智慧农业中机械控制系统的选择

作者 |宋华振

农业机械对于控制、智能的需求一点都没有比工业低。在走向智能化的道路上，农业机械需要高性能的控制系统支撑。

在中国，若谈起农业，很多人直觉就是觉得自动化在农业装备似乎没有用武之地，因为，就像人们对于浙闽地区的描述“七山二水一分田”。由于人均土地较少，且农村土地以户为单位的小块耕种，无法让机械施展其能力。

但是，有几个因素会让农业机械仍然是有较高的发展空间：

1). 农业机械并非是完全自购为主：作为服务工具的一种，农业机械也会像其他工程机械一样承揽规模化业务，村民可以预先联系作业装备统一作业，使得其作业对象成为大块的土地。

2). 土地本身的汇集：由于缺乏劳动力，很多土地已经被租赁给投资农业的企业，他们可以进行相对较大块的土地汇集，用于农机规模化耕作。即使在陕北高原上，也能看到这样的集约耕种场景。

3). 新疆农垦和东北平原：这是目前大规模农业装备的主要用武之地。其实，在中国，关中平原、四川盆地、湖北的江汉平原、华北平原等也是适合于大规模耕种。

4).人工成本，由于制造业的人工成本不断上升，使得年轻的劳动力基本都转向制造业。这也必然会导致农村雇佣短时劳动力的成本上升，这也最终会推动农业经营在未来走向规模化。

这个基础上，大型联合作业，更为智能的农机才是有用武之地，自动化也就会有发挥空间。

01智慧农业，对智能控制要求也很高

其实，农业机械对于控制、智能的需求一点都没有比工业低。农业智能化，是将“耕-种-管-收”全生命周期管理。上游连接资源端（种子、化肥、水利、农药），中游是土地耕作、播种、施肥、除草、采收，以及下游的农产品加工、物流。作为其中的一环，农业机械必须能够高效生产。因为，大部分农产品的作业是有“窗口期”的，这往往需要高效的作业。图1是农机智能化的几个发展方向，它也同样需要借助于数字化的能力来进行提升。

1).建模仿真：农业机械也同样是对于智能化迫切需求的领域。就拿种植类作业而言。土壤的墒情、湿度，所需耕作开沟深度、播种间距、施肥量进行配置，并对于作业装备的发动机马力输出、作业角度等参数也是需要匹配的，否则，就无法以低能耗的方式达到耕作效果。

而在采摘阶段，其实，也同样会在作物间距、高度、作物种类、处于的成熟期等进行作业，同样需要匹配合适的参数、力量输出，包括直接计数、分类、包装等。

而这些农业机械的动力传动、液压驱动系统、传感器、机械机构等，均需据此设计，这同样需要物理建模，并进行虚拟测试与验证，才能设计出高效率的作业机器。农业机械也不是干蛮力活的，它需要灵巧、而又高效，还节能的方式来作业。

2).设备互联：由于农业采用了租赁服务的模式，但是，这样就需要就整个农机的使用进行有效的根据生产需求进行调度、分配，并实时监测作业进度，以进行最小时间粒度的排产。同时，这些生产作业数据也会与农产品收购、加工等相关联，以实现快速集约化的加工。

3).精耕细作的需求：在机械的建模后，机器现场也会实时采样，并给操作人员以决策支持，例如根据反馈的数据来调整作业深度、参数等。施肥也会更好的计量、精准定位到作物所需部位，避免化肥的浪费和无法有效作用。精准采摘，更是需要根据作业不同产区的规格变化匹配合适的采摘参数，以达到精准的采收。

4).机器学习，对于像采摘类如棉花、水果等，需要直接对农作物进行定位，成熟度的学习（例如苹果、桃子的成熟度决定是否采摘）、并且可以直接在线进行分类（图像对苹果的品相判断，越大的苹果单价越高），凡此种种，均需机器学习的方式来进行判断和决策。

5).节能环保：合适的作业会更为节能—更低的油耗下达到作业效率。在灌溉时也会更为节省用水-根据生产情况进行水利调度与分配-这同样需要数字化的支撑。

6).易用性，农业机械操作人员无需掌握复杂的专业知识，而是更为简便的操作机器。机器需要易于学习，易于操作，并且能够给出直观的报警提示，以及操作支持。

在土地精细耕作、设施智慧、农产品智能加工、智能信息服务方面，都是需要农业自动化水平的提高，这里不仅需要自动化的控制，还需要基于数据的协作、调度，以及对于从耕作到最终销售端的整个数据链条的服务，这才能最大的发展农业经济的产出。

02农业装备的严苛工况

农机的控制，要求也与工业大不相同，首先就是它自身工况的复杂与恶劣。北方的冬天会到零下30℃，夏天又会经常40℃，南方气温高同时湿度也很高。沿海地区还受到盐雾腐蚀的潜在影响。这类控制器遇到的严苛环境包括振动、凝露、敲击、油污和水。因此，它需要控制系统有非常高的忍受度。

不过，这也不影响贝加莱的X90嵌入式控制器的工作，各种复杂工况对于普通控制器无法胜任，但于X90则“为此而生”。它必须能够忍受这种农业现场的震动、灰尘等恶劣环境。

它是为工程、矿山、农业这种环境的机器而设计的控制器：它有48个I/O通道，这些IO是可换的，输入输出均可配置；标配就有3个CAN口，采用SAE J 1939协议，也支持农机里的ISOBUS；采用ARM处理器，可以支持mS级的任务；具有USB口、快速以太网、POWERLINK实时以太网接口。它也同样被贝加莱的Automation Studio集成编程，可以采用高级语言编写算法、逻辑任务，调用液压库，开发专为农业机械所设计的智能算法。

在2022年，贝加莱还推出了Automation PC Mobile 3100（简称APC Mobile 3100）,它是一款基于Intel Core i7处理器。如图2，主频高达2.8GHz的控制器。它与X90的不同在于，它是采用了Hypervisor技术的控制器，支持Linux/Windows开放操作系统和实时操作系统（RTOS）同时运行。这就意味着它可以处理算力需求更大的任务，比如模型运行、图形图像处理、智能分析等任务。

03农机的控制与互联

我们可以在图3中看到，采用X90或Mobile PC 3100这种控制器，它可以连接操作器、显示终端、液压机构、发动机、测速/振动、风向、温度等传感器，构成完整的作业装备或联合装备。同时，通过无线的网络，这些作业数据也会被汇集到生产管理系统，作为生产调度、协作的依据。

采用Web技术终端进行HMI交互，也可以像你的智能手机一样炫的设计（图4）。其实，炫不炫不重要，对于农业机械来说，它最为主要的在于“操作简单”、“亮度够”。贝加莱的Power Panel T系列就是借助于Web技术，来实现农业机械所需的“直观性图形显示”，借助于IT的控件来直观表达机器的交互。另外，农业机械通常会在阳光直射下工作，因此屏幕需要足够亮，强光下也能看清楚。这款HMI还有一个对于农业机械而言比较重要的吸引力在于，它可以在零下30℃下正常工作，这意味着极寒的东北地区、西北地区也是可以工作的。

04专为农机开发的规约

ISOBUS是一种基于CAN通信的协议，它可以与来自不同制造商的机器交换数据。作为农业电子设备基金会（AEF）成员，贝加莱通过新的ISOBUS协议为该行业提供连接。

ISOBUS协议涵盖终端、辅助控制、任务控制器（地理位置）、任务控制器分区控制和基本拖拉机的ECU之间的连接。贝加莱也是AEF、CiA、AEM、VDMA联盟成员，这些联盟旨在建立在农业机械间设备的通信规约。

农业机械，在走向智能化的道路上，需要这种高性能的控制系统支撑。

关键概念：

农业机械对于控制、智能的需求一点都没有比工业低。

农机智能化的发展同样需要借助于数字化的能力来进行提升。

思考一下：

农机智能化需要重点考虑哪几个发展方向？

审核编辑：汤梓红