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1、电子信息科技发展与农业机械化技术创新一. 概述 20世纪下半期开始的电子信息科学技术革命，是人类历史发展中的最伟大事件之一。以微电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术为代表的信息技术革命，迅速地改变着人类的生产方式、思维方式和生活方式，加速了国民经济信息化进程，成为推动各个领域知识创新、技术创新、知识应用和知识传播的强有力手段。电子信息技术的发展，也明显地影响着农业机械化技术的创新过程，在农、林、牧、副、渔机械化过程中迅速吸收着电子信息技术革命的成果。50年代后期开始，发达国家农业机械化由单个作业环节机械的应用转向围绕农业种、养、加过程实现优质、高效、经济的目标，发展农艺与农机密切结合的综合
2、机械化技术体系研究，从而对农业生产过程的工艺系统设计与过程自动化提出了新要求。首先在农业机械的试验、测试仪器开发，数据处理领域引进了先进的电子、计算机技术与信息处理技术；随着微电子技术的进步，农机测试仪器的研究开发不断更新换代，由晶体管分立元件，不同集成度的集成电路器件，发展到80年代初期开始的基于微处理器的综合测试系统，从而大大改善了农业机械研究与应用试验的支持环境，为揭示农机力学设计的内在规律和农机新材料、新工艺与新型农业机械设计研究提供了技术支持。从70年代开始，由于发达国家农业机械设计制造技术已趋于成熟，农产品国际市场竞争日益激烈，农业土地经营规模扩大，农业机械迅速向大型、高速、复式作
3、业、人机和谐与舒适性设计方向快速发展，加快了电子信息技术面向农业生产机械化过程中的应用研究及应用电子产品的产业化开发。一批面向生产者应用的各种机电仪一体化技术产品迅速开发出来装备到农业机械上用于实现农业机械化作业的高效率、高质量、省成本和改善操作者的舒适性与安全性。各种电子监示、控制装置应用于各种复杂农业机械上，其典型产品，如：农业机械化过程中应用的田间作业面积、速度、机器作业工况计量与监示器;联合收获机谷粒损失监示器及喷雾与灌溉自动控制系统；在园艺领域，如，设施环境的机电一体化自动控制技术；在养殖领域，如：基于动物个体编号电子自动识别器的自动配料、称重、计量等设备在发达国家农场中迅速推广应用
4、；拖拉机与自走农业机械的田间自动导航、机器视觉与农业应用机器人研究得到重视，成为探索在农业机械化过程中应用电子信息及机电一体化等高新技术开发研究的重要方向。80年代以来，电子技术与其它新技术在农业机械中应用研究的发展，既促进了世纪之交农业机械化系统电子信息化技术的创新研究与新产品开发,也为90 年代适应“精细农业”技术体系的试验实践开发智能化变量作业农业机械提供了基础。我国农业还处于逐步推进实现基本农业机械化的发展阶段，进入新世纪，为了提高我国大中型农业装备产品在国际市场上的竞争力，发展高新技术在规模化农业和农业机械化服务产业中的应用，也需要跟踪研究发达国家的先进经验，在应用电子信息新技术方面
5、实现跨越式的发展战略。本部分着重讨论世纪之交发达国家农业机械电子化、信息化技术和支持“精细农业”应用的农业装备电子信息技术的发展趋势与展望。二.世纪之交世界农业机械电子化、信息化的发展 世纪之交，世界农业机械装备技术的发展，正迅速地吸收和应用电子信息科技发展的成就。这与农业面对世界市场竞争的压力，集约化、现代化对大型、复杂、高效、节本、环保型农业机械化技术日益提高的要求密切相关。近20年来农业装备技术不断积累的技术创新成果也为这一发展提供了基础。电子学与信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着拖拉机和农业机械技术发展新的里程碑。通过电子学，使一些农业装备具有智能化特征和在系统各控制单
6、元间可相互通信，促进了支持基于信息和知识的“精细农业”应用的智能化变量作业农业机械的研究与开发。迄今，电子学用于农业机械装备的技术创新，可概括为如下五个基本领域：l l 提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信；l l 实现节本增效和环境友好的农作：节约化肥、农药、水资源和燃料消耗，降低作业成本；保护生态环境，减少土壤、水体、动植物遭受污染；l l 过程的精确操作：及时获取过程信息，使农业机械操作能精确执行过程控制指令；l l 改善劳动者的操作条件：良好的人机接口，操作方便性、安全性、舒适性；l l 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机械，实现农场管理
7、信息系统与田间移动作业机械间的无线通信与机群调度，支持农田作业的科学管理决策等。 智能化农业机械需要有不同类型的信息采集传感器，适于农机工作环境和结构设计的控制执行器，高性能的电子控制器和相应的软件支持，需要建立拖拉机、农业机械各部件电子控制单元间的通信、接口设计标准。这些都需要机械、电子、信息管理等多种学科的集成支持。（一）. 拖拉机与农业机械内部的电子装备技术 拖拉机与自走式农业机械电子化正向网络化、智能化、分布式控制技术方向发展。一台大型拖拉机和复杂农业机械，已装置了若干个标准的电子控制单元（ECU），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，是针对农业机械使用环境
8、专门设计的通用微型作业计算机（Job computer）,具有统一标准设计的接口和采用了现场控制局域网络（CAN）技术及其网络通信协议。 图11-1 FENDT拖拉机控制局域网络总线系统图11-1，图11-2 分别是德国FENDT拖拉机和CLAAS谷物联合机上应用的控制局域网络（CAN）总线系统，这已经在欧洲大中型农业机械的内部电子监视与控制系统中应用。机器的若干重要部件采用了独立的带微处理器的电子控制单元(ECU)，由设置于驾驶室带液晶显示的用户总线虚拟仪器终端控制器进行作业工况的显示和输入控制指令。机组上所有独立的电子控制设备均具有标准的输入/输出接口，挂接到标准总线上按规定协议进行通信和
9、控制。总线上还留有插接端口可与外部计算机连接，对总线系统设备进行诊断或实施系统扩展。 图11-2CLAAS联合收割机控制局域网络总线系统 农机机组的电子控制单元，正在由早期的专用控制器设计向通用控制器方向发展。这样，一个标准的电子控制单元即可用于与不同类型的农机部件和不同厂商的产品配套使用。图11-3是农业机械上采用的通用控制系统示意图。图11-3农业机械上采用的通用控制系统图表11-1列出了欧州几家主要农机制造商至1996年3月在农机产品上CAN总线的应用情况。随着机器工作幅宽和作业速度不断提高，机器中的控制器数量不断增加，机组自动导向也引入到了大型拖拉机和自走式农业机械中。表11-1 欧洲
10、几家主要农机制造商1996年3月前在农机产品上应用CAN情况 厂 商 产 品 型号控制器数电缆类型田间使用的单元数控制器总数FENDT拖拉机500800900223非屏蔽1600032000FORD拖拉机86708770887089704444屏 蔽1000040000FIAT拖拉机G170G190G210G2404444屏 蔽1200048000MF拖拉机6100810033非屏蔽1200036000New Holland切碎机FX300FX375FX450555光 纤7003500New Holland联合收获机TF785光 纤70350CLAAS联合收获机Lexion4-8非屏蔽5020
11、0总 计50820160050(来源：文献1，1997)（二）. 拖拉机与农业机械间的总线通信技术拖拉机和各种农业机械上应用的智能化电子控制单元（ECU）的发展，使其接口的通用化、标准化设计变得愈益重要。通常都是在拖拉机和联合收割机的驾驶室安装可用于和不同机型配套的通用型智能显示终端。采用双绞线或光纤电缆构筑机组内的“信息高速公路”，即数据通信链路。它是基于CAN（Controller Area Network）现场控制局域网络的串行总线结构。各种机器部件或不同形式的农业机器电子控制单元，设计成具有与总线挂接的标准接口，包括硬件芯片和可编程软件。使得机组上各个相对独立的电子控制单元(ECU)间
12、均可与中央控制与显示单元交换信息，接受控制指令，也可在各个农机具或部件ECU之间传输和交换数据信息，实现拖拉机与农业机器间、农业机器相互间和拖拉机中央控制器与农场计算机之间的串行通信。为了使农业机器上的电子系统具有通用性、兼容性，建立通用的总线通信设计标准是十分必要的。这样可使农户在国际市场上选购不同厂商的机器时，便于拖拉机与各种农业机械的ECU间的配套连接; 对制造商来说,通用标准的建立，使其仅需关注ECU用户一侧与机器控制相关的设计或建立其闭环控制系统，而不需要去深入了解ECU与其它设备之间的接口，只要将其插接到总线标准插座上即可，在总线上的数据信息交换仅以双向开环方式进行。设计农业机械的
13、专用总线接口、通信协议和开发生产集成物理特性和软件协议的硬件电路，需要具有高集成度的IC芯片（嵌入式微控制器）。为此，CAN协议被选用作为农业机械应用的总线标准协议的基础。它是德国BOSCH公司开发用于汽车的总线通信协议标准。其工作方式与农业机械上的网络拓朴结构十分相似，支持CAN协议的接口通信芯片已可由世界各地IC供应商提供。1986年，德国首先提出了基于CAN 2.0A版本的农业机械总线标准（DIN 9694），并从1993年起在欧洲各国的农机制造厂商普遍采用。90年代中期，以DIN 9684为基础，国际标准化组织（ISO）正在加速制定基于CAN 2.0B 版本基础上的ISO 11783作
14、为正式的农业机组数据通信及其接口设计的国际标准，可望在近两年内完成。DIN 9684农业总线标准的应用原理如图11-4，图 11-5所示。 图11-4 拖拉机-农业机械总线系统应用示意图 图 11-5 德国DIN9684/2-5 农业标准总线系统（LBS）的应用DIN 9684 包括五个组成部分，即：DIN 9684-1: 它定义了CAN总线与农用设备的连接接头。9针接头中的4个分别用于60A 强电电源和25A电子电路电源；5个用于信号传输。总线信息交换速率为125 kbit/s; 最大传输距离40 m; 总线可挂接的最大用户数为16个。（图11-6）DIN 9684-2：叙述了根据ISO 1
15、1898 串行数据总线标准定义的数据格式。系统采用分布式总线结构。用户终端通过总线发出消息，所有其它用户(ECU)根据各自的识别码检测总线，获取需用的信息和与总线实现信息交换。图11-7表示了这一农业总线系统的典型消息框架。数据场可传输包括8个字节的数据。各用户(ECU)接口设置的11位编码的识别器同时定义了其通向总线的优先级别。图11-6 DIN-9684/1 电缆终端接头 图11-7 DIN-9684/2 数据标准格式 DIN 9684-3 定义了系统功能和识别器结构。系统初始化时，借助于4个农具识别位和3个安装位置识别位进行机器系统的结构识别；在初始化过程中，最多16个挂接用户中的每一个用户动态地获取向所有用户播发的地址；基本消息作为第2优先级也向所有用户广播；为了允许用户间直接通信，目标信息定义为第3优先级；其它优先级用于中央输入输出单元及任务管理。 DIN 9684-4 定义了农业总线终端的键功能、屏幕功能
