作者 |宋華振

農(nóng)業(yè)機(jī)械對于控制、智能的需求一點都沒有比工業(yè)低。在走向智能化的道路上，農(nóng)業(yè)機(jī)械需要高性能的控制系統(tǒng)支撐。

在中國，若談起農(nóng)業(yè)，很多人直覺就是覺得自動化在農(nóng)業(yè)裝備似乎沒有用武之地，因為，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，無法讓機(jī)械施展其能力。

但是，有幾個因素會讓農(nóng)業(yè)機(jī)械仍然是有較高的發(fā)展空間：

1). 農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械也會像其他工程機(jī)械一樣承攬規(guī)模化業(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。

2). 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(jī)規(guī)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。

3). 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。

4).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，這也最終會推動農(nóng)業(yè)經(jīng)營在未來走向規(guī)模化。

這個基礎(chǔ)上，大型聯(lián)合作業(yè)，更為智能的農(nóng)機(jī)才是有用武之地，自動化也就會有發(fā)揮空間。

01智慧農(nóng)業(yè)，對智能控制要求也很高

其實，農(nóng)業(yè)機(jī)械對于控制、智能的需求一點都沒有比工業(yè)低。農(nóng)業(yè)智能化，是將“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(jī)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1是農(nóng)機(jī)智能化的幾個發(fā)展方向，它也同樣需要借助于數(shù)字化的能力來進(jìn)行提升。

1).建模仿真：農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)械的動力傳動、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、機(jī)械機(jī)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(jī)器。農(nóng)業(yè)機(jī)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)。

2).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(jī)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。

3).精耕細(xì)作的需求：在機(jī)械的建模后，機(jī)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。施肥也會更好的計量、精準(zhǔn)定位到作物所需部位，避免化肥的浪費(fèi)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。

4).機(jī)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（圖像對蘋果的品相判斷，越大的蘋果單價越高），凡此種種，均需機(jī)器學(xué)習(xí)的方式來進(jìn)行判斷和決策。

5).節(jié)能環(huán)保：合適的作業(yè)會更為節(jié)能—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-這同樣需要數(shù)字化的支撐。

6).易用性，農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器。機(jī)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)，這才能最大的發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)出。

02農(nóng)業(yè)裝備的嚴(yán)苛工況

農(nóng)機(jī)的控制，要求也與工業(yè)大不相同，首先就是它自身工況的復(fù)雜與惡劣。北方的冬天會到零下30℃，夏天又會經(jīng)常40℃，南方氣溫高同時濕度也很高。沿海地區(qū)還受到鹽霧腐蝕的潛在影響。這類控制器遇到的嚴(yán)苛環(huán)境包括振動、凝露、敲擊、油污和水。因此，它需要控制系統(tǒng)有非常高的忍受度。

不過，這也不影響貝加萊的X90嵌入式控制器的工作，各種復(fù)雜工況對于普通控制器無法勝任，但于X90則“為此而生”。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。

它是為工程、礦山、農(nóng)業(yè)這種環(huán)境的機(jī)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(jī)里的ISOBUS；采用ARM處理器，可以支持mS級的任務(wù)；具有USB口、快速以太網(wǎng)、POWERLINK實時以太網(wǎng)接口。它也同樣被貝加萊的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(jī)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2，主頻高達(dá)2.8GHz的控制器。它與X90的不同在于，它是采用了Hypervisor技術(shù)的控制器，支持Linux/Windows開放操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)（RTOS）同時運(yùn)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(yùn)行、圖形圖像處理、智能分析等任務(wù)。

03農(nóng)機(jī)的控制與互聯(lián)

我們可以在圖3中看到，采用X90或Mobile PC 3100這種控制器，它可以連接操作器、顯示終端、液壓機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、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)。

采用Web技術(shù)終端進(jìn)行HMI交互，也可以像你的智能手機(jī)一樣炫的設(shè)計（圖4）。其實，炫不炫不重要，對于農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器的交互。另外，農(nóng)業(yè)機(jī)械通常會在陽光直射下工作，因此屏幕需要足夠亮，強(qiáng)光下也能看清楚。這款HMI還有一個對于農(nóng)業(yè)機(jī)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)也是可以工作的。

04專為農(nóng)機(jī)開發(fā)的規(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(jī)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(jī)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(jī)械間設(shè)備的通信規(guī)約。

農(nóng)業(yè)機(jī)械，在走向智能化的道路上，需要這種高性能的控制系統(tǒng)支撐。

關(guān)鍵概念：

農(nóng)業(yè)機(jī)械對于控制、智能的需求一點都沒有比工業(yè)低。

農(nóng)機(jī)智能化的發(fā)展同樣需要借助于數(shù)字化的能力來進(jìn)行提升。

思考一下：

農(nóng)機(jī)智能化需要重點考慮哪幾個發(fā)展方向？

審核編輯：湯梓紅