【正文】 電子信息科技發(fā)展與農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)創(chuàng)新一. 概述 20世紀(jì)下半期開始的電子信息科學(xué)技術(shù)革命，是人類歷史發(fā)展中的最偉大事件之一。以微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的信息技術(shù)革命，迅速地改變著人類的生產(chǎn)方式、思維方式和生活方式，加速了國民經(jīng)濟信息化進(jìn)程，成為推動各個領(lǐng)域知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、知識應(yīng)用和知識傳播的強有力手段。電子信息技術(shù)的發(fā)展，也明顯地影響著農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)的創(chuàng)新過程，在農(nóng)、林、牧、副、漁機械化過程中迅速吸收著電子信息技術(shù)革命的成果。50年代后期開始，發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)機械化由單個作業(yè)環(huán)節(jié)機械的應(yīng)用轉(zhuǎn)向圍繞農(nóng)業(yè)種、養(yǎng)、加過程實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟的目標(biāo)，發(fā)展農(nóng)藝與農(nóng)機密切結(jié)合的綜合機械化技術(shù)體系研究，從而對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的工藝系統(tǒng)設(shè)計與過程自動化提出了新要求。首先在農(nóng)業(yè)機械的試驗、測試儀器開發(fā)，數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域引進(jìn)了先進(jìn)的電子、計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)；隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)機測試儀器的研究開發(fā)不斷更新?lián)Q代，由晶體管分立元件，不同集成度的集成電路器件，發(fā)展到80年代初期開始的基于微處理器的綜合測試系統(tǒng)，從而大大改善了農(nóng)業(yè)機械研究與應(yīng)用試驗的支持環(huán)境，為揭示農(nóng)機力學(xué)設(shè)計的內(nèi)在規(guī)律和農(nóng)機新材料、新工藝與新型農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研究提供了技術(shù)支持。從70年代開始，由于發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造技術(shù)已趨于成熟，農(nóng)產(chǎn)品國際市場競爭日益激烈，農(nóng)業(yè)土地經(jīng)營規(guī)模擴大，農(nóng)業(yè)機械迅速向大型、高速、復(fù)式作業(yè)、人機和諧與舒適性設(shè)計方向快速發(fā)展，加快了電子信息技術(shù)面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化過程中的應(yīng)用研究及應(yīng)用電子產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。一批面向生產(chǎn)者應(yīng)用的各種機電儀一體化技術(shù)產(chǎn)品迅速開發(fā)出來裝備到農(nóng)業(yè)機械上用于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)的高效率、高質(zhì)量、省成本和改善操作者的舒適性與安全性。各種電子監(jiān)示、控制裝置應(yīng)用于各種復(fù)雜農(nóng)業(yè)機械上，其典型產(chǎn)品，如：農(nóng)業(yè)機械化過程中應(yīng)用的田間作業(yè)面積、速度、機器作業(yè)工況計量與監(jiān)示器。聯(lián)合收獲機谷粒損失監(jiān)示器及噴霧與灌溉自動控制系統(tǒng)；在園藝領(lǐng)域，如，設(shè)施環(huán)境的機電一體化自動控制技術(shù)；在養(yǎng)殖領(lǐng)域，如：基于動物個體編號電子自動識別器的自動配料、稱重、計量等設(shè)備在發(fā)達(dá)國家農(nóng)場中迅速推廣應(yīng)用；拖拉機與自走農(nóng)業(yè)機械的田間自動導(dǎo)航、機器視覺與農(nóng)業(yè)應(yīng)用機器人研究得到重視，成為探索在農(nóng)業(yè)機械化過程中應(yīng)用電子信息及機電一體化等高新技術(shù)開發(fā)研究的重要方向。80年代以來，電子技術(shù)與其它新技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用研究的發(fā)展，既促進(jìn)了世紀(jì)之交農(nóng)業(yè)機械化系統(tǒng)電子信息化技術(shù)的創(chuàng)新研究與新產(chǎn)品開發(fā),也為90 年代適應(yīng)“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的試驗實踐開發(fā)智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械提供了基礎(chǔ)。我國農(nóng)業(yè)還處于逐步推進(jìn)實現(xiàn)基本農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展階段，進(jìn)入新世紀(jì)，為了提高我國大中型農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品在國際市場上的競爭力，發(fā)展高新技術(shù)在規(guī)?；r(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)機械化服務(wù)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，也需要跟蹤研究發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗，在應(yīng)用電子信息新技術(shù)方面實現(xiàn)跨越式的發(fā)展戰(zhàn)略。本部分著重討論世紀(jì)之交發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)機械電子化、信息化技術(shù)和支持“精細(xì)農(nóng)業(yè)”應(yīng)用的農(nóng)業(yè)裝備電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望。、信息化的發(fā)展 世紀(jì)之交，世界農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)的發(fā)展，正迅速地吸收和應(yīng)用電子信息科技發(fā)展的成就。這與農(nóng)業(yè)面對世界市場競爭的壓力，集約化、現(xiàn)代化對大型、復(fù)雜、高效、節(jié)本、環(huán)保型農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)日益提高的要求密切相關(guān)。近20年來農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)不斷積累的技術(shù)創(chuàng)新成果也為這一發(fā)展提供了基礎(chǔ)。電子學(xué)與信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械裝備中應(yīng)用的這一發(fā)展趨勢，代表著拖拉機和農(nóng)業(yè)機械技術(shù)發(fā)展新的里程碑。通過電子學(xué)，使一些農(nóng)業(yè)裝備具有智能化特征和在系統(tǒng)各控制單元間可相互通信，促進(jìn)了支持基于信息和知識的“精細(xì)農(nóng)業(yè)”應(yīng)用的智能化變量作業(yè)農(nóng)業(yè)機械的研究與開發(fā)。迄今，電子學(xué)用于農(nóng)業(yè)機械裝備的技術(shù)創(chuàng)新，可概括為如下五個基本領(lǐng)域：l l 提高機器作業(yè)的技術(shù)性能：過程監(jiān)視、控制、診斷、通信；l l 實現(xiàn)節(jié)本增效和環(huán)境友好的農(nóng)作：節(jié)約化肥、農(nóng)藥、水資源和燃料消耗，降低作業(yè)成本；保護生態(tài)環(huán)境，減少土壤、水體、動植物遭受污染；l l 過程的精確操作：及時獲取過程信息，使農(nóng)業(yè)機械操作能精確執(zhí)行過程控制指令；l l 改善勞動者的操作條件：良好的人機接口，操作方便性、安全性、舒適性；l l 發(fā)展基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的農(nóng)機作業(yè)田間導(dǎo)航、定位變量作業(yè)的智能控制農(nóng)業(yè)機械，實現(xiàn)農(nóng)場管理信息系統(tǒng)與田間移動作業(yè)機械間的無線通信與機群調(diào)度，支持農(nóng)田作業(yè)的科學(xué)管理決策等。 智能化農(nóng)業(yè)機械需要有不同類型的信息采集傳感器，適于農(nóng)機工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制執(zhí)行器，高性能的電子控制器和相應(yīng)的軟件支持，需要建立拖拉機、農(nóng)業(yè)機械各部件電子控制單元間的通信、接口設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這些都需要機械、電子、信息管理等多種學(xué)科的集成支持。（一）. 拖拉機與農(nóng)業(yè)機械內(nèi)部的電子裝備技術(shù) 拖拉機與自走式農(nóng)業(yè)機械電子化正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、分布式控制技術(shù)方向發(fā)展。一臺大型拖拉機和復(fù)雜農(nóng)業(yè)機械，已裝置了若干個標(biāo)準(zhǔn)的電子控制單元（ECU），它實際上已是一個帶有獨立處理信息與控制功能的計算機智能控制終端，是針對農(nóng)業(yè)機械使用環(huán)境專門設(shè)計的通用微型作業(yè)計算機（Job puter）,具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的接口和采用了現(xiàn)場控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。 圖111 FENDT拖拉機控制局域網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng)圖111，圖112 分別是德國FENDT拖拉機和CLAAS谷物聯(lián)合機上應(yīng)用的控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線系統(tǒng)，這已經(jīng)在歐洲大中型農(nóng)業(yè)機械的內(nèi)部電子監(jiān)視與控制系統(tǒng)中應(yīng)用。機器的若干重要部件采用了獨立的帶微處理器的電子控制單元(ECU)，由設(shè)置于駕駛室?guī)б壕э@示的用戶總線虛擬儀器終端控制器進(jìn)行作業(yè)工況的顯示和輸入控制指令。機組上所有獨立的電子控制設(shè)備均具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口，掛接到標(biāo)準(zhǔn)總線上按規(guī)定協(xié)議進(jìn)行通信和控制?？偩€上還留有插接端口可與外部計算機連接，對總線系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行診斷或?qū)嵤┫到y(tǒng)擴展。 圖112 CLAAS聯(lián)合收割機控制局域網(wǎng)絡(luò)總線系統(tǒng) 農(nóng)機機組的電子控制單元，正在由早期的專用控制器設(shè)計向通用控制器方向發(fā)展。這樣，一個標(biāo)準(zhǔn)的電子控制單元即可用于與不同類型的農(nóng)機部件和不同廠商的產(chǎn)品配套使用。圖113是農(nóng)業(yè)機械上采用的通用控制系統(tǒng)示意圖。 圖113 農(nóng)業(yè)機械上采用的通用控制系統(tǒng)圖表111列出了歐州幾家主要農(nóng)機制造商至1996年3月在農(nóng)機產(chǎn)品上CAN總線的應(yīng)用情況。隨著機器工作幅寬和作業(yè)速度不斷提高，機器中的控制器數(shù)量不斷增加，機組自動導(dǎo)向也引入到了大型拖拉機和自走式農(nóng)業(yè)機械中。表111 歐洲幾家主要農(nóng)機制造商1996年3月前在農(nóng)機產(chǎn)品上應(yīng)用CAN情況 廠 商 產(chǎn) 品 型號控制器數(shù)電纜類型田間使用的單元數(shù)控制器總數(shù)FENDT拖拉機500800900223非屏蔽1600032000FORD拖拉機86708770887089704444屏 蔽1000040000FIAT拖拉機G170G190G210G2404444屏 蔽1200048000MF拖拉機6100810033非屏蔽1200036000New Holland切碎機FX300FX375FX450555光 纖7003500New Holland聯(lián)合收獲機TF785光 纖70350CLAAS聯(lián)合收獲機Lexion48非屏蔽50200總 計50820160050 (來源：文獻(xiàn)1，1997)（二）. 拖拉機與農(nóng)業(yè)機械間的總線通信技術(shù)拖拉機和各種農(nóng)業(yè)機械上應(yīng)用的智能化電子控制單元（ECU）的發(fā)展，使其接口的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計變得愈益重要。通常都是在拖拉機和聯(lián)合收割機的駕駛室安裝可用于和不同機型配套的通用型智能顯示終端。采用雙絞線或光纖電纜構(gòu)筑機組內(nèi)的“信息高速公路”，即數(shù)據(jù)通信鏈路。它是基于CAN（Controller Area Network）現(xiàn)場控制局域網(wǎng)絡(luò)的串行總線結(jié)構(gòu)。各種機器部件或不同形式的農(nóng)業(yè)機器電子控制單元，設(shè)計成具有與總線掛接的標(biāo)準(zhǔn)接口，包括硬件芯片和可編程軟件。使得機組上各個相對獨立的電子控制單元(ECU)間均可與中央控制與顯示單元交換信息，接受控制指令，也可在各個農(nóng)機具或部件ECU之間傳輸和交換數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)拖拉機與農(nóng)業(yè)機器間、農(nóng)業(yè)機器相互間和拖拉機中央控制器與農(nóng)場計算機之間的串行通信。為了使農(nóng)業(yè)機器上的電子系統(tǒng)具有通用性、兼容性，建立通用的總線通信設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。這樣可使農(nóng)戶在國際市場上選購不同廠商的機器時，便于拖拉機與各種農(nóng)業(yè)機械的ECU間的配套連接。 對制造商來說,通用標(biāo)準(zhǔn)的建立，使其僅需關(guān)注ECU用戶一側(cè)與機器控制相關(guān)的設(shè)計或建立其閉環(huán)控制系統(tǒng)，而不需要去深入了解ECU與其它設(shè)備之間的接口，只要將其插接到總線標(biāo)準(zhǔn)插座上即可，在總線上的數(shù)據(jù)信息交換僅以雙向開環(huán)方式進(jìn)行。設(shè)計農(nóng)業(yè)機械的專用總線接口、通信協(xié)議和開發(fā)生產(chǎn)集成物理特性和軟件協(xié)議的硬件電路，需要具有高集成度的IC芯片（嵌入式微控制器）。為此，CAN協(xié)議被選用作為農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用的總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)。它是德國BOSCH公司開發(fā)用于汽車的總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其工作方式與農(nóng)業(yè)機械上的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)十分相似，支持CAN協(xié)議的接口通信芯片已可由世界各地IC供應(yīng)商提供。1986年，德國首先提出了基于CAN （DIN 9694），并從1993年起在歐洲各國的農(nóng)機制造廠商普遍采用。90年代中期，以DIN 9684為基礎(chǔ)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）正在加速制定基于CAN 版本基礎(chǔ)上的ISO 11783作為正式的農(nóng)業(yè)機組數(shù)據(jù)通信及其接口設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)，可望在近兩年內(nèi)完成。DIN 9684農(nóng)業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用原理如圖114，圖 115所示。 圖114 拖拉機農(nóng)業(yè)機械總線系統(tǒng)應(yīng)用示意圖 圖 115 德國DIN9684/25 農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)（LBS）的應(yīng)用DIN 9684 包括五個組成部分，即：DIN 96841: 它定義了CAN總線與農(nóng)用設(shè)備的連接接頭。9針接頭中的4個分別用于60A 強電電源和25A電子電路電源；5個用于信號傳輸?？偩€信息交換速率為125 kbit/s。 最大傳輸距離40 m。 總線可掛接的最大用戶數(shù)為16個。（圖116）DIN 96842：敘述了根據(jù)ISO 11898 串行數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)采用分布式總線結(jié)構(gòu)。用戶終端通過總線發(fā)出消息，所有其它用戶(ECU)根據(jù)各自的識別碼檢測總線，獲取需用的信息和與總線實現(xiàn)信息交換。圖117表示了這一農(nóng)業(yè)總線系統(tǒng)的典型消息框架。數(shù)據(jù)場可傳輸包括8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。各用戶(ECU)接口設(shè)置的11位編碼的識別器同時定義了其通向總線的優(yōu)先級別。圖116 DIN9684/1 電纜終端接頭 圖117 DIN9684/2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式 DIN 96843 定義了系統(tǒng)功能和識別器結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)初始化時，借助于4個農(nóng)具識別位和3個安裝位置識別位進(jìn)行機器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)識別；在初始化過程中，最多16個掛接用戶中的每一個用戶動態(tài)地獲取向所有用戶播發(fā)的地址；基本消息作為第2優(yōu)先級也向所有用戶廣播；為了允許用戶間直接通信，目標(biāo)信息定義為第3優(yōu)先級；其它優(yōu)先級用于中央輸入輸出單元及任務(wù)管理。 DIN 96844 定義了農(nóng)業(yè)總線終端的鍵功能