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天生我材必有用 ——貝加萊控制系統賦能智能農業

文：文/貝加萊工業自動化（中國）有限公司2023年第六期

導語：農業機械，對于控制器來說，是一個非常“苦”的工作環境。利用貝加萊智能控制器的杠桿效應——我們可以讓農機裝備大幅提高農業效率，在一個農業人口逐漸減少的時代，如何讓更多的人過上美好生活，這需要自動化技術與農業裝備的廠商攜手，創新發展提升單位面積產值、人均產值。

　　1 自動化似乎在農機器無用武之地?

　　談起農業，直覺里，人們都會覺得自動化在農業裝備沒有用武之地的——就像人們對于浙閩地區的描述：“七山二水一分田”，由于人均土地較少，且農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，有幾個因素會讓農業機械仍然有較大的發展

　　空間：

　　? 農業機械并非是完全自購為主：作為服務工具的一種，農業機械也會像其他工程機械一樣承攬規模化業務，村民可以預先聯系作業裝備統一作業，使得其作業對象成為大塊的土地;

　　? 土地本身的匯集：由于缺乏勞動力，很多土地已經被租賃給投資農業的企業，他們可以進行相對較大塊的土地匯集，用于農機規模化耕作，即使在陜北高原上，也能看到這樣的集約耕種場景;

　　? 新疆農墾和東北平原：這是目前大規模農業裝備的主要用武之地，其實，在中國，關中平原、四川盆地、湖北的江漢平原、華北平原等也是適合于大規模耕種;

　　? 人工成本，由于制造業的人工成本不斷上升，使得年輕的勞動力基本都轉向制造業，這也必然會導致農村雇傭短時勞動力的成本上升，最終會推動農業經營在未來走向規模化。

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圖 2 在現場嚴苛環境下的 X90 控制器

　　2 農業裝備的嚴苛工況

　　在東北三江平原，冬天還是很冷的，而到了新疆吐魯番地區的夏天，又是非常熱。江南地區濕度高，要是靠著海邊的農田，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，人們經常拿著榔頭敲擊設備，可以這么說，農業機械，對于控制器來說，就是一個非常“苦”的工作環境(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”產品系列。除了在工程機械、建筑機械、礦山等領域被廣泛應用，這款產品也已經被應用于農業機械，它屬于“移動的裝備”。如圖2中，就是一個直接安裝在農業機械車身的X90控制器，它必須能夠忍受這種農業現場的震動、灰塵等惡劣環境(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、農業這種環境的機器而設

　　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;

　　? 標配就有3個CAN口，采用SAE J 1939協議，也支持農機里的ISOBUS;

　　? ARM處理器，可以支持mS級的任務;

　　? USB口、快速以太網、POWERLINK實時以太網接口。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，調用液壓庫，開發專為農業機械所設計的智能算法。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2.8GHz的控制器。它與X90的不同在于，采用了Hypervisor技術的控制器，支持Linux開放操作系統和實時操作系統(RTOS)同時運行。這就意味著它可以處理算力需求更大的任務，比如模型運行、圖形圖像處理、智能分析等任務(圖3)。

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圖 3 Automation PC Mobile 3100 控制器

　　3 智慧農業，智能控制

　　農業機械的智能，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、農藥)，中游是土地耕作、播種、施肥、除草、采收，以及下游的農產品加工、物流。作為其中的一環，農業機械必須能夠高效生產。因為，大部分農產品的作業是有“窗口期”的，這往往需要高效的作業(圖4)。

　　? 建模仿真：農業機械也同樣是對于智能化迫切需求的領域。就拿種植類作業而言。土壤的墑情、濕度，所需耕作開溝深度、播種間距、施肥量進行配置，并對于作業裝備的發動機馬力輸出、作業角度等參數也是需要匹配的，否則，就無法以低能耗的方式達到耕作效果;

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

　　而這些農業機械的動力傳動、液壓驅動系統、傳感器、機械機構等，均需據此設計，這同樣需要物理建模，并進行虛擬測試與驗證，才能設計出高效率的作業機器，農業機械也不是干蠻力活的，它需要靈巧、而又高效，還節能的方式來作業;

　　? 設備互聯：由于農業采用了租賃服務的模式，但是，這樣就需要就整個農機的使用進行有效的根據生產需求進行調度、分配，并實時監測作業進度，以進行最小時間粒度的排產。同時，這些生產作業數據也會與農產品收購、加工等相關聯，以實現快速集約化的加工;

　　? 精耕細作的需求：在機械的建模后，機器現場也會實時采樣，并給操作人員以決策支持，例如根據反饋的數據來調整作業深度、參數等;施肥也會更好地計量、精準定位到作物所需部位，避免化肥的浪費和無法有效作用;精準采摘，更是需要根據作業不同產區的規格變化匹配合適的采摘參數，以達到精準的采收;

　　? 機器學習：對于像采摘類如棉花、水果等，需要直接對農作物進行定位，成熟度的學習(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，均需機器學習的方式來進行判斷和決策;

　　? 節能環保：合適的作業會更為節能，在更低的油耗下達到作業效率，在灌溉時也會更為節省用水——根據生產情況進行水利調度與分配，這些同樣需要數字化的支撐;

　　? 易用性：農業機械操作人員無需掌握復雜的專業知識，而是更為簡便的操作機器，機器需要易于學習，易于操作，并且能夠給出直觀的報警提示，以及操作支持。在土地精細耕作、設施智慧、農產品智能加工、智能信息服務方面，都是需要依靠農業自動化水平的提高，這里不僅需要自動化的控制，還需要基于數據的協作、調度，以及對于從耕作到最終銷售端的整個數據鏈條的服務，這才能最大地提高農業經濟的產出。因此，農業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、發動機、測速/振動、風向、溫度等傳感器，構成完整的作業裝備或聯合裝備。同時，通過無線的網絡，這些作業數據也會被匯集到生產管理系統，作為生產調度、協作的依據。

　　在圖5中，采用Web技術終端進行HMI交互——也可以像

　　人們的智能手機一樣炫的設計。其實，炫不炫不重要，對于農業機械來說，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，來實現農業機械所需的“直觀性圖形顯示”，借助于IT的控件來直觀表達機器的交互。另外，農業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還有一個對于農業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、西北地區也可以正常工作。