电子信息科技发展与农业机械化技术创新 概述 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 期开始的基于徼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;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
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；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 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: ●●提髙机器作业的技术性能:过程监视、控制、诊断、通 信 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 ●●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: 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 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
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 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： ⚫ ⚫ 提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通 信； ⚫ ⚫ 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； ⚫ ⚫ 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； ⚫ ⚫ 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； ⚫ ⚫ 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 诊断/OL总线终端 ECU ECU·电子控制单元 EOL·在线编程端口 ∞-双线总线电缆 图11 FENDT拖拉机控制局域网络总线系统 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,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
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，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 11-1 FENDT 拖拉机控制局域网络总线系统
ECU·电子控制单元 带诊断软件软盘 双线总线电缆 诊断与系统扩展 ECU F- ECU ECU谷粒损失控制 割台控制 图112 CLAAS联合收割机控制局域网络总线系统 二作量 油耗收获量 管理计算机 DIN9684/1 81—喷雾机喷忏 控扩展箱 地轮测速雷达测速PTo测速悬挂机构位置传 传感器 团 施肥机 喷雾机 播种机 栽植机 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
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， 图 11-2 CLAAS 联合收割机控制局域网络总线系统
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电缆类田间使用控制器总 数型的单元数数 FENDT拖拉机5002非屏蔽1600032000 800 900 3 FORD|拖拉机86704屏蔽100004000 8770 8870 8970 4 FIAT拖拉机G1704屏蔽1200048000 G190 G210 G240 4 MF拖拉机61003非屏蔽120003600 8100 New切碎机|FX3005光纤700 3500 Holland FX3755
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 500 800 900 2 2 3 非屏蔽 16000 32000 FORD 拖拉机 8670 8770 8870 8970 4 4 4 4 屏 蔽 10000 40000 FIAT 拖拉机 G170 G190 G210 G240 4 4 4 4 屏 蔽 12000 48000 MF 拖拉机 6100 8100 3 3 非屏蔽 12000 36000 New Holland 切碎机 FX300 FX375 5 5 光 纤 700 3500