摘要：為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的無人駕駛和數(shù)據(jù)采集，在高速插秧機(jī)的無線遙控監(jiān)測硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用VisualBasic.NET2008開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了用于高速插秧機(jī)的無線監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過監(jiān)控軟件能實(shí)現(xiàn)以PC機(jī)無線遙控高速插秧機(jī)行駛，并實(shí)時采集插秧機(jī)的位置坐標(biāo)與行駛速度等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時完成對插秧機(jī)的發(fā)動機(jī)溫度、液壓箱油量等各種參數(shù)的監(jiān)測。系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，可移植性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：高速插秧機(jī)；無線監(jiān)控；軟件；VisualBasic.NET2008

中圖分類號：S223.91+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4887-04

The Software Design of High-speed Rice Transplanter Wireless Monitor System

LUO Ya-hui，JIANG Ping，WU Wei

（College of Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： To achieve the unmanned and data collection on agricultural machinery， a monitoring system software using VisualBasic.NET2008 development environment was designed on the basis of high-speed rice transplanter wireless remote monitoring hardware system. The results showed that the monitoring software could realize wireless remote control of the high-speed rice transplanter by using PC， and could collect the data of transplanter running states such as position coordinates， speed real-timely and etc， and also monitor various parameters of transplanter such as engine temperature， hydraulic box oil quantity and etc.

Key words： high-speed rice transplanter； wireless monitoring； software； visualBasic.NET2008

為確保農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，從20世紀(jì)90年代開始，精細(xì)農(nóng)業(yè)逐步發(fā)展起來。為更好地推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，農(nóng)田作業(yè)機(jī)械正逐步向自動化與智能化方向發(fā)展，在國外如Ag Leader、AGCO、Deere、Case IH等大型的農(nóng)機(jī)公司都開發(fā)了智能農(nóng)業(yè)機(jī)械，同時配有各自研發(fā)的智能精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。而國內(nèi)對智能農(nóng)機(jī)的研究主要集中在谷物聯(lián)合收割方面，如采用GPS全球定位系統(tǒng)對水稻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行位置和產(chǎn)量等參數(shù)的監(jiān)測，利用GSM、GPRS等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[1-5]。目前，國內(nèi)對于高速插秧機(jī)工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究較少。因此，為實(shí)現(xiàn)高速插秧機(jī)的無線遙控駕駛及狀態(tài)參數(shù)檢測，在基于CAN總線[6，7]的無線監(jiān)控硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于VisualStudio2008的上位機(jī)監(jiān)控軟件。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

高速插秧機(jī)的無線監(jiān)控系統(tǒng)需完成對高速插秧機(jī)的遙控駕駛和參數(shù)檢測，其結(jié)構(gòu)包括下位機(jī)檢測單元與上位機(jī)控制單元，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

在設(shè)計(jì)中，插秧機(jī)的遙控部分采用433 MHz的無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，主要控制插秧機(jī)的點(diǎn)火、熄火、前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向以及停車等操作。參數(shù)檢測則主要監(jiān)測發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)以及機(jī)組的行走系統(tǒng)參數(shù)，其中發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)主要包括發(fā)動機(jī)溫度、機(jī)油量、燃油消耗、潤滑機(jī)油的壓力和溫度等參數(shù)，液壓系統(tǒng)參數(shù)主要包括液壓油箱油量、管路中液壓油的壓力及液壓油溫度等參數(shù)，機(jī)組的行走系統(tǒng)參數(shù)主要包括機(jī)組的前進(jìn)速度、機(jī)組的加速度和機(jī)組的航向角等。

2 軟件功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件采用VisualStudio 2008中的VisualBasic.NET2008[8]語言編寫，以其中SerialPort控件進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，功能結(jié)構(gòu)如圖2，具體包括菜單、電子地圖、插秧機(jī)控制、監(jiān)視窗口、采集的參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)保存、退出系統(tǒng)等功能。

在設(shè)計(jì)中，菜單下拉中的文件具有新建項(xiàng)目和退出兩個功能，用來重新建立系統(tǒng)連接和退出系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)置則是用來設(shè)置系統(tǒng)通訊端口的相關(guān)參數(shù)，包括端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位以及停止位等相關(guān)信息；幫助菜單主要用來說明軟件的使用以及相關(guān)注意事項(xiàng)。

插秧機(jī)控制部分用來進(jìn)行插秧機(jī)的控制操作，包括點(diǎn)火/熄火、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、暫停以及自動/手動駕駛切換。在設(shè)計(jì)的軟件界面上，插秧機(jī)控制部分的方向控件響應(yīng)鍵盤的KeyDown事件，其他的控件包括點(diǎn)火/熄火、暫停、自動/手動切換等控件則響應(yīng)KeyPress事件，以方便控制插秧機(jī)的運(yùn)動。

參數(shù)顯示功能用來顯示監(jiān)控系統(tǒng)采集到的部分參數(shù)，具體包括插秧機(jī)行駛的速度、加速度、航向角、發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)等。同時系統(tǒng)具有報(bào)警功能，當(dāng)檢測到超過額定值的參數(shù)時，系統(tǒng)將報(bào)警。另外，監(jiān)控軟件在采集到坐標(biāo)信息后，通過VisualBasic.NET2008的PictureBox控件繪制出插秧機(jī)的運(yùn)動軌跡曲線，形成一幅電子地圖，便于分析與保存。

監(jiān)視窗口用來監(jiān)視軟件的數(shù)據(jù)流，主要監(jiān)視軟件在什么時候發(fā)出或收到什么類型的數(shù)據(jù)，以此判別軟件是否處于正常工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)保存是用于將采集到的所有數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫或Excel表格，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理。

3 軟件工作流程

系統(tǒng)的軟件工作流程如圖3。啟動軟件后系統(tǒng)自動進(jìn)行初始化工作，其初始化包括通訊端口的自動設(shè)置、數(shù)據(jù)庫文件的建立與電子地圖的坐標(biāo)建立。通訊端口初始化時，軟件會自動尋找可用的RS232端口，或人工設(shè)置通訊端口。初始化完成后系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議通訊。首先，軟件向插秧機(jī)控制單元發(fā)送連接請求的命令，插秧機(jī)控制單元在收到連接請求的命令并確認(rèn)系統(tǒng)工作正常后，建立連接并返回確認(rèn)信息。系統(tǒng)連接成功后，操作者便可進(jìn)行遙控駕駛，即通過PC機(jī)上的鍵盤或鼠標(biāo)控制插秧機(jī)的運(yùn)動。插秧機(jī)運(yùn)動過程中，通過數(shù)據(jù)采集單元可以實(shí)時采集插秧機(jī)的位置坐標(biāo)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將采集到的坐標(biāo)信息在電子地圖上繪制出來，其他的狀態(tài)參數(shù)則顯示在軟件界面上。所有工作過程完成后，操作者可以將采集到的數(shù)據(jù)保存為Excel文件并退出程序。

4 串行通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VisualBasic.NET2008中SerialPort控件進(jìn)行串行通信。SerialPort控件的屬性包括BaudRate、Parity、PortName、StopBits、DataBits等，主要用來設(shè)置波特率、奇偶校驗(yàn)、端口號和數(shù)據(jù)位，而串口的初始化則是對SerialPort控件的屬性進(jìn)行設(shè)置[9，10]。在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)可以人工設(shè)置端口，或采用輪詢的方法讓軟件自動尋找可用的端口進(jìn)行端口初始化。

數(shù)據(jù)發(fā)送采用SerialPort中的Write方法完成。Write方法包括有Write（String）、Write（Byte（）， Offset， Count）、Write（Char（），Offset，Count）等3種形式，分別用來發(fā)送字符串、發(fā)送字節(jié)數(shù)組和發(fā)送字符數(shù)組。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用Write（Byte（），Offset，Count）方法進(jìn)行字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，其中Byte（）是一個Byte型的數(shù)組，Offset是字節(jié)數(shù)組中從0開始的字節(jié)偏移量，Count是要寫入的字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)接收則采用DataReceived事件驅(qū)動配合定時器查詢的方法，SerialPort的ReceivedBytes Threshold屬性是用于設(shè)置觸發(fā)DataReceived事件時，緩沖區(qū)能接收到的字節(jié)數(shù)，默認(rèn)為1。試驗(yàn)證明，當(dāng)ReceivedBytesThreshold為1時，系統(tǒng)并不保證對接收到的每個字節(jié)都引發(fā) DataReceived 事件，因此在處理不定長數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)復(fù)雜的情況下，用此方法不能保證處理數(shù)據(jù)的實(shí)時性。而且由于DataReceived事件是在輔助線程上引發(fā)的，不能直接對主線程上的一些元素如窗體控件等進(jìn)行操作，需要以委托的方式進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)采用定時器定時查詢的方式讀取接收到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

5 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

為使上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊安全可靠，設(shè)計(jì)了通訊協(xié)議，采用115 200 bps的通訊波特率，每幀的格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校奇偶校驗(yàn)。

協(xié)議中的命令包括有上傳命令和下發(fā)命令，其中所有數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)均采用16進(jìn)制的格式。上傳命令是由下位機(jī)（插秧機(jī)控制系統(tǒng)）向上位機(jī)（PC機(jī)）發(fā)送數(shù)據(jù)，下發(fā)命令則是由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。下發(fā)命令分為控制命令、設(shè)置命令和采集命令3種類型，每條命令包括8個字節(jié)，分別為同步字、命令類型、地址、包長、數(shù)據(jù)段及校驗(yàn)位。同步字用于發(fā)起本條命令；地址用于表示此命令的作用對象，該系統(tǒng)中作用對象為插秧機(jī)，其地址設(shè)定為H01；字長用于表示本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包字節(jié)總數(shù)；Byte4～Byte6的值則可以根據(jù)需要自己設(shè)定，同一命令類型中Byte4～Byte6的值惟一，防止命令沖突；命令數(shù)據(jù)包的最后一位是校驗(yàn)位，為前面7個字節(jié)之和。下發(fā)命令數(shù)據(jù)包的格式如表1。

上位機(jī)向下位機(jī)下發(fā)命令后，下位機(jī)應(yīng)作出適當(dāng)返回，即下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上發(fā)命令的數(shù)據(jù)包格式按順序?yàn)橥阶?、命令類型、地址、包長、數(shù)據(jù)段及校驗(yàn)位，具體格式如表2。

由于只有在上位機(jī)發(fā)送設(shè)置和采集的命令時才會有返回值，因此此處的命令類型只有設(shè)置命令和采集命令兩種。整條命令的數(shù)據(jù)字節(jié)長度由包長來確定，對于設(shè)置命令的返回值，此處n=7共8個字節(jié)，對于采集命令的返回值，n=18共19個字節(jié)，數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)位為前面n個字節(jié)之和。采集命令的返回值包括了插秧機(jī)的位置坐標(biāo)、液壓系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)以及發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)參數(shù)等信息。上位機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與處理，或存儲，或繪制出電子地圖。數(shù)據(jù)解析流程如圖4。

6 驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在PC機(jī)上運(yùn)行了所設(shè)計(jì)的無線監(jiān)控系統(tǒng)軟件，對水泥地面上的插秧機(jī)進(jìn)行遙控駕駛操作并采集相關(guān)參數(shù)，圖5為系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面。

試驗(yàn)表明，通過該監(jiān)控軟件能實(shí)現(xiàn)以PC機(jī)無線遙控高速插秧機(jī)行駛，并實(shí)時采集插秧機(jī)的位置坐標(biāo)與行駛速度等定位數(shù)據(jù)，同時完成對插秧機(jī)的發(fā)動機(jī)溫度、液壓箱油量等各種參數(shù)的監(jiān)測，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊聯(lián)安.我國精確農(nóng)業(yè)發(fā)展策略初探[J]. 測繪與空間地理信息，2004，27（2）：3-5.

[2] 陳 防，劉冬碧，萬開元，等.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與農(nóng)田精準(zhǔn)養(yǎng)分管理現(xiàn)狀及展望[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，45（4）：515-518.

[3] 車艷雙，李民贊，鄭立華，等.基于GPS和PDA的移動智能農(nóng)田信息采集系統(tǒng)開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：109-114.

[4] 蔣 蘋，胡文武，羅亞輝，等.機(jī)滾船遙控駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（6）：120-124.

[5] 張智剛，羅錫文，周志艷，等.久保田插秧機(jī)的GPS導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（7）：95-97，82.

[6] 劉 陽，馬 蓉，曹衛(wèi)彬，等.農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)中CAN總線的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（8）：233-236.

[7] 安 秋，姬長英，周 俊，等.基于CAN 總線的農(nóng)業(yè)移動機(jī)器人分布式控制網(wǎng)絡(luò)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（6）：123-126，117.

[8] 宋志強(qiáng)，寧慧慧，余紅英.基于VB的兩路數(shù)據(jù)實(shí)時采集[J].電子測試，2009（9）：70-73.

[9] 龔沛曾，陸慰民，楊志強(qiáng).Visual Basic程序設(shè)計(jì)簡明教程[M].第二版.北京：高等教育出版社，2003.

[10] 蔣加伏，張林峰.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程[M].第四版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

收稿日期：2012-04-06

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD20B08）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（09JJ6091）

作者簡介：羅亞輝（1981-），女，湖南華容人，講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化的研究工作，（電話）13787410097（電子信箱）

hui_afangluo@yahoo.com.cn；通訊作者，蔣 蘋（1971-），男，四川古藺人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械智能控制方面的研究，

（電子信箱）teacher_jp@163.com。