基于物联网技术的智能投料机远程监控系统设计

发布时间：2020-02-22

　　摘要:为了提高玉米播种机的自动化水平和播种精度，通常可以采用远程系统对播种质量进行监测，包括漏播、重播及作业效率等;相同的原理，投料机投料过程中也需要对其投料的质量进行监测，包括投料的准确性和投料效率等。为此，依据播种机远程系统的原理，设计了智能投料机的远程系统，具有数据采集与传输、数据监测、分析、统计和管理及报警处理等综合功能，实现了智能投料机实时监控、用户管理、报警、数据统计与分析。为了验证远程系统的可行性，对投料机的投料效率和质量进行了监测，结果表明:远程系统可以成功地对投料质量和效率进行监测，并具有较高的监测精度，为投料机的高精度作业和降低环境污染提供了保障。

　　关键词:智能投料机;物联网技术;远程监测;重播漏播;播种机

　　0引言

　　随着现代农业技术的不断发展，播种机的自动化技术已经较为成熟，基于物联网技术，与播种机配套的现代化播种质量远程监控系统也逐步发展起来，其监测系统还可以被应用到其他领域。自动投料机的投料方式分为3种，包括螺旋输送、皮带输送及气力输送。为了方便安装，一般采用气力输送的形式，不过受到环境因素的影响，气力输送在投料过程中会存在一定的误差，不仅影响了物料的浪费程度，如果投料不准确还会对环境造成较大的污染。为此，拟将播种机质量监测系统作为参考引入到智能投料机的远程监测系统设计过程中，以期提高投料质量监测的自动化水平。

　　1播种质量监测技术及其在投料机监控系统中的应用

　　投料机在作业过程中，如投料不准除了会造成物料浪费之外，一些含有污染物质的成分还会对环境造成污染，因此在作业过程中需要对其进行实时监控。作业过程中，播种机播种质量主要受到排种器的影响，如果排种器作业质量不高，会造成漏播和重播等质量问题，因此需要对排种器进行实时监测。投料机的投料和播种机排种器的工作原理类似，这两种质量监测系统可以互相借鉴。以播种机监测系统的设计为例，总体设计框架如图1所示。

　　远程监控系统以单片机或者PLC作为主控芯片，在播种机或者投料机的远程作业端可以使用传感器对信息进行采集，采集得到的信息采用单片机或者其他控制器进行处理后利用移动通信或者无线发射装置将信号进行发射;在远程监控端，通过无线接收模块将信息数据接收后，通过数据处理与分析，将实时数据进行可视化显示，如果监测数据达到了报警阈值，则会发出危险警报。

　　1)排种和投料量监测。当播种机正常工作时，排种器排出种子，遇到红外线传感器发出的光束时会产生阻碍信号，产生高电平信号;当没有种子排出时，电平信号为低电平信号。相同的原理，在投料过程中，也可以采用高低电平信号来判断是否有物料投入，并统计投料的量。

　　2)重播漏播和物料投放准确性监测。重播和漏播都可以通过两次播种时间间隔来计算，有重播现象发生时，两次播种间距时间会非常小，有漏播现象发生时，两次播种时间间距要大于一次播种时间。同理，对于物料投放的准确性也可以进行监测，首先测量出来正常投料的两次时间间距，然后利用传感器对投料作业时的时间间隔进行测算，来判断投料是否准确。

　　3)播种速度和投料效率监测。播种速度可以通过排种器的排种速度来等效计算，物料的投放速度也可根据物料进给时间来计算，通过对播种速度和投料效率的监测，可了解播种机和投料机的作业质量。

　　2基于物联网技术的远程监控系统设计

　　基于物联网技术可以实现远程监控的多种项目的监测，如环境的温湿度、机器的实时作业情况及机器的作业质量。播种机在作业过程中主要是对其重播率和漏播率进行监测，重点监测项目是排种盘的作业情况;智能投料机主要是对投料的精度进行监测，还需要监测器对环境的污染程度。以环境湿度的测量为例，其电路如图2所示。

　　环境湿度监测采用的是HS1101电容式湿度传感器，在测量过程中电容是无法直接测量的，需要利用多谐震荡电路监测电路的频率，然后利用控制中心读出电容的值，根据电容值反算相对应的湿度值，便可以对投料机作业过程中的环境湿度进行较为准确的测量。测量完成后，需要对数值进行显示，显示电路原理如图3所示。

　　显示模块是物联网远程监控的重要组成部分，对于环境湿度的数值，可以采用1602液晶显示器及其相配套的控制器及驱动器等组件来完成。

　　在投料机环境湿度监测的硬件电路设计完成后，需要对软件部分进行设计，流程如图4所示。在进行湿度显示时，采用定时显示的方式，无法定时显示时还会发出相应的报警。

　　如图5所示，在进行播种机排种器的监测或者投料质量监测时，现场采用的传感器将得到的模拟信号通过物联网通信传送给远程监测人员;远程控制人员通过控制器和显示器得到机器的运行状态信息，然后将控制指令通过物联网通信技术传送给现场操作人员;现场操作人员利用现场控制器对设备进行操作，以使播种机或者只能投料设备具有较高的精度。

　　该模块包括控制开关电路、传感器电路和直流伺服驱动电机的控制电路，如图6所示。在实现远程自动化控制过程中，远程管理人员利用GSM短信发出控制指令，PLC控制器中心在接受到指令信息后，首先对指令进行解释，然后执行相应的动作，从而实现排种器或者智能投料机械的远程控制。

　　3监控系统功能设计及性能测试

　　依据播种机远程监测系统的功能原理，对投料机远程监控系统进行了设计。基于物联网技术，智能投料机远程监控系统由数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统及报警系统4部分组成，框架结构如图7所示。

　　数据采集主要是采用各种传感器，包括环境温度和湿度传感器及摄像机等。数据传输通过物联网通信技术，如距离远可以通过GPRS，如距离较近可以采用WIFI通信。数据处理系统主要采用数据库的形式，将采集的各种数据进行分析和处理，在进行数据分析时会设定相应的报警阈值，当采集数据超过相应阈值时会进行报警。投料机远程监控如图8所示。

　　在投料机工作过程中，可以通过实时监控监测投料的过程参数和相关数据，并以组态图或者报表及曲线的形式实时显示出来，如投料总时间、投料混合密度、出料温度和环境中物料浓度等。实时监测的目的是为了投料参数出现不合格或者对环境污染比较厉害时进行预警。通过监测系统，当投料的参数不达标或者超过设定阈值时，系统会发出警报，最后将实时监测数据做成各种报表的形式，支持历史查询和数据统计分析。

　　智能投料机采用监控系统后可以成功统计出吹送时间，如表1所示。为了进一步研究监控系统的可行性，对吹送质量进行了监测，通过数据统计分析得到了如表2所示的结果。

　　由表2可知:利用监测系统对投料误差进行了统计，误差结果最高仅为1.5%。在此误差范围内，投料的准确率在设计范围内，且也不会对环境造成污染，满足设计要求。

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　　4结论

　　为了提高投料机的自动化程度和远程监控水平，将播种机远程系统引入到了智能投料机的监测系统设计过程中，实现了投料过程的数据采集与传输、数据监测、分析、统计、管理及报警处理等综合功能。为验证系统的可行性和可靠性，对投料过程进行了监测，结果表明:采用远程监测系统可以成功地对投料质量和效率进行监测，为投料过程的自动化控制提供了技术支持。