

本文针对农机作业过程中燃油量难以实时监控的实际情况，设计并开发农机燃油远程监管系统，采用GNSS、4G、超声波探头等技术设计农机燃油监测终端，并应用三位重构技术建模不规则燃油箱，实现对农机加油时间、加油地点、加油量、剩余油量的远程监控。通过精准测量农机作业过程的燃油消耗量，实现油耗远程智能监测，对提高我国农业机械智能化水平，提升农业机械集群作业的管理水平都具有重要意义。

1 系统总体设计

农机燃油远程监管系统总体结构如图1所示，由监测终端、传输网络和农机监控中心3部分组成。监测终端主要功能是：利用GPS定位模块，实时、准确获取农机位置、速度、时间、航向等农业机械作业状态数据，并通过油位监测模块完成油量数据实时、准确测量和显示；监测终端将农机位置和油量信息按自定义协议打包以数据流的方式发送到GPRS网络，再通过Internet网络将数据传送到监控中心；监控中心包括服务器和客户端，用于农机油位数据管理、实时监控等。用户通过登录系统网址就可实现农业机械远程实时监控、油量信息管理及统计分析。

图1 监管系统总体结构Figure 1 Overall structure of the supervisory system

2 硬件设计

依据油位测量传感器的特性及农机燃油监测系统的实际需求，农机燃油监测终端的硬件结构如图2所示。

图2 监测终端硬件结构图Figure 2 Hardware structure diagram of monitoring terminal

油位监测模块采用超声波测量油位的方式，并通过温度传感器监测农机油箱的实时环境温度，为超声波油位传感器提供传播介质环境温度补偿校正；GPS定位模块实时获取作业过程中农机的作业位置、作业时间、作业速度等信息，为农机加油点和异常油量变化提供位置定位；GPRS数据发送模块，将经监测终端微处理器处理后的燃油油量、GPS定位数据，利用GPRS无线网络传输至监管中心的通信服务器端；蜂鸣器报警系统在监测终端出现GPS无定位、GPRS无法正常传输数据和传感器无法正常工作等故障时，蜂鸣器发出报警；数据存储系统在GPRS无信号的情况下，为避免数据在传输过程中丢失，将当前数据进行存储，在GPRS信号正常的情况下，将保存数据正常传输至服务器；显示模块显示经处理后的燃油量数据。

2.1 监测终端主控制模块

监测终端以STM32F407VGT6单片机为主控制器，包含输入输出（I/O）扩展及硬件时钟电路。STM32F407VGT6单片 机 采用ARM Cortex-M4为 内核的微处理器，Cortex-M4处理器采用扩展的单周期乘法累加（MAC）指令、优化的SIMD运算、饱和运算指令和一个可选的单精度浮点单元（FPU），主频为168MHz，提升控制算法的执行速度和代码效率，完全可以满足拖拉机燃油监测系统的需要。主控制器最小系统如下图3所示。

图3 主控模块最小系统原理图Figure 3 Schematic diagram of the minimum system of the main control module

2.2 超声波发射和接收电路

油位监测模块结构框图如图4所示。采用超声波油位监测传感器，对油箱的油位变化进行实时的监测；利用温度传感器监测农机油箱实时环境温度，旨在为超声波在介质中传播提供环境温度补偿校正。

图4 油位监测模块系统结构框图Figure 4 Oil level monitoring module system structure block diagram

超声波油位传感器利用“脉冲-回波测距”原理测量油位高度。由超声波发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收回波。测出从超声波发出脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于超声波在同一种介质中的传输速度是不变的，所以根据时间和声速，就可算出测量距离。因此，当置于容器底部的换能器向油面发射短促的声脉冲时，经过t时间，换能器便可接收到从油面反射回来的回波声脉冲，设换能器发射面到液面的距离为h，声波燃油中的传播速度为v，则存在如下关系：

而实际测得距离：

式中，Tt＝nus，为机器周期；t为定时器的计数个数。

从公式看影响测距的两个主要因素为超声波的速度和计数值。超声波的声速随温度变化而变化，由此产生的误差较大，必须进行修正。目前对温度的修正主要依靠修正系数来进行温度补偿，温度为t时，被测媒质的声速温度关系系数为：

式中，v0为0℃时的声速值；b为被测媒质的声速温度系数。

超声波换能器激发的超声波信号，经过油面的反射后，经过超声波换能器的接收，重新转换为电信号，由于传输过程的能量损耗，接收信号一般为毫伏级的弱电信号，同时，信号在传输过程中受到噪声影响，接收信号会产生杂波，需要经过放大和滤波才能获得比较理想的波形。设计中采用无源滤波器的设计思路，R34和C34构成的一阶无源低通滤波器，C32和R39构成的一阶高通滤波器串联，构成带通滤波器，满足条件为低通滤波器的截止频率高于高通滤波器的截止频率。

针对超声波油位监测模块，要求得到精确的超声波测量时间差，选择一款用于热量表设计的高精度时间间隔测量数字转换芯片TDC-GP22，来完成油位监测装置的设计。TDC-GP22内部集成了高速脉冲发生器、温度测量功能及STOP屏蔽窗口功能等。TDC-GP2分辨率可达50ps，具有两个测量范围分别为：0～1.8us，500ns～4ms。油位监测信号处电路如图5所示。

图5 油位监测信号处理电路Figure 5 Oil level monitoring signal processing circuit

2.3 农机燃油监测终端软件设计

农机燃油监测终端的软件程序采用C语言编写，易于移植，可读性强。系统程序部分包括主程序、系统时钟设置、滤波程序、油位监测程序、燃油量体积计算程序、串口通信程序。主程序的流程如图6所示，终端上电后完成系统自检和初始化，初始化需完成以下工作：首先检测油位传感器脉冲信号，计算脉冲信号时间间隔获得燃油箱油位数据，利用所得燃油箱函数模型，对油位数据进行体积转换计算并存储。然后，接受GPS的有效定位信息，解析出农机位置、速度、时间、航向等农业机械作业状态数据；终端控制单元利用无线通信模块定时将各项有效数据打包发送至GPRS网络，完成燃油数据处理发送工作。

图6 监控终端主程序流程图Figure 6 Flow chart of the main program of the monitoring terminal

3 远程监管中心设计

农机燃油远程监管中心主要用于管理农业机械燃油监测状况，具有数据接收、存储、查询、统计、分析和处理等功能。根据燃油监测终端传输的实时数据，能实现对作业机械的加油时间、加油地点、加油量、剩余油量、异常油耗行为的远程监管，同时可跟踪农机位置变化并实现轨迹回放等功能。监管中心系统结构如图7所示，由数据接收服务器、应用服务器和客户端层、应用服务层、应用支撑层和数据层组成，通过多层体系架构保证系统的可靠性、可扩展性和可伸缩性。用户的各种应用请求，通过门户网站发送到应用服务层，通过实现应用服务接口，完成一般性服务的处理功能。如果客户端请求后台支撑服务的支持，应用服务层将调用服务支撑层和数据层的接口。

图7 农机燃油监管服务系统结构图Figure 7 Structure diagram of agricultural fuel supervision and service system

农机燃油监管功能设计如下：

（1）数据服务器系统

数据服务器系统主要包括协议解析、数据存储模块。协议解析负责对车载终端上传的农机燃油信息、GPS信息、作业信息等数据的解析；数据存储模块负责把解析得到的数据整理、保存到数据库中。

（2）应用服务器系统

应用服务器主要包括农机实时数据分发、农机历史轨迹数据分发、农机作业面积统计及数据分发等服务模块。

（3）客户端系统

客户端系统包括农机作业实时监控、农机作业跟踪，农机作业历史轨迹回放、作业燃油统计（当日、起始日期、春季、秋季和当年累计），权限管理，用户登录，用户管理，行政区划管理，农机管理等。

4 系统测试

为验证系统工作的准确性和稳定性，2015年秋季农机收获作业期间，在北京农业智能装备技术研究中心小汤山实验基地进行田间现场测试，连续监测田间农机作业燃油数据。系统登陆界面如图8所示，如图9所示为系统中查询指定农机燃油消耗统计折线图，。测试结果表明，监管终端能实现对农机燃油量的有效监测，远程服务系统工作稳定、可靠，界面友好，管理便捷。

图8 农机远程燃油监管用户端Figure 8 Remote fuel supervision of agricultural machinery user side

图9 农机远程油耗监控曲线Figure 9 Remote fuel consumption monitoring curve of agricultural machinery

5 结论

以信息感知技术为基础的“精准”农业是一种重要的现代农业生产形势和管理模式，是当今农业发展的潮流。本文采用GPS、GPRS、超声波传感器和三维重构等技术设计农机远程燃油监管系统。系统选用ARM单片机作为主控单元核心处理器，应用超声波传感器实时监测农业机械燃油信息，采用全球卫星导航定位技术获取作业农机的位置信息，通过GPRS模块，实现作业农机燃油数据的远程传输；远程监管中心实现数据接收、存储、查询、统计、分析、处理等功能。

该系统实现对农机作业过程中燃油消耗量的精确测量，实现农机作业燃油量远程监管，不仅可为目前农业机械田间作业的燃油监管提供一种可行可靠的应用模式，还可为农业生产中的其他监测应用提供借鉴。