基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能投料機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃鳳輝,俞 龍

(1.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院,廣東 佛山 528216;2.華南農(nóng)業(yè)大學 電子工程學院,廣州 510642)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,播種機的自動化技術(shù)已經(jīng)較為成熟,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),與播種機配套的現(xiàn)代化播種質(zhì)量遠程監(jiān)控系統(tǒng)也逐步發(fā)展起來,其監(jiān)測系統(tǒng)還可以被應用到其他領(lǐng)域。自動投料機的投料方式分為3種,包括螺旋輸送、皮帶輸送及氣力輸送。為了方便安裝,一般采用氣力輸送的形式,不過受到環(huán)境因素的影響,氣力輸送在投料過程中會存在一定的誤差,不僅影響了物料的浪費程度,如果投料不準確還會對環(huán)境造成較大的污染。為此,擬將播種機質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)作為參考引入到智能投料機的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計過程中,以期提高投料質(zhì)量監(jiān)測的自動化水平。

1 播種質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)及其在投料機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

投料機在作業(yè)過程中,如投料不準除了會造成物料浪費之外,一些含有污染物質(zhì)的成分還會對環(huán)境造成污染,因此在作業(yè)過程中需要對其進行實時監(jiān)控。作業(yè)過程中,播種機播種質(zhì)量主要受到排種器的影響,如果排種器作業(yè)質(zhì)量不高,會造成漏播和重播等質(zhì)量問題,因此需要對排種器進行實時監(jiān)測。投料機的投料和播種機排種器的工作原理類似,這兩種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以互相借鑒。以播種機監(jiān)測系統(tǒng)的設計為例,總體設計框架如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設計框架Fig.1 The general design framework of remote monitoring system

遠程監(jiān)控系統(tǒng)以單片機或者PLC作為主控芯片,在播種機或者投料機的遠程作業(yè)端可以使用傳感器對信息進行采集,采集得到的信息采用單片機或者其他控制器進行處理后利用移動通信或者無線發(fā)射裝置將信號進行發(fā)射;在遠程監(jiān)控端,通過無線接收模塊將信息數(shù)據(jù)接收后,通過數(shù)據(jù)處理與分析,將實時數(shù)據(jù)進行可視化顯示,如果監(jiān)測數(shù)據(jù)達到了報警閾值,則會發(fā)出危險警報。

1)排種和投料量監(jiān)測。當播種機正常工作時,排種器排出種子,遇到紅外線傳感器發(fā)出的光束時會產(chǎn)生阻礙信號,產(chǎn)生高電平信號;當沒有種子排出時,電平信號為低電平信號。相同的原理,在投料過程中,也可以采用高低電平信號來判斷是否有物料投入,并統(tǒng)計投料的量。

2)重播漏播和物料投放準確性監(jiān)測。重播和漏播都可以通過兩次播種時間間隔來計算,有重播現(xiàn)象發(fā)生時,兩次播種間距時間會非常小,有漏播現(xiàn)象發(fā)生時,兩次播種時間間距要大于一次播種時間。同理,對于物料投放的準確性也可以進行監(jiān)測,首先測量出來正常投料的兩次時間間距,然后利用傳感器對投料作業(yè)時的時間間隔進行測算,來判斷投料是否準確。

3)播種速度和投料效率監(jiān)測。播種速度可以通過排種器的排種速度來等效計算,物料的投放速度也可根據(jù)物料進給時間來計算,通過對播種速度和投料效率的監(jiān)測,可了解播種機和投料機的作業(yè)質(zhì)量。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控的多種項目的監(jiān)測,如環(huán)境的溫濕度、機器的實時作業(yè)情況及機器的作業(yè)質(zhì)量。播種機在作業(yè)過程中主要是對其重播率和漏播率進行監(jiān)測,重點監(jiān)測項目是排種盤的作業(yè)情況;智能投料機主要是對投料的精度進行監(jiān)測,還需要監(jiān)測器對環(huán)境的污染程度。以環(huán)境濕度的測量為例,其電路如圖2所示。

圖2 環(huán)境濕度測量原理Fig.2 The principles of environmental humidity measurement

環(huán)境濕度監(jiān)測采用的是HS1101電容式濕度傳感器,在測量過程中電容是無法直接測量的,需要利用多諧震蕩電路監(jiān)測電路的頻率,然后利用控制中心讀出電容的值,根據(jù)電容值反算相對應的濕度值,便可以對投料機作業(yè)過程中的環(huán)境濕度進行較為準確的測量。測量完成后,需要對數(shù)值進行顯示,顯示電路原理如圖3所示。

顯示模塊是物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控的重要組成部分,對于環(huán)境濕度的數(shù)值,可以采用1602液晶顯示器及其相配套的控制器及驅(qū)動器等組件來完成。

圖3 顯示電路原理圖Fig.3 The schematic diagram of display circuit

在投料機環(huán)境濕度監(jiān)測的硬件電路設計完成后,需要對軟件部分進行設計,流程如圖4所示。在進行濕度顯示時,采用定時顯示的方式,無法定時顯示時還會發(fā)出相應的報警。

圖4 軟件控制流程圖Fig.4 The flow chart of software control

如圖5所示,在進行播種機排種器的監(jiān)測或者投料質(zhì)量監(jiān)測時,現(xiàn)場采用的傳感器將得到的模擬信號通過物聯(lián)網(wǎng)通信傳送給遠程監(jiān)測人員;遠程控制人員通過控制器和顯示器得到機器的運行狀態(tài)信息,然后將控制指令通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)傳送給現(xiàn)場操作人員;現(xiàn)場操作人員利用現(xiàn)場控制器對設備進行操作,以使播種機或者只能投料設備具有較高的精度。

圖5 遠程監(jiān)控與現(xiàn)場操作原理圖Fig.5 The schematic diagram of remote monitoring and field operation

該模塊包括控制開關(guān)電路、傳感器電路和直流伺服驅(qū)動電機的控制電路,如圖6所示。在實現(xiàn)遠程自動化控制過程中,遠程管理人員利用GSM短信發(fā)出控制指令,PLC控制器中心在接受到指令信息后,首先對指令進行解釋,然后執(zhí)行相應的動作,從而實現(xiàn)排種器或者智能投料機械的遠程控制。

圖6 控制模塊示意圖Fig.6 The schematic diagram of control module

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能設計及性能測試

依據(jù)播種機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的功能原理,對投料機遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù),智能投料機遠程監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及報警系統(tǒng)4部分組成,框架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 投料機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計框架Fig.7 Design framework of remote monitoring system for feeder

數(shù)據(jù)采集主要是采用各種傳感器,包括環(huán)境溫度和濕度傳感器及攝像機等。數(shù)據(jù)傳輸通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),如距離遠可以通過GPRS,如距離較近可以采用WIFI通信。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫的形式,將采集的各種數(shù)據(jù)進行分析和處理,在進行數(shù)據(jù)分析時會設定相應的報警閾值,當采集數(shù)據(jù)超過相應閾值時會進行報警。投料機遠程監(jiān)控如圖8所示。

圖8 投料機遠程監(jiān)控功能框架Fig.8 The function framework of remote monitoring for feeder

在投料機工作過程中,可以通過實時監(jiān)控監(jiān)測投料的過程參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù),并以組態(tài)圖或者報表及曲線的形式實時顯示出來,如投料總時間、投料混合密度、出料溫度和環(huán)境中物料濃度等。實時監(jiān)測的目的是為了投料參數(shù)出現(xiàn)不合格或者對環(huán)境污染比較厲害時進行預警。通過監(jiān)測系統(tǒng),當投料的參數(shù)不達標或者超過設定閾值時,系統(tǒng)會發(fā)出警報,最后將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)做成各種報表的形式,支持歷史查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

智能投料機采用監(jiān)控系統(tǒng)后可以成功統(tǒng)計出吹送時間,如表1所示。為了進一步研究監(jiān)控系統(tǒng)的可行性,對吹送質(zhì)量進行了監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到了如表2所示的結(jié)果。

表1 投料機吹送物料時間監(jiān)測Table 1 Time monitoring for feeding material of feeder

表2 投料機吹送物料質(zhì)量誤差Table 2 Material quality error of feeding machine

由表2可知：利用監(jiān)測系統(tǒng)對投料誤差進行了統(tǒng)計,誤差結(jié)果最高僅為1.5%。在此誤差范圍內(nèi),投料的準確率在設計范圍內(nèi),且也不會對環(huán)境造成污染,滿足設計要求。

4 結(jié)論

為了提高投料機的自動化程度和遠程監(jiān)控水平,將播種機遠程系統(tǒng)引入到了智能投料機的監(jiān)測系統(tǒng)設計過程中,實現(xiàn)了投料過程的數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、統(tǒng)計、管理及報警處理等綜合功能。為驗證系統(tǒng)的可行性和可靠性,對投料過程進行了監(jiān)測,結(jié)果表明：采用遠程監(jiān)測系統(tǒng)可以成功地對投料質(zhì)量和效率進行監(jiān)測,為投料過程的自動化控制提供了技術(shù)支持。