無線傳輸技術在農機檢測中的應用及研究*

侯云濤

（黑龍江省農業機械工程科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

現代科學技術中，檢測技術作為重要的組成部分，對農機的發展具有重要意義。通過農機檢測技術，可以對農機產品進行全面的性能、可靠性、安全性等方面的評估，幫助生產商找出產品的問題并及時解決，從而提高產品的質量和競爭力；通過農機檢測技術，可以對農機的安全性進行檢測和評估，提高農機使用的安全性，避免安全事故的發生[1]。因此，農機檢測技術對農機發展具有不可替代的重要作用，可以促進農機技術的創新和進步，提高農機效率，保障安全性，并促進行業發展。

農機檢測技術在不斷發展的同時也面臨著一些問題：例如，傳統的農機檢測通常使用電纜傳輸數據，但電纜的使用有時不太方便，并且會受到電纜長度和電纜本身特性的限制[2]；此外，電纜的使用也會對檢測設備的靈活性和可移動性造成限制。無線傳輸技術可以通過無線傳感器和通信設備實現檢測數據的實時傳輸和遠程監控，解決了電纜傳輸的不便之處，并提高了檢測效率和可靠性[3]。無線傳輸技術還可以實現多點檢測和數據共享，為農機檢測帶來了更多的便利性和靈活性，能夠提高檢測效率和可靠性[4]。

1 無線傳輸技術

無線傳輸技術是指利用電磁波在空間中傳遞數據的技術，它被廣泛應用于各種領域，包括工業自動化、智能家居、醫療健康、信息安全等[5]。與傳統的有線傳輸技術相比，無線傳輸技術有以下特點：可以實現無線網絡覆蓋，方便移動設備的使用，避免了布線等不便之處；具有較高的靈活性和可擴展性，可以通過增加無線信號源等方式快速擴充網絡范圍[6]。

無線傳輸系統通常包括以下部分。

1）傳感器：用于感知和檢測物理世界中的信息，例如溫度、濕度、光線強度、加速度等[7]。它們將感知到的信息轉換為數字信號，并通過無線傳輸模塊發送到其他設備。

2）無線傳輸模塊：用于將傳感器數據通過無線網絡傳輸到網關或云端服務器，例如Wi-Fi、ZigBee、2.4G 等[8]。這些無線傳輸模塊通常包括一個無線芯片、一個天線和一個微處理器。

3）網關：用于連接傳感器網絡和云端服務，它通常包括一個微處理器、一個網絡接口、一個存儲器和一些輸入輸出接口[2]。

4）云端服務器：用于接收、存儲、處理和分析傳感器數據，從而實現智能化的應用和服務[9]。

2 無線傳輸技術在農機檢測中的應用

由于農機檢測系統一般不需要復雜的傳輸協議，點對點無線通信基本上可以滿足農機檢測要求[10]。通過在農機上安裝傳感器，采集農機的運行數據，在農機監測方面，可以實現對農機工作狀態、運行參數、環境條件等數據的采集和傳輸，實現對農機的遠程實時監測和評估；在農機自動控制方面，可以實現農機之間的通信和協同作業，提高作業效率和質量[11]。

2.1 無線傳輸技術在國外農機檢測中的應用

無線傳輸技術在國際農機檢測領域已經得到廣泛的認可和應用，下面是一些國家和地區的應用情況。

1）美國農機檢測領域的研究歷程可以追溯到20世紀90 年代。在當時，農民們開始使用GPS 技術來提高農業生產效率。在隨后的幾年中，無線傳輸技術的應用范圍開始逐漸擴大，包括使用傳感器來收集農機數據，將這些數據傳輸到遠程數據庫中進行分析和管理。John Deere 公司在2013 年推出了一款名為“John Deere Operations Center”的云平臺，用于幫助農民和種植者管理他們的農田和農機數據。該平臺利用無線傳輸技術，將數據從各種農業設備中收集并存儲在云端中，以便于分析和管理。2018 年，美國愛荷華州立大學研究團隊使用了基于無線傳輸技術的自動化系統，能夠實時監測和記錄農機的行駛軌跡、速度和燃油消耗等數據，并將這些數據上傳到云端進行分析和處理。該系統通過實時監測，能夠準確評估農機的性能和效率，并幫助農民和農機廠商優化農機的設計和使用。

另外，Caterpillar 公司的Cat Connect 解決方案也是一個成功的應用案例。該解決方案于2014 年推出，通過無線傳輸技術和云計算技術，實現了對工程機械的遠程監控和數據分析。該系統可以實時監控機器的工作狀態、燃油消耗和維護情況等參數，為用戶提供了實時的數據分析和決策支持。

2）日本農機檢測領域的研究歷程可以追溯到20世紀80 年代。在當時，日本開始使用GPS 技術來管理農業生產。隨著時間的推移，無線傳輸技術的應用范圍逐漸擴大。

2000 年代初期：在這一時期，日本的農業科技研究機構開始研究利用GPS、無線通信和GIS 技術，實現農機遠程監測和控制。例如，2001 年，日本農業研究機構進行了一項試驗，使用GPS 和無線通信技術實現了對移動式噴霧器的遠程數據監測。2007 年，日本研發了一種能夠自動識別水稻狀態并自動調整施肥量的機器，這種機器使用無線傳輸技術來接收和處理各種傳感器和控制器的數據。

2010 年至今：在這一時期，日本的農業機械制造商開始推出基于無線傳輸技術的智能化農機產品，日本的農機檢測領域開始出現了更多的創新。例如，日立制作所2012 年研發的“Smart Agriculture Solution”系統使用無線傳輸技術，可以從各種農業設備中收集數據，并將其存儲在云端，以便于分析和管理。2019年，東京農工大學研究團隊開發了一種基于無線傳感器網絡技術的“智能農機監控系統”，可以實現對農機的遠程實時監測和控制。

3）歐洲在農業技術方面一直處于較為領先的地位，無線傳輸技術在歐洲的農機檢測領域也得到了廣泛的應用。無線傳輸技術在歐洲的農機檢測領域的應用歷程與日本相比稍晚一些，主要在21 世紀初期開始研究和應用。

2000 年代初期至2010 年代初期：在這一時期，歐洲的農業科技研究機構開始研究利用傳感器和無線傳輸技術來提高農業生產效率和精度。主要應用領域包括農機的自動化控制和智能化農業應用。2003 年，歐盟資助的“EUROPA”項目開始研究農機的自動化控制技術，其中包括利用無線傳輸技術進行數據采集和傳輸。2008 年，德國Fraunhofer 農業技術研究所開始研究利用無線傳感器網絡提高農機生產效率和管理水平。

2010 年代中期至今：在這一時期，無線傳輸技術在歐洲的農機檢測領域得到了更廣泛的應用，其應用領域從最初的數據采集和傳輸擴展到了更復雜的農機自動化和智能農業應用。2014 年，法國農業機械生產商Kuhn 公司開始研究使用無線傳感器技術來提高農機的生產效率。

隨著物聯網和人工智能等技術的發展，歐洲的農機檢測領域開始應用更為先進的無線傳輸技術，包括蜂窩網絡、LoRa、Sigfox 等。這些技術具有更廣的覆蓋范圍和更高的傳輸速度，能夠支持更復雜的應用場景。2014 年，德國“M2M Solution”項目開始運作，利用無線傳輸、人工智能等技術手段，實現了農機的智能化監控和管理，提高了農業生產效率和安全性。

2017 年，法國Effidence 公司推出了一種名為“EffiBOT”的農機監控系統，利用LoRa 和Sigfox 等無線傳輸技術，實時監測農機的位置、運行狀態和作業情況，并進行遠程控制和管理，提高了農業生產效率和安全性。2019 年，荷蘭Sense Farm 公司推出了一種名為“SenseNET”的農機監控系統，利用蜂窩網絡和LoRa 等無線傳輸技術，實時監測農機的位置、運行狀態和作業情況。

無線傳輸技術在國際農機檢測領域的應用正在不斷擴大和深化，未來將會更加普及。

2.2 無線傳輸技術在國內農機檢測中的應用

無線傳輸技術在國內的農業機械檢測領域的研究和應用也已經有了一定的進展。2006 年，中科院沈陽自動化研究所開發出了一種農機智能化檢測系統。該系統通過使用GPS 技術和GPRS 無線通信技術，實現了對農機的精準控制和監測。2012 年，北京萬華星通科技股份有限公司研發了一種基于4G LTE通信技術的農業物聯網解決方案。該方案可以實時監測農機的位置、速度、燃油消耗和作業情況等參數。2016 年，河南省農業機械化研究所研發了一種基于NB-IoT 通信技術的農機遠程檢測系統。該系統可以實時監測農機的位置、作業狀態和燃油消耗等參數，提供實時的數據進行檢測分析和決策支持；該系統還可以遠程控制農機，實現自動化作業。2021 年，中聯重科公司研發了“農機故障診斷與預警系統”，農機預警系統是一種通過無線傳輸技術將農機數據傳輸到云端進行實時監測和管理，并通過對數據進行檢測、分析從而實現農機故障預警的系統。該系統可以監測農機的溫度、壓力、振動等數據，并根據監測數據判斷農機是否存在故障，并進行預警，通過無線傳輸技術實現農機故障的實時檢測和管理。

3 未來的研究方向

無線傳輸技術在農機檢測領域發揮了重要的作用，但是在實際應用中仍然面臨著一些問題和挑戰，因此需要進一步深入研究。

3.1 信號穩定性

農業機械的工作環境相對較為惡劣，如農田中的土壤濕度、土壤溫度、粉塵等因素都可能對無線傳輸設備造成干擾，從而導致數據傳輸出現異常或中斷。因此，需要對無線傳輸設備進行優化和改進，以提高其穩定性和抗干擾能力[12]。具體可以從以下幾個方向展開研究：1）優化天線設計和布局，提高信號接收和傳輸的效率。2）采用抗干擾技術，如頻譜分析和頻譜隔離等，減少干擾源對信號的影響。3）在數據傳輸中使用可靠的差錯校驗和糾錯編碼技術，提高數據傳輸的可靠性。

3.2 傳輸距離

農業機械遠程檢測中，傳輸距離較遠，這也是一個需要解決的問題。由于信號在傳輸過程中會受到信號衰減和干擾等因素的影響，因此需要考慮信號傳輸距離的可靠性[13]。具體可以從以下幾個方向展開研究：1）采用中繼技術。使用中繼技術可以將信號從一個傳輸節點轉發到另一個傳輸節點，從而增加傳輸距離。2）采用分布式傳輸方案。分布式傳輸方案可以將數據分散存儲在不同的節點中，從而降低傳輸距離和信號衰減。

3.3 低功耗

農業機械的檢測通常需要長時間的監測和數據收集，因此需要長時間的續航能力[14]。但是，無線傳輸技術需要消耗大量的電量，這會影響設備的續航能力。具體可以從以下幾個方向展開研究：1）采用低功耗芯片和功耗管理技術，優化系統的功耗控制。2）采用智能省電模式，在設備處于閑置狀態時自動降低功耗。3）優化數據傳輸協議和算法，減少無用數據的傳輸，降低功耗。