1 自動化似乎在農(nóng)機器無用武之地?

　　談起農(nóng)業(yè)，直覺里，人們都會覺得自動化在農(nóng)業(yè)裝備沒有用武之地的——就像人們對于浙閩地區(qū)的描述：“七山二水一分田”，由于人均土地較少，且農(nóng)村土地以戶為單位的小塊耕種，因此無法讓機械施展其能力。但是，有幾個因素會讓農(nóng)業(yè)機械仍然有較大的發(fā)展

　　空間：

　　? 農(nóng)業(yè)機械并非是完全自購為主：作為服務(wù)工具的一種，農(nóng)業(yè)機械也會像其他工程機械一樣承攬規(guī)?；瘶I(yè)務(wù)，村民可以預(yù)先聯(lián)系作業(yè)裝備統(tǒng)一作業(yè)，使得其作業(yè)對象成為大塊的土地;

　　? 土地本身的匯集：由于缺乏勞動力，很多土地已經(jīng)被租賃給投資農(nóng)業(yè)的企業(yè)，他們可以進(jìn)行相對較大塊的土地匯集，用于農(nóng)機規(guī)?；?，即使在陜北高原上，也能看到這樣的集約耕種場景;

　　? 新疆農(nóng)墾和東北平原：這是目前大規(guī)模農(nóng)業(yè)裝備的主要用武之地，其實，在中國，關(guān)中平原、四川盆地、湖北的江漢平原、華北平原等也是適合于大規(guī)模耕種;

　　? 人工成本，由于制造業(yè)的人工成本不斷上升，使得年輕的勞動力基本都轉(zhuǎn)向制造業(yè)，這也必然會導(dǎo)致農(nóng)村雇傭短時勞動力的成本上升，最終會推動農(nóng)業(yè)經(jīng)營在未來走向規(guī)?；?。

圖 2 在現(xiàn)場嚴(yán)苛環(huán)境下的 X90 控制器

　　2 農(nóng)業(yè)裝備的嚴(yán)苛工況

　　在東北三江平原，冬天還是很冷的，而到了新疆吐魯番地區(qū)的夏天，又是非常熱。江南地區(qū)濕度高，要是靠著海邊的農(nóng)田，難免受到鹽霧的影響。控制器工作在油污、泥水、灰塵這種環(huán)境里，而且，平原的地也不會讓你舒服的工作，坑坑洼洼的振動，并且為了修理機械系統(tǒng)，人們經(jīng)常拿著榔頭敲擊設(shè)備，可以這么說，農(nóng)業(yè)機械，對于控制器來說，就是一個非?！翱唷钡墓ぷ鳝h(huán)境(圖1)。不過，這也不影響貝加萊的X90嵌入式控制器的工作，圖1所描繪的各種復(fù)雜工況，對于普通控制器無法勝任，但于X90控制器則“為此而生”，它被稱為“移動自動化”產(chǎn)品系列。除了在工程機械、建筑機械、礦山等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，這款產(chǎn)品也已經(jīng)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械，它屬于“移動的裝備”。如圖2中，就是一個直接安裝在農(nóng)業(yè)機械車身的X90控制器，它必須能夠忍受這種農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的震動、灰塵等惡劣環(huán)境(圖2)。

　　看上去，貝加萊X90嵌入式控制器似乎“五大三粗”，但是，它的確是為工程、礦山、農(nóng)業(yè)這種環(huán)境的機器而設(shè)

　　計的控制器：

　　? 它有48個I/O通道，這些IO是可換的，輸入輸出均可配置;

　　? 標(biāo)配就有3個CAN口，采用SAE J 1939協(xié)議，也支持農(nóng)機里的ISOBUS;

　　? ARM處理器，可以支持mS級的任務(wù);

　　? USB口、快速以太網(wǎng)、POWERLINK實時以太網(wǎng)接口。它也同樣被Automation Studio集成編程，可以采用高級語言編寫算法、邏輯任務(wù)，調(diào)用液壓庫，開發(fā)專為農(nóng)業(yè)機械所設(shè)計的智能算法。在2022年，貝加萊還推出了Automation PC Mobile 3100(簡稱APC Mobile 3100)，它是一款基于Intel Core i7處理器，如圖3，主頻高達(dá)2.8GHz的控制器。它與X90的不同在于，采用了Hypervisor技術(shù)的控制器，支持Linux開放操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)(RTOS)同時運行。這就意味著它可以處理算力需求更大的任務(wù)，比如模型運行、圖形圖像處理、智能分析等任務(wù)(圖3)。

圖 3 Automation PC Mobile 3100 控制器

　　3 智慧農(nóng)業(yè)，智能控制

　　農(nóng)業(yè)機械的智能，在全球范圍都是要將“耕-種-管-收”全生命周期管理。上游連接資源端(種子、化肥、水利、農(nóng)藥)，中游是土地耕作、播種、施肥、除草、采收，以及下游的農(nóng)產(chǎn)品加工、物流。作為其中的一環(huán)，農(nóng)業(yè)機械必須能夠高效生產(chǎn)。因為，大部分農(nóng)產(chǎn)品的作業(yè)是有“窗口期”的，這往往需要高效的作業(yè)(圖4)。

　　? 建模仿真：農(nóng)業(yè)機械也同樣是對于智能化迫切需求的領(lǐng)域。就拿種植類作業(yè)而言。土壤的墑情、濕度，所需耕作開溝深度、播種間距、施肥量進(jìn)行配置，并對于作業(yè)裝備的發(fā)動機馬力輸出、作業(yè)角度等參數(shù)也是需要匹配的，否則，就無法以低能耗的方式達(dá)到耕作效果;

　　而在采摘階段，其實，也同樣會在作物間距、高度、作物種類、處于的成熟期等進(jìn)行作業(yè)，同樣需要匹配合適的參數(shù)、力量輸出，包括直接計數(shù)、分類、包裝等;

　　而這些農(nóng)業(yè)機械的動力傳動、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、機械機構(gòu)等，均需據(jù)此設(shè)計，這同樣需要物理建模，并進(jìn)行虛擬測試與驗證，才能設(shè)計出高效率的作業(yè)機器，農(nóng)業(yè)機械也不是干蠻力活的，它需要靈巧、而又高效，還節(jié)能的方式來作業(yè);

　　? 設(shè)備互聯(lián)：由于農(nóng)業(yè)采用了租賃服務(wù)的模式，但是，這樣就需要就整個農(nóng)機的使用進(jìn)行有效的根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)度、分配，并實時監(jiān)測作業(yè)進(jìn)度，以進(jìn)行最小時間粒度的排產(chǎn)。同時，這些生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)也會與農(nóng)產(chǎn)品收購、加工等相關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)快速集約化的加工;

　　? 精耕細(xì)作的需求：在機械的建模后，機器現(xiàn)場也會實時采樣，并給操作人員以決策支持，例如根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)來調(diào)整作業(yè)深度、參數(shù)等;施肥也會更好地計量、精準(zhǔn)定位到作物所需部位，避免化肥的浪費和無法有效作用;精準(zhǔn)采摘，更是需要根據(jù)作業(yè)不同產(chǎn)區(qū)的規(guī)格變化匹配合適的采摘參數(shù)，以達(dá)到精準(zhǔn)的采收;

　　? 機器學(xué)習(xí)：對于像采摘類如棉花、水果等，需要直接對農(nóng)作物進(jìn)行定位，成熟度的學(xué)習(xí)(例如蘋果、桃子的成熟度決定是否采摘)，并且可以直接在線進(jìn)行分類(視覺對蘋果的品相判斷，直徑越大且輪廓曲線對稱的蘋果單價越高)，凡此種種，均需機器學(xué)習(xí)的方式來進(jìn)行判斷和決策;

　　? 節(jié)能環(huán)保：合適的作業(yè)會更為節(jié)能，在更低的油耗下達(dá)到作業(yè)效率，在灌溉時也會更為節(jié)省用水——根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)行水利調(diào)度與分配，這些同樣需要數(shù)字化的支撐;

　　? 易用性：農(nóng)業(yè)機械操作人員無需掌握復(fù)雜的專業(yè)知識，而是更為簡便的操作機器，機器需要易于學(xué)習(xí)，易于操作，并且能夠給出直觀的報警提示，以及操作支持。在土地精細(xì)耕作、設(shè)施智慧、農(nóng)產(chǎn)品智能加工、智能信息服務(wù)方面，都是需要依靠農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，這里不僅需要自動化的控制，還需要基于數(shù)據(jù)的協(xié)作、調(diào)度，以及對于從耕作到最終銷售端的整個數(shù)據(jù)鏈條的服務(wù)，這才能最大地提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的產(chǎn)出。因此，農(nóng)業(yè)機械同樣需要強算力的，像貝加萊Automation PC Mobile這樣的控制器。

　　4 天生我材必有用

　　我們可以在圖2、3中看到，采用X90或Mobile PC 3100這種控制器，它們可以連接操作器、顯示終端、液壓機構(gòu)、發(fā)動機、測速/振動、風(fēng)向、溫度等傳感器，構(gòu)成完整的作業(yè)裝備或聯(lián)合裝備。同時，通過無線的網(wǎng)絡(luò)，這些作業(yè)數(shù)據(jù)也會被匯集到生產(chǎn)管理系統(tǒng)，作為生產(chǎn)調(diào)度、協(xié)作的依據(jù)。

　　在圖5中，采用Web技術(shù)終端進(jìn)行HMI交互——也可以像

　　人們的智能手機一樣炫的設(shè)計。其實，炫不炫不重要，對于農(nóng)業(yè)機械來說，它最為主要的在于“操作簡單”、“亮度夠”。貝加萊的Power Panel T系列就是借助于Web技術(shù)，來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械所需的“直觀性圖形顯示”，借助于IT的控件來直觀表達(dá)機器的交互。另外，農(nóng)業(yè)機械通常會在陽光直射下工作，屏幕可不得夠亮，強光下也得看的清楚啊!圖6這款HMI還有一個對于農(nóng)業(yè)機械而言比較重要的吸引力在于，它可以在零下30℃下正常工作，這意味著極寒的東北地區(qū)、西北地區(qū)也可以正常工作。

圖 5 貝加萊農(nóng)業(yè)機械控制器架構(gòu)

圖 6 貝加萊 T50 系列 HMI

　　5 農(nóng)業(yè)機械的連接規(guī)約

　　ISOBUS是一種基于CAN通信的協(xié)議，它可以與來自不同制造商的機器交換數(shù)據(jù)。作為農(nóng)業(yè)電子設(shè)備基金會(AEF)成員，貝加萊通過新的ISOBUS協(xié)議為該行業(yè)提供連接。

　　ISOBUS協(xié)議涵蓋終端、輔助控制、任務(wù)控制器(地理位置)、任務(wù)控制器分區(qū)控制和基本拖拉機的ECU之間的連接。

　　貝加萊也是AEF、CiA、AEM、VDMA聯(lián)盟成員，這些聯(lián)盟旨在建立在農(nóng)業(yè)機械間設(shè)備的通信規(guī)約。

　　6 結(jié)語

　　利用貝加萊智能控制器的杠桿效應(yīng)——我們可以讓農(nóng)機裝備大幅提高農(nóng)業(yè)效率，在一個農(nóng)業(yè)人口逐漸減少的時代，如何讓更多的人過上美好生活，這需要自動化技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備的廠商攜手創(chuàng)新發(fā)展，提升單位面積產(chǎn)值、人均產(chǎn)值。

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