农业机械化第十三章农业机械的信息化与精细农业课件

1第十第十三三章章农业机械的信息化与精细农业农业机械的信息化与精细农业第一节第一节 电子信息技术带动农业机械技术创新电子信息技术带动农业机械技术创新第二节第二节 谷物联合收割机监视与自动控制装置谷物联合收割机监视与自动控制装置第三节第三节 半喂入式水稻联合收割机喂入深度自半喂入式水稻联合收割机喂入深度自 动调节装置的电路设计（设计案例一）动调节装置的电路设计（设计案例一）第四节第四节 精细农业技术的发展精细农业技术的发展2第一节第一节 电子信息技术带动农业机械的电子信息技术带动农业机械的技术创新技术创新 20世纪下半期开始的电子信息科技革命，成为推动各个领世纪下半期开始的电子信息科技革命，成为推动各个领域知识、技术创新的强有力手段，也明显的影响着农业机械化域知识、技术创新的强有力手段，也明显的影响着农业机械化技术的创新过程。技术的创新过程。电子信息学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下电子信息学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下基本领域：基本领域：提高机械作业的机械性能：过程监视、控制、诊断等；提高机械作业的机械性能：过程监视、控制、诊断等；过程精确操作：及时获取过程信息，能精确执行命令；过程精确操作：及时获取过程信息，能精确执行命令；改善劳动者的操作条件：操作方便、安全、舒适；改善劳动者的操作条件：操作方便、安全、舒适；发展基于卫星定位系统的农机作业田间导航、定位变量发展基于卫星定位系统的农机作业田间导航、定位变量作业的智能控制农业作业机械，支持农田的科学管理决策等。作业的智能控制农业作业机械，支持农田的科学管理决策等。3一、拖拉机与农业机械中的电子装备技术一、拖拉机与农业机械中的电子装备技术 拖拉机与自走式农业机械的电子设备正由早期的专用控拖拉机与自走式农业机械的电子设备正由早期的专用控制器向通用控制器发展，向网络化、智能化、分别式控制技制器向通用控制器发展，向网络化、智能化、分别式控制技术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械，已装置了若术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械，已装置了若干个标准的控制单元（干个标准的控制单元（ECU），它实际上已是一个带有独立），它实际上已是一个带有独立处理信息与控制功能的计算机智能控制终端，是针对农业机处理信息与控制功能的计算机智能控制终端，是针对农业机械 使 用 环 境 专 门 设 计 的 通 用 微 型 作 业 计 算 机（械 使 用 环 境 专 门 设 计 的 通 用 微 型 作 业 计 算 机（J o b computer），具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局），具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局域网络（域网络（CNA）技术及其网络通信协议。）技术及其网络通信协议。456具有可视化多功能的驾驶室操作系统具有可视化多功能的驾驶室操作系统通过控制手柄、按钮、通过控制手柄、按钮、旋钮和液晶触摸显示屏完成旋钮和液晶触摸显示屏完成对联合收割机各种收获参数对联合收割机各种收获参数的设定和调整的设定和调整。7二、人机接口技术二、人机接口技术 拖拉机和农业机械作业中，都需要人来操纵和控制。拖拉机和农业机械作业中，都需要人来操纵和控制。传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电子监控仪表取代，并逐传统驾驶室中的仪表盘正迅速由电子监控仪表取代，并逐步由单一参数显示方式向智能化信息显示终端过渡，从而步由单一参数显示方式向智能化信息显示终端过渡，从而大大改善了人机交互界面。这种智能化显示终端，实际上大大改善了人机交互界面。这种智能化显示终端，实际上就是一台带液晶显示屏的计算机。它代表了当今仪器与控就是一台带液晶显示屏的计算机。它代表了当今仪器与控制装置发展的主流方向，又常被称为虚拟化仪器显示终端制装置发展的主流方向，又常被称为虚拟化仪器显示终端（Virtual Display Terminal）。）。8大型拖拉机驾驶室内智能化显示终端大型拖拉机驾驶室内智能化显示终端9第二节第二节 谷物联合收割机监视和自动控制装置谷物联合收割机监视和自动控制装置一、谷物联合收割机工作部件的监视装置一、谷物联合收割机工作部件的监视装置 逐稿器监视装置逐稿器监视装置 该装置安装在逐稿器箱上盖该装置安装在逐稿器箱上盖板上，用来监视逐稿器上方茎秆板上，用来监视逐稿器上方茎秆负荷。当茎秆增加到超负荷时，负荷。当茎秆增加到超负荷时，茎秆压迫传感板，触发信号装置茎秆压迫传感板，触发信号装置的开关，使工作电路断开，同时的开关，使工作电路断开，同时接通报警信号电路。接通报警信号电路。1.1.传感板传感板 2.2.扭簧扭簧 3.3.顶盖顶盖4.4.触点开关触点开关 5.5.罩盖罩盖 6.6.轴轴10 粮箱监视器粮箱监视器 安装在粮箱内侧壁上方或箱盖内，用来监视粮箱谷物的安装在粮箱内侧壁上方或箱盖内，用来监视粮箱谷物的堆满程度。当粮箱充满时，谷物籽粒压迫传感板，使报警电堆满程度。当粮箱充满时，谷物籽粒压迫传感板，使报警电路闭合、报警。路闭合、报警。粮箱监视器粮箱监视器壳体壳体 2.2.固定触点固定触点 3.3.弹簧弹簧 4.4.传感板传感板 5.5.可动触点可动触点 6.6.调节螺丝调节螺丝扭矩传感变速器扭矩传感变速器定凸轮定凸轮 2.2.弹簧弹簧3.3.定轮定轮 4.4.动凸轮动凸轮11 轴端安全离合器轴端安全离合器 对于推运器、升运器、脱粒滚筒、复脱器等工作部件的对于推运器、升运器、脱粒滚筒、复脱器等工作部件的监视装置，一般是采用安装在驱动轴端的安全离合器加上报监视装置，一般是采用安装在驱动轴端的安全离合器加上报警信号电路。警信号电路。夹持输送监视器夹持输送监视器 安装在夹持链的末端，对半喂入式收割机的脱粒喂入链安装在夹持链的末端，对半喂入式收割机的脱粒喂入链和排草夹持链输送茎秆进行监视，其检测装置与逐稿器监视和排草夹持链输送茎秆进行监视，其检测装置与逐稿器监视器类似。当夹持作物茎秆发生堵塞时，监视器压板被抬起，器类似。当夹持作物茎秆发生堵塞时，监视器压板被抬起，使微动开关闭合，发生报警信号。使微动开关闭合，发生报警信号。12 谷粒损失监视器谷粒损失监视器 采用传声板作为敏感元件，安装在逐稿器和清选筛的出采用传声板作为敏感元件，安装在逐稿器和清选筛的出草口下方，当排出的秸草中夹带谷粒落下，冲击传声板时发草口下方，当排出的秸草中夹带谷粒落下，冲击传声板时发出声波对压电晶体起作用，产生的电压信号经过电路传给显出声波对压电晶体起作用，产生的电压信号经过电路传给显示仪，即显示出谷粒损失的情况。示仪，即显示出谷粒损失的情况。切草监视器切草监视器 由于联合收割机的碎草装置一般安装在排草口后，常常由于联合收割机的碎草装置一般安装在排草口后，常常是半露在机器外面，十分危险。当切草刀发生堵塞时，堆积是半露在机器外面，十分危险。当切草刀发生堵塞时，堆积的物料将切草监视器的护板推开，电路接通，使油门离合器的物料将切草监视器的护板推开，电路接通，使油门离合器中的安全电磁阀吸合，油门手柄归零，发动机熄火停机。中的安全电磁阀吸合，油门手柄归零，发动机熄火停机。13损失监视器的安装位置损失监视器的安装位置逐稿器损失监视器逐稿器损失监视器清粮筛损失监视器清粮筛损失监视器指示仪表指示仪表切草监视装置切草监视装置开关开关切刀护板切刀护板发动机调速器发动机调速器油门离合器油门离合器切刀切刀14二、谷物联合收割机的自动调节装置二、谷物联合收割机的自动调节装置 喂入量的自动监测装置喂入量的自动监测装置目前已经有多种形式，通常采用的是间接测量法目前已经有多种形式，通常采用的是间接测量法。可安装喂入量传感器的部位可安装喂入量传感器的部位割刀传动轴割刀传动轴割台推运器轴割台推运器轴倾斜输送器主动轴倾斜输送器主动轴滚筒轴滚筒轴上上凹板压力凹板压力链耙的位置链耙的位置倾斜输送器被动轴的偏移倾斜输送器被动轴的偏移浮动推运器的偏移浮动推运器的偏移15液压式喂入量自动调节装置液压式喂入量自动调节装置1.1.油缸油缸 2.2.行走无级变速器（行走无级变速器（a a 为主动盘、为主动盘、b b 为被动盘）为被动盘）3.3.滑阀滑阀 4.4.缓冲弹簧缓冲弹簧 5.5.手柄手柄 6.6.钢丝钢丝 7.7.传感器滑板传感器滑板16 Case IH 8010 割台和喂入装置可以根据联合收割机的行驶割台和喂入装置可以根据联合收割机的行驶速度进行自动调节，达到最佳喂入效果。成功采用了大量的智速度进行自动调节，达到最佳喂入效果。成功采用了大量的智能调节和操纵系统，例如辅助转向系统、自动驾驶系统、脱粒能调节和操纵系统，例如辅助转向系统、自动驾驶系统、脱粒滚筒恒速控制系统、作业速度自动控制系统。滚筒恒速控制系统、作业速度自动控制系统。17脱粒滚筒恒速控制系统脱粒滚筒恒速控制系统无级变速器无级变速器液压控制液压控制18卸粮距离自动可调卸粮距离自动可调19 自动操纵方向装置自动操纵方向装置 为了减轻驾驶员的劳动强度，联合收割机上采用了自动驾驶装置。为了减轻驾驶员的劳动强度，联合收割机上采用了自动驾驶装置。联合联合收割收割机的机的自动自动操向操向装置装置3.3.联合收割机的自动调平装置联合收割机的自动调平装置坡道作业上的收割机，其工作效率还与机器倾斜度有关。坡道作业上的收割机，其工作效率还与机器倾斜度有关。20第三节第三节 半喂入式水稻联合收割机喂入深度自半喂入式水稻联合收割机喂入深度自动调节装置的电路设计（设计案例一）动调节装置的电路设计（设计案例一）半喂入式水稻联合收割机工作时一个经常发生的半喂入式水稻联合收割机工作时一个经常发生的故障是堵塞，其中脱粒滚筒堵塞是最易出现问题之一。故障是堵塞，其中脱粒滚筒堵塞是最易出现问题之一。以单片机为核心的微电子控制技术是国内外农机以单片机为核心的微电子控制技术是国内外农机具广泛采用的监控技术，可靠性高、成本低。具广泛采用的监控技术，可靠性高、成本低。本设计结合收割机喂入深度调节具体要求，用单本设计结合收割机喂入深度调节具体要求，用单片机自动调整喂入深浅的控制。片机自动调整喂入深浅的控制。2122一、设计的已知条件一、设计的已知条件 闽江闽江150150型半喂入水稻联合收割机为设计样机，将脱粒型半喂入水稻联合收割机为设计样机，将脱粒滚筒深度调节方式由手动螺旋调整改为自动调整，需对电路滚筒深度调节方式由手动螺旋调整改为自动调整，需对电路部分进行设计。部分进行设计。二、理论分析与电路参数设计二、理论分析与电路参数设计1 1、逻辑设计、逻辑设计 为调节荷杆深度，需要感应深浅部分和控制执行部分。为调节荷杆深度，需要感应深浅部分和控制执行部分。感应深浅部分用触电开关作为输入信号，控制执行部分由直感应深浅部分用触电开关作为输入信号，控制执行部分由直流电机完成。流电机完成。232 2、电路设计与电器元件选用、电路设计与电器元件选用 元器件选用：元器件选用：89C5189C51单片机、继电器、光电耦合器件、单片机、继电器、光电耦合器件、74077407同相器、晶振、二极管、电阻、电容等。同相器、晶振、二极管、电阻、电容等。控制电路具有控制电路具有3 3种工作状态：手动、自动和限位状态。种工作状态：手动、自动和限位状态。243 3、小结、小结 （1 1）按照电路的设计，电路每）按照电路的设计，电路每2.6 s2.6 s检测一次输入信号，检测一次输入信号，经过判断处理，再控制电机。经过判断处理，再控制电机。（2 2）89C5189C51单片机具有很强的控制功能，现在利用它控单片机具有很强的控制功能，现在利用它控制喂入量深浅调节只用了它部分资源，综合开发利用剩余功制喂入量深浅调节只用了它部分资源，综合开发利用剩余功能，将有利于提高水稻联合收割机的整体自动化监控水平。能，将有利于提高水稻联合收割机的整体自动化监控水平。25第四节第四节 精细农业技术的发展精细农业技术的发展一、一、“精细农业精细农业”简介简介 “精细农业精细农业”（Precision Agriculture或或Precision Farming）在发达国家始于）在发达国家始于20世纪世纪80年代初。实施过程可描年代初。实施过程可描述为：收获作业时，带定位系统和产量传感器的联合收获机述为：收获作业时，带定位系统和产量传感器的联合收获机自动采集田间定位及小区平均产量数据；通过计算机处理，自动采集田间定位及小区平均产量数据；通过计算机处理，生成作物产量分布图；根据田间地形、地貌、土壤肥力等参生成作物产量分布图；根据田间地形、地貌、土壤肥力等参数，在决策者的参与下生成作物管理处方图；根据处方图采数，在决策者的参与下生成作物管理处方图；根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精细农作管理。入和精细农作管理。26“精细作物精细作物”术体系示意图术体系示意图27二、精细农业的主要支持技术二、精细农业的主要支持技术1.1.GPS全球定位系统全球定位系统（1 1）GPS的发展的发展:GPS是是Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 缩写词缩写词NAVSTAR/GPS的简称，现公认为的简称，现公认为GPS；(2)(2)GPS的组成的组成1)1)GPS卫星空间部分卫星空间部分)24颗卫星分布颗卫星分布在在6个轨道上，目前有个轨道上，目前有27颗颗(包括包括3颗备份颗备份卫星卫星)在运行在运行2)地面支持系统地面支持系统(地面监控部分地面监控部分)3)GPS接收机接收机(用户部分用户部分)283)3)SA政策政策 美国政府在美国政府在设计中，计划提供两种服务设计中，计划提供两种服务:1)1)标准定位，精度约标准定位，精度约，民用，民用;)精密定位，精度约精密定位，精度约，军用。，军用。但实际精度前者可达但实际精度前者可达，后者可达，后者可达。于是美。于是美国政府采取国政府采取)政策，人为引入干政策，人为引入干扰，故意降低精度。一般扰，故意降低精度。一般接收机的瞬时误差达接收机的瞬时误差达。年降低了干扰，民用精度可达年降低了干扰，民用精度可达。（4 4）GPSGPS技术技术 由于由于SASA政策，一般的政策，一般的GPSGPS接收机不能满足要求，而要接收机不能满足要求，而要采采DGPSDGPS（Differential GPSDifferential GPS）技术，常用方法）技术，常用方法:时差分、时差分、后差分。后差分。29DGPS DGPS 联合收获联合收获机机参考基站参考基站卫星监测卫星监测站站主控台主控台全球定位卫星全球定位卫星联合收获机的田间定位系统联合收获机的田间定位系统302 GIS一地理信息系统一地理信息系统 (1)GIS的概述的概述 （Geographic Information System）是以地理空间是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对有关空间数数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对有关空间数据按地理坐标或空间位置进行预处理、输入、存储、查询、据按地理坐标或空间位置进行预处理、输入、存储、查询、检索、运算、分析、显示、更新和提供应用、研究等。检索、运算、分析、显示、更新和提供应用、研究等。(2)GIS在精细农业中的作用在精细农业中的作用 将将GIS用于精细农业中，可将农田小区的作物产量和各用于精细农业中，可将农田小区的作物产量和各种影响因素存储、分析、管理，结合决策支持系统种影响因素存储、分析、管理，结合决策支持系统DSS，生，生成田间投入处方图（成田间投入处方图（Treatment Map），为按小区实施变量），为按小区实施变量作业操作提供支持。作业操作提供支持。31323 RS3 RS一遥感技术一遥感技术 遥感技术遥感技术(RS(RS 一一 Remote Sensing)Remote Sensing)遥感是利用飞行器或人遥感是利用飞行器或人造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分部信息。造卫星上装载的传感器来收集地球表面地物的空间分部信息。可通过根据对遥感资料的解译，获得所研究地域内有关信息，可通过根据对遥感资料的解译，获得所研究地域内有关信息，具有宏观、快速、动态等特点。利用具有宏观、快速、动态等特点。利用RSRS获得土壤含水量、作物获得土壤含水量、作物长势和产量等重要资料，并结合长势和产量等重要资料，并结合GPSGPS获得的定点资料，可为精细获得的定点资料，可为精细农业提供必要的信息支持。农业提供必要的信息支持。33传感器技术传感器技术(S T Sensing Technology)是获取各种信息的是获取各种信息的重要手段，是实现精细农业的先决条件。精细农业的实现首先在重要手段，是实现精细农业的先决条件。精细农业的实现首先在于认识农田小区内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须于认识农田小区内农作物生长环境和生长情况的差异，而这必须依赖于各种先进的传感器，如土壤容重、土壤坚实度、大气温度、依赖于各种先进的传感器，如土壤容重、土壤坚实度、大气温度、大气湿度、风速、太阳辐射（环境方面）、作物病虫害、作物生大气湿度、风速、太阳辐射（环境方面）、作物病虫害、作物生长情况、作物产量等各种类型传感器。长情况、作物产量等各种类型传感器。需要获取和处理的主要信息包括以下几个方面：需要获取和处理的主要信息包括以下几个方面：（1 1）农田作物产量空间分布信息）农田作物产量空间分布信息（2 2）农田土壤信息采集与处理）农田土壤信息采集与处理（3 3）农田作物苗情信息采集处理技术）农田作物苗情信息采集处理技术4.4.信息采集与处理技术信息采集与处理技术3435363738决策支持系统决策支持系统(DSS 一一 Decision Support System)是根据是根据农业生产者和专家在长期生产中获得的知识，建立作物栽培与农业生产者和专家在长期生产中获得的知识，建立作物栽培与经济分析模型、空间分析与时间序列模型等，利用经济分析模型、空间分析与时间序列模型等，利用GPS、RS获获得的各种信息及得的各种信息及HISHIS建立的数据库，针对小区内农作物生长环境建立的数据库，针对小区内农作物生长环境和生长条件时间和空间上存在的差异，作出分布式投入决策，和生长条件时间和空间上存在的差异，作出分布式投入决策，即生成田间投入处方图（即生成田间投入处方图（Treatment Map）。）。决策支持系统的建立过程决策支持系统的建立过程:*获取知识获取知识:从农业生产者、农业专家中获取农业生产知识从农业生产者、农业专家中获取农业生产知识;*建立模型建立模型:作物栽培与经济分析模型作物栽培与经济分析模型:空间分析与时间序列模型空间分析与时间序列模型;统计趋势分析与预测模型统计趋势分析与预测模型;技术经济分析模型。技术经济分析模型。5.DSS5.DSS作物生产管理决策支持系统作物生产管理决策支持系统39*建立建立DSS:可根据作物的不同生长条件、状况，提供田间可根据作物的不同生长条件、状况，提供田间管理管理(作业作业)的指导信息。的指导信息。决策支持系统的使用决策支持系统的使用:*输入信息输入信息:输入利用输入利用GPS、RS等获得的空间与对应产量、等获得的空间与对应产量、作物长势、土壤条件等有关信息。作物长势、土壤条件等有关信息。*输出信息输出信息:输出与空间信息对应的指导田间管理、作业的输出与空间信息对应的指导田间管理、作业的 信息信息处方图。处方图。决策支持系统决策支持系统:包括包括模型库、模型库、数据库、知识库、方法库及数据库、知识库、方法库及 其管理系统其管理系统等。等。4041智能化农业机械（智能化农业机械（Intelligent Agricultural Machine）是实现）是实现精细农业的重要设备。精细农业的重要设备。智能化农业机械首先必须利用智能化农业机械首先必须利用DGPS技术实现精确定位。技术实现精确定位。然后必须根据田间处方图生成的智能控制软件，针对农田小区存然后必须根据田间处方图生成的智能控制软件，针对农田小区存在的差异自动执行分布式投入。在的差异自动执行分布式投入。现在，各种智能化农业机械的出现，使精细农业的实现现在，各种智能化农业机械的出现，使精细农业的实现成为可能。如英国福格森公司生产的带成为可能。如英国福格森公司生产的带DGPS和产量传感器的联和产量传感器的联合收割机，可按合收割机，可按15m2小区绘制作物产量分布图。自动控制精度小区绘制作物产量分布图。自动控制精度平地机、自动控制精密播种机、自动控制施肥机、自动控制施药平地机、自动控制精密播种机、自动控制施肥机、自动控制施药机等都已有商品化生产。机等都已有商品化生产。6 6、IAMIAM智能化农业机械智能化农业机械4243444546474849505152四、精细农业的应用与实践四、精细农业的应用与实践田间土壤耕作阻力测量（测试装置）田间土壤耕作阻力测量（测试装置）53541.1.精细种植精细种植2.2.精细园艺精细园艺3.3.精细养殖精细养殖4.4.精细加工精细加工5.5.精细灌溉精细灌溉1.1.精细种植精细种植 如图所示是采如图所示是采用精细农业技术实用精细农业技术实现的精细种植操作现的精细种植操作过程。过程。55第一，第第一，第1年收获的时候，用带产量传感器的联合收割机，年收获的时候，用带产量传感器的联合收割机，利用利用DGPS技术，获得不同地块的作物产量分布，得到小区技术，获得不同地块的作物产量分布，得到小区产量分布图（产量分布图（YieldMap）。分析产量分布的差异程度。）。分析产量分布的差异程度。第二，根据产量分布图，对影响作物生产的各因素进行测第二，根据产量分布图，对影响作物生产的各因素进行测定分析，确定产量分布不均匀的原因，制订相应的措施生成定分析，确定产量分布不均匀的原因，制订相应的措施生成田间投入处方图（田间投入处方图（Treatment Map）。）。第三，由田间投入处方图生成相应智能控制软件，按需投第三，由田间投入处方图生成相应智能控制软件，按需投入进行实施。第入进行实施。第2 2年收获时，再按上述过程，分析总产量及年收获时，再按上述过程，分析总产量及产量差异，然后制订新的田间投入处方图。如此循环，即可产量差异，然后制订新的田间投入处方图。如此循环，即可达到精细种植的目的。达到精细种植的目的。操作过程包括以下主要内容操作过程包括以下主要内容56美国明尼苏达州的扎片比森甜菜农场施肥美国明尼苏达州的扎片比森甜菜农场施肥 传统的施肥量是每英亩传统的施肥量是每英亩170磅，磅，1993年采用精细农业年采用精细农业变量施肥技术，施氮量减少至变量施肥技术，施氮量减少至31149磅磅/英亩之间，每英英亩之间，每英亩肥料投入费月平均减少了亩肥料投入费月平均减少了6.28美元。采用变量施肥技术美元。采用变量施肥技术的甜菜产量的甜菜产量18.7t/英亩英亩)比传统施肥方法的产量比传统施肥方法的产量(18.0t/英亩英亩)略有增加，含糖量从略有增加，含糖量从16.59%增加到增加到17.89%，每英亩产糖，每英亩产糖量从量从5415磅增加到磅增加到6171磅，收入则从磅，收入则从599.51美元增加到美元增加到744.51美元。美元。572.2.精细园艺精细园艺基于小区域个体信息的园艺与果树农作过程管理基于小区域个体信息的园艺与果树农作过程管理583.3.精细养殖精细养殖基于动物个体编号自动识别的计算机饲养管理信息系统基于动物个体编号自动识别的计算机饲养管理信息系统594.4.精细加工精细加工品质监测，过程调控，资源精细利用，精细储运、包装品质监测，过程调控，资源精细利用，精细储运、包装与产品增值与产品增值605.5.精细灌溉精细灌溉