康 康，陳忠國，王林鳳，湯自強，蔣 猛

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省遵義市播州區(qū)農(nóng)牧局，貴州遵義 563100)

物聯(lián)網(wǎng)又被稱為“傳感網(wǎng)”，是指將各種信息傳感設(shè)備如射頻設(shè)備、紅外線設(shè)備、全球定位裝置、激光掃描裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大的物物相連網(wǎng)絡(luò)[1-2]。武洪峰提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)遠程監(jiān)控和調(diào)度[3]，只提出了理論構(gòu)思且功能單一，無法滿足當(dāng)代精準農(nóng)業(yè)的要求，同時也沒有搭建系統(tǒng)試驗平臺進行驗證。測量農(nóng)田面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的一項必不可少的工作，也是判斷農(nóng)機作業(yè)效率的重要依據(jù)[4-5]。農(nóng)機故障自診斷系統(tǒng)是未來農(nóng)機故障診斷的發(fā)展方向，目前汽車自診斷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用基于車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics，簡稱OBD)的外部配套設(shè)備，用來讀取汽車參數(shù)和故障碼，實現(xiàn)對汽車的故障精確判斷[6]。本研究提出應(yīng)用OBD-Ⅱ系統(tǒng)自診斷農(nóng)機故障，實現(xiàn)遠程監(jiān)控農(nóng)機故障并自動顯示其故障信息。

本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)2個主要功能：一是作業(yè)面積、土壤溫濕度、農(nóng)機運行參數(shù)和地理位置等信息的采集，并上傳到監(jiān)控中心實時進行監(jiān)控顯示；二是應(yīng)用OBD-Ⅱ系統(tǒng)依據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息自診斷農(nóng)機故障信息，遠程監(jiān)控中心依據(jù)故障信息派遣維修人員，同時管理人員可依據(jù)農(nóng)機設(shè)備分布狀況下發(fā)調(diào)度命令。

1 移動式農(nóng)機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可分為底層終端系統(tǒng)、遠程監(jiān)控中心2個主要部分，二者之間以手機為應(yīng)用終端利用移動無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)底層終端與遠程監(jiān)控中心的雙向通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

遠程監(jiān)控終端包括服務(wù)器、云計算機、終端用戶等。底層終端除以單片機為核心的微控制以外，還包括故障診斷模塊、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、行駛速度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、藍牙模塊、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡稱GPS)/北斗雙模定位模塊和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)等。應(yīng)用GPS/北斗雙模定位模塊和GIS實現(xiàn)對移動農(nóng)機設(shè)備的定位和地理位置信息的采集功能。GPS/北斗雙模定位模塊與單片機控制器之間應(yīng)用串口接口通信，應(yīng)用OBD-Ⅱ標準接口實現(xiàn)控制器與移動式農(nóng)機設(shè)備的連接，二者之間應(yīng)用控制器局域網(wǎng)絡(luò)2.0(controller area network 2.0，簡稱CAN 2.0)總線通信協(xié)議。單片機控制器將采集回來的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)送至服務(wù)器處理分析后，在遠程監(jiān)控中心用戶終端顯示作業(yè)面積、地理位置、農(nóng)田環(huán)境信息和農(nóng)機運行參數(shù)等信息，同時依據(jù)農(nóng)機分布狀況下發(fā)調(diào)用農(nóng)機設(shè)備的命令。

2 底層終端系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

2.1 底層終端系統(tǒng)

在移動式農(nóng)機設(shè)備上安裝底層終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括底層硬件平臺、GPS/北斗雙模定位模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和藍牙模塊(圖2)。數(shù)據(jù)采集模塊包括采集田間環(huán)境的溫度傳感器、濕度傳感器、行駛速度傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器和故障診斷儀等；底層硬件平臺包括由我國推出的STC12C5A60S2核心電路，分別處理來自各傳感器收集的移動式農(nóng)機設(shè)備及環(huán)境的相關(guān)信息、GPS/北斗雙模定位信息、獲取的作業(yè)面積和地理位置信息；同時依據(jù)移動式農(nóng)機設(shè)備的工作參數(shù)和故障診斷儀對農(nóng)機設(shè)備進行故障診斷，判斷農(nóng)機設(shè)備是否發(fā)生故障；底層終端單片機控制器利用藍牙無線通信與智能手機通信獲取以上的信息，然后通過移動無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。管理人員登錄遠程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)可以查詢相關(guān)信息，同時可以依據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的指令。

2.2 農(nóng)機設(shè)備定位和定位原理

本底層終端應(yīng)用可以實現(xiàn)對農(nóng)機設(shè)備的自動定位，安裝在移動式農(nóng)機設(shè)備的GPS/北斗雙模定位的接受器，實時接受衛(wèi)星發(fā)射器的信號同時獲取農(nóng)機設(shè)備的經(jīng)度和緯度信息[7-9]，依據(jù)GIS地理位置信息系統(tǒng)顯示農(nóng)機設(shè)備的地理位置信息。本系統(tǒng)分別應(yīng)用GPS全球定位和北斗具有短報文通信、雙向通信的優(yōu)點[10-11]，采用WGS-84坐標系、BJ-54坐標系和建立偽距方程以精確獲取農(nóng)機設(shè)備的地理位置信息。

由圖3可見，建立偽距方程，假設(shè)接收機的坐標為B、L、H(分別表示該點的經(jīng)度、緯度和高度坐標)，接收機時鐘與北斗系統(tǒng)的時間基準(beidou time，簡稱BDT)，GPS系統(tǒng)的時間基準(GPS time，簡稱GPST)的偏移分別為tu1、tu2。衛(wèi)星信號接收機接收到第i顆衛(wèi)星的偽距，t時刻時，試點P到衛(wèi)星s1、s2、s3、s4、…、si的距離為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、…、ρi，通過衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文解譯出衛(wèi)星的三維坐標(xi，yi，zi)，i=1，2，3，…，n，則單點定位求解的三維坐標的方程為：

(1)

式中：x、y、z為三維空間坐標；c為光速，m/s；δ為接收機鐘差，雙系統(tǒng)采用4顆衛(wèi)星，接收機采用雙系統(tǒng)四星定位進行定位求解方程如下：

(2)

式中：ρi表示BDS衛(wèi)星到接收機的偽距；ρj表示GPS衛(wèi)星到接收機的偽距，i+j=4。

(3)

式中：tBDS表示BDS的系統(tǒng)時鐘；tGPS表示GPS的系統(tǒng)時鐘；tR表示接收時鐘。在采用雙系統(tǒng)四星定位時，聯(lián)立方程(2)、(3)，利用最小二乘法求解方程組，獲得接收機位置的坐標。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

由圖4可見，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在信息傳輸過程中要經(jīng)過1個或多個不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)才能完成通信。底層終端設(shè)備上采集的作業(yè)面積、地理位置、工作狀況等信息數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后，通過藍牙無線通信傳送至智能手機應(yīng)用終端，再通過手機的3G或4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將上述信息數(shù)據(jù)上傳至Internet有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最后被傳送至監(jiān)控中心[12-14]。上述有線網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)融合共同完成視頻和監(jiān)控數(shù)據(jù)的可靠傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，又可以下發(fā)控制指令。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 農(nóng)機作業(yè)面積

主要應(yīng)用GPS/北斗雙模定位接收器采集移動農(nóng)機設(shè)備的地理位置信息，將移動式農(nóng)機設(shè)備繞農(nóng)田邊界行駛1周，接收器不斷接收衛(wèi)星的信號，實時記錄其經(jīng)、緯度坐標數(shù)據(jù)，按照公式(4)，將GPS/北斗雙模定位接收器采集的經(jīng)、緯度坐標轉(zhuǎn)換為大地坐標，然后上傳至監(jiān)控中心進行分析和處理，利用公式(5)編程計算多邊形面積，可以得到農(nóng)機耕作面積。

(4)

s=∑yi×(xi+1-xi-1)。

(5)

式中：地球半徑(R)取值為6 371 116 m；B為經(jīng)度，°；L為緯度，°；x、y分表示大地坐標的橫軸、縱軸；s為多邊形農(nóng)田面積，m2。

3.2 通信協(xié)議

本系統(tǒng)應(yīng)用CAN 2.0的OBD-Ⅱ故障診斷接口，包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀等4種不同類型的幀[15]。CAN 2.0中主要有標準幀和擴展幀2種不同的幀格式。前者有11位標志符，后者有29位標志符。將相應(yīng)傳感器采集的故障診斷參數(shù)應(yīng)用J1939協(xié)議CAN擴展幀進行傳輸。將19位SPN(service principal name)用來存放標示電控單元特殊部件、部件或參數(shù)編號，每個參數(shù)有確定的狀態(tài)量或者測量值。狀態(tài)量包括發(fā)動機啟動和移動設(shè)備開啟，測量數(shù)據(jù)包括拖拉機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油溫度等，系統(tǒng)讀取故障診斷代碼自動診斷故障信息，幀格式如表1所示。

3.3 農(nóng)機設(shè)備調(diào)度

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中移動無線通信網(wǎng)絡(luò)是雙向的，除了底層終端能向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)以外，管理人員還可以登入此管理系統(tǒng)讀取獲得的農(nóng)機分布狀況信息和移動農(nóng)機設(shè)備的故障信息，依據(jù)以上信息調(diào)度農(nóng)機設(shè)備以及派遣維修人員及時處理農(nóng)機故障。

表1 J1939幀格式

3.4 農(nóng)機設(shè)備故障診斷

用標準的OBD-Ⅱ接口連接移動式農(nóng)機設(shè)備和汽車故障診斷儀讀取故障診斷碼，控制中心分析處理后上傳監(jiān)控中心反饋部件故障信息以便及時維修農(nóng)機設(shè)備。故障碼由2個字節(jié)二進制數(shù)表示，故障碼是由字母和數(shù)字混合組成的5個字符，如“P0300”。根據(jù)16位OBD-Ⅱ故障碼可以獲取移動農(nóng)機設(shè)備的動力系統(tǒng)、車體、底盤、通信等四大故障。OBD-Ⅱ與移動式農(nóng)機設(shè)備控制器之間的通信協(xié)議為CAN 2.0，運行有9種故障診斷模式。單片機控制依據(jù)監(jiān)控傳感器上傳的數(shù)值信息，判斷電控部件和執(zhí)行部件能否正常工作，對故障解碼后分析處理以判別故障類別和故障部位并轉(zhuǎn)換為文本格式再傳送至監(jiān)控中心。

3.5 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控

農(nóng)田的溫度和濕度對農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要的影響，溫度傳感器采用美國進口的數(shù)字溫度傳感器18B20，精度高達±2%，濕度傳感器直接選用土壤溫度傳感器。在耕種的田間中安裝多個基于ZigBee無線收發(fā)模塊，每個采集點的溫、濕度信息通過串口與微控制器連接，這就構(gòu)成1個基于ZigBee無線采集節(jié)點，N個節(jié)點共同構(gòu)成1個無線網(wǎng)絡(luò)[16]。ZigBee無線傳感器執(zhí)行網(wǎng)路有1個協(xié)調(diào)器控制與底層終端控制器進行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點和傳感器通電后，自動采集相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并把物理地址和監(jiān)控的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把節(jié)點的地址信息和監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給處理器并存儲起來，最終在遠程監(jiān)控中心顯示出來。

4 系統(tǒng)試驗測試

4.1 定位精度測試

在一塊空曠的農(nóng)田中分別測試安裝有GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system，簡稱BDS)、GPS/BDS雙模定位接受器的移動式農(nóng)機設(shè)備位置信息，5 min內(nèi)采集300個樣點的經(jīng)度、緯度坐標并將其轉(zhuǎn)換為大地坐標。分別計算這300個點的平均值、均方差、偏差，以獲取3種定位方式的精度。由表2可知，GPS/北斗雙模定位精度明顯高于GPS和單獨定位BDS模式，且定位穩(wěn)定性最高，因此本系統(tǒng)設(shè)計選擇BDS+GPS雙模定位模式。

表2 3種模型定位精度

4.2 作業(yè)路徑測試

應(yīng)用VC編程控制拖拉機按照規(guī)定的路徑行駛，預(yù)測路徑為5 m×30 m的平行線行駛。在平坦農(nóng)田中進行試驗，將本系統(tǒng)安裝在拖拉機上開啟自動導(dǎo)航模式，以10 km/h速度行駛，在監(jiān)控中心繪制移動農(nóng)機設(shè)備的運動路徑，如圖5所示。測試試驗表明，拖拉機能按規(guī)定路徑行駛，實現(xiàn)自動掉頭、直線行駛。但是預(yù)測路徑和實際行走路徑存在誤差，最大誤差為0.3 m，控制精度還須要進一步提高，控制算法須不斷改進。

4.3 現(xiàn)場試驗

將本系統(tǒng)安裝在農(nóng)用拖拉機上，在重慶市南川區(qū)大觀鎮(zhèn)進行田間試驗，將拖拉機繞農(nóng)田邊界行駛1周。數(shù)據(jù)采集端實時采集農(nóng)機設(shè)備的地理位置、農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)機運行參數(shù)等信息；單片機控制通過藍牙將以上信息送至手機終端，手機將信息送至Internet網(wǎng)絡(luò)，最終送至遠程監(jiān)控中心；監(jiān)控中心接收到終端采集回來的數(shù)據(jù)進行分析處理后將其顯示出來(圖6)，作業(yè)面積為3.25 hm2，采集當(dāng)?shù)剞r(nóng)田溫度為 24.5 ℃，土壤濕度為35.0%，拖拉機行駛速度為50 km/h，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度分別為29.10°、107.50°，誤差為0.05%。實際作業(yè)面積為3.363 hm2，誤差為3.40%。

5 結(jié)論

本研究提出1種基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，以推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)化管理和現(xiàn)代化發(fā)展。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以手機為中介，無須專門的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，雙向傳輸相關(guān)信息大大降低了應(yīng)用成本。選擇GPS/北斗雙模定位利用四星定位原理，精確獲得農(nóng)機的地理位置信息。實現(xiàn)底層終端實時向監(jiān)控中心上傳農(nóng)田環(huán)境、農(nóng)機運行參數(shù)、地理位置和作業(yè)面積等信息并自診斷移動式農(nóng)機設(shè)備故障，同時管理人員登錄遠程監(jiān)控中心下發(fā)調(diào)度農(nóng)機設(shè)備和派遣維修人員的命令。

[1]陳 征.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流監(jiān)控車載終端設(shè)計[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[2]王 冬.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[3]武洪峰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)機作業(yè)監(jiān)控中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2015(1)：64-66.

[4]魏 卓，鄭 琪，張 俐，等.基于GPS-OEM的車載農(nóng)田面積測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，41(5)：145-149.

[5]王陳陳.基于GPS的農(nóng)田面積測量系統(tǒng)的研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2013.

[6]陳立飛.綜合型汽車智能診斷儀的研究與開發(fā)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[7]廖奎旭.GPS/北斗雙模接收機前端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[8]辛德奎.基于北斗/GPS雙模的田間作業(yè)機車工況監(jiān)測系統(tǒng)[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2015.

[9]辛德奎，黃操軍，甘龍輝.基于北斗和GPS的雙模田間作業(yè)機車定位系統(tǒng)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2014，26(1)：85-87，112.

[10]劉 榮.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的采棉機監(jiān)控終端的設(shè)計與研究[D].新疆：石河子大學(xué)，2014.

[11]劉興科，張之孔.“北斗一號”車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].測繪與空間地理信息，2012，35(6)：15-18.

[12]李瑞欣.基于網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)備管理理論與方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2004，62-79.

[13]王 川.農(nóng)業(yè)機械裝備信息管理系統(tǒng)的設(shè)計和研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009，25-57.

[14]張玉寶.基于網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)機械化管理信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2003，17-27.

[15]許志宏，閆福鑫，余志軍，等.基于狀態(tài)機的CAN 2.0總線協(xié)議的實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22(5)：141-144.

[16]孫 巍.基于ZIGBEE協(xié)議的無線土壤溫、濕度檢測系統(tǒng)的研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.