溫鑫，王熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院,黑龍江大慶，163319)

0 引言

2019年國務(wù)院發(fā)表關(guān)于加快推動農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導意見中明確指出：要推動智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，促進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械和農(nóng)機作業(yè)上的應(yīng)用[1]。將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械相結(jié)合，更是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要助力[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械的不斷結(jié)合，國內(nèi)相關(guān)研究也越來越多：李建軍等[3]研究了一種用于圓捆機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場與遠程監(jiān)控地點間的信息交互。杜志偉等[4]研發(fā)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于監(jiān)測農(nóng)機狀態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)機位置信息和運行參數(shù)采集與上傳，并擁有較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心將3S技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合研發(fā)了一套用于遠程監(jiān)控和指揮農(nóng)業(yè)機械調(diào)度系統(tǒng)，有效避免了盲目農(nóng)業(yè)機械調(diào)度，提高了農(nóng)業(yè)機械調(diào)度效率[5]。

但總體上，我國目前農(nóng)業(yè)機械智能化技術(shù)依然處于較低的水平，特別是缺乏將CAN總線技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)機械狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測設(shè)備[6]。

研究一種通過CAN總線技術(shù)采集并遠程實時上傳玉米中耕變量施肥機狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。通過嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端對施肥機的位置信息和狀態(tài)參數(shù)進行采集，借助數(shù)據(jù)終端上搭載的無線通信模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時上傳，最后采用OneNet平臺對上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行可視化的轉(zhuǎn)換，通過圖形化的交互界面供用戶實時查看。整套系統(tǒng)實現(xiàn)了玉米中耕變量施肥機位置和狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測，提高了農(nóng)機使用效率和信息化水平，為農(nóng)機大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展提供了有力的支撐。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)研究

整個系統(tǒng)的組成可大致分為三大部分，即感知部分、網(wǎng)絡(luò)部分和應(yīng)用部分[7]。用于施肥機位置信息和狀態(tài)參數(shù)采集的感知層，主要由農(nóng)業(yè)機械上安裝的相關(guān)傳感器及遠程數(shù)據(jù)終端組成。負責信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層主要由無線通信模塊及運營商信號塔組成，負責數(shù)據(jù)展示與人機交互的應(yīng)用層由智能化移動設(shè)備和PC端組成。系統(tǒng)的主要架構(gòu)如圖1所示。

安裝于施肥機的定位系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速傳感器等采集施肥機各項參數(shù)，通過施肥機上搭載的CAN通信線路發(fā)送至位于系統(tǒng)感知層的遠程數(shù)據(jù)終端，經(jīng)終端中主控制器解析與轉(zhuǎn)化之后，數(shù)據(jù)借助于終端中的無線通信模塊發(fā)送至OneNet的云端服務(wù)器上，通過OneNet平臺PC端網(wǎng)頁與移動端APP對服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理與展示。

2 系統(tǒng)硬件研究

數(shù)傳終端主要采集當前施肥機位置、排肥軸實時轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息并發(fā)送至服務(wù)器，其主要由主控制器、無線通信模塊、調(diào)試電路、CAN通信電路等部分組成。遠程數(shù)據(jù)終端的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文研究的數(shù)據(jù)終端主控制器選用型號為STM32F103VET6的32位微型處理器,支持在72 MHz的工作頻率和-40 ℃～85 ℃的工作環(huán)境下進行工作[8]。滿足農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)信息采集的工作要求。

2.1 電源電路

考慮到農(nóng)機作業(yè)的環(huán)境特殊性，終端采用輸出電壓為DC5 V的獨立電源供電，而主控制器工作電壓為DC3.3 V，故電源電路采用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器進行電壓轉(zhuǎn)換，該款LDO最大輸入電壓為15 V,工作溫度范圍-40 ℃～125 ℃，輸出電壓DC3.3 V，滿足工作需要。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

為提升系統(tǒng)可靠性，無線通信模塊集成有單獨的降壓電路，電源為模塊直接輸入5 V的直流電壓，通過RT9193-3.3低壓差LDO電壓調(diào)整器進行電壓調(diào)節(jié)，其輸入電壓范圍為1.6～6.0 V，輸出電壓為DC3.3 V，工作溫度范圍為-40 ℃～125 ℃[9]，滿足工作需要。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無線通信模塊電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 CAN通信電路

施肥機上安裝的傳感器通過CAN通信線路將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)終端，終端通過集成于其上的CAN通信電路實現(xiàn)CAN信號的接收，CAN通信電路的通信芯片采用TJA1050高速CAN收發(fā)器，工作溫度范圍為-40 ℃～150 ℃，最高通信速率500 kbps，擁有高速模式和靜默模式兩種工作模式，本研究通過將芯片的8號引腳直接接地使其處于高速模式下工作[10]。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN通信電路

2.3 無線通信模塊研究

無線通信模塊核心選用的是LTE BC20 NB-IoT/GNSS模組，貼片式封裝，使用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過內(nèi)置的AT指令配置好IP與端口號實現(xiàn)向云端服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)優(yōu)先使用農(nóng)機上已安裝的定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在未安裝農(nóng)機定位系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以通過通信模塊上集成的GNSS天線實現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 BC20電路

模塊通過串行數(shù)據(jù)接口與主控制器通信，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 BC20模塊接口電路

2.4 感知層傳感器

由于田間作業(yè)環(huán)境復雜，故傳感器的選擇應(yīng)充分考慮其工作環(huán)境影響，需要有較高的可靠性、較小的體積以及較低的成本，經(jīng)比較后轉(zhuǎn)速傳感器選用光電編碼器，只需將其套在軸上，軸轉(zhuǎn)動帶動其內(nèi)部的光柵盤轉(zhuǎn)動，形成隨轉(zhuǎn)速變化的明暗交替，光電傳感器將這種明暗交替的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)處理后輸出可用信號[11]。其測量精度為1 r/min，可靠性好。

施肥機坐標數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)的采集通過型號為GN181270的GNSS接收機實現(xiàn)，通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取坐標數(shù)據(jù)與速度信息。其坐標數(shù)據(jù)精度為2.5 cm，測量的速度數(shù)據(jù)精度為0.001 km/h。

用于測量肥箱料位高度的傳感器選用的是以STC89C52為核心的料位高度傳感器，精度為3 mm。其原理為借助所測物體與空氣介電常數(shù)值的不同導致傳感器電容值變化這一規(guī)律，將電容值轉(zhuǎn)化為電信號，通過轉(zhuǎn)換電路形成CAN信號經(jīng)CAN總線發(fā)出。

3 系統(tǒng)軟件研究

3.1 終端軟件研究

軟件負責實現(xiàn)終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與封裝、數(shù)據(jù)上傳至云端等主要功能，系統(tǒng)上電后相關(guān)硬件初始化，向BC20模塊發(fā)送連接指令，通過返回值來判斷終端是否已連接至云端服務(wù)器，檢測到CAN信號后將采集到的CAN數(shù)據(jù)ID值與程序設(shè)定的ID值進行對比，ID完全吻合后通過軟件內(nèi)算法進行數(shù)據(jù)解析，得到經(jīng)緯度，速度等參數(shù)值，最后將解析好的數(shù)據(jù)按MQTT通訊協(xié)議的報文格式進行轉(zhuǎn)換、封包，通過OneNet平臺給出的固定IP上傳至平臺服務(wù)器。其流程如圖8所示。

圖8 軟件運行流程圖

施肥機與終端間數(shù)據(jù)傳輸通過CAN總線技術(shù)來實現(xiàn)，其通過兩根信號線間的電壓變化進行信息傳遞，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，可同時將多個單元連接至總線之中，并具備自動對錯誤進行判斷的功能，即自動隔離發(fā)生持續(xù)性錯誤的故障單元。系統(tǒng)中CAN通信格式遵循ISO11783標準。其報文格式如表1所示。

表1 CAN總線通信的報文格式

軟件中CAN數(shù)據(jù)接收部分使用中斷接收，這樣不僅可以保證系統(tǒng)對CAN信號做出第一時間的反應(yīng)與處理，更大大提升了主控制器的運行效率，其流程如圖9所示。

圖9 CAN數(shù)據(jù)接收與解析流程圖

終端與云端服務(wù)器間的連接采用的是基于TCP的MQTT協(xié)議，其信息體結(jié)構(gòu)由三個部分組成，即固定報頭，可變報頭與有效載荷[12]。其中可變報頭與有效載荷并不是每條信息都必須含有的，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 MQTT協(xié)議的報文格式

系統(tǒng)上電后，終端向服務(wù)器發(fā)送一個連接報文，在服務(wù)器收到連接報文后會回復給終端一個連接請求確認報文，終端根據(jù)收到服務(wù)器回復的消息以確認是否已連接上服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)布消息后，服務(wù)器會向終端回復相應(yīng)的發(fā)布收到報文，在終端長時間未發(fā)布消息時，終端會自動向服務(wù)器發(fā)送心跳請求報文以保證自己始終處于在線狀態(tài)。其報文類型如表3所示。

表3 MQTT協(xié)議的報文類型

3.2 OneNet平臺人機交互界面

將服務(wù)器端接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的圖表，這一過程借助了OneNet平臺提供的應(yīng)用編輯器模組，將系統(tǒng)給定固定樣式的模塊拖入空白畫布中，并在模塊詳情中對其對應(yīng)展示的數(shù)據(jù)流和名稱等參數(shù)進行設(shè)定，最后將編輯好的應(yīng)用保存并發(fā)布，這樣就可以通過OneNet平臺PC端網(wǎng)頁和移動端APP進行訪問與查看，移動端的數(shù)據(jù)查看主要通過OneNet平臺的官方APP實現(xiàn)。OneNet平臺的使用大大縮短了交互界面開發(fā)時間，降低了開發(fā)難度。人機交互界面可實時查看當前的坐標數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速值、速度值、料位高度及過往的變化曲線，通過界面左上角的地圖可直觀的查看施肥機的實時位置，并且在右上角還會顯示系統(tǒng)的最后在線時間。用戶界面詳情如圖10所示。

圖10 OneNet人機交互界面

OneNet平臺會對用戶上傳的數(shù)據(jù)進行保存，容量不限，可免費存儲一年。通過數(shù)據(jù)流界面可對設(shè)定時間段的數(shù)據(jù)進行導出，方便用戶進行數(shù)據(jù)的進一步的處理與查看。

4 系統(tǒng)測試

將寫好的程序輸入單片機中，終端與寫入CAN記錄文件的CAN記錄回放儀連接，之后進行系統(tǒng)通電。通過CAN記錄回放儀的指示燈確認終端已接收到數(shù)據(jù)，登錄OneNet平臺進行查看，系統(tǒng)工作正常。

測試臺架由AC220 V轉(zhuǎn)DC12 V與DC5 V的雙輸出電源分別為CAN記錄回放儀和終端進行供電，CAN記錄回放儀中的記錄文件是2019年10月16日于趙光農(nóng)場的施肥作業(yè)的CAN信號記錄，數(shù)據(jù)量充足，可以十分逼真的模擬實際田間作業(yè)時的數(shù)據(jù)環(huán)境。測試用臺架如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)測試臺架

通過測試臺架對終端進行五次每次約6 h的系統(tǒng)測試后，系統(tǒng)感知層傳感器獲取的部分數(shù)據(jù)以及經(jīng)其換算得到的瞬時施肥量數(shù)據(jù)如表4所示。記錄文件中共有21 997組有效目標數(shù)據(jù)。

表4 感知層采集參數(shù)表

終端串口打印CAN接收記錄、OneNet平臺導出的歷史數(shù)據(jù)與CAN回放儀中CAN記錄文件的對比得到以下數(shù)據(jù)：狀態(tài)數(shù)據(jù)CAN線路傳輸成功率最低為98.8%，無線模塊上傳成功率最低為95.11%，整體丟包率小于5%，平均延時為300 ms左右，如表5所示，滿足工作要求。

表5 數(shù)據(jù)傳輸上傳測試表

5 結(jié)論

1)研究一種用于監(jiān)測玉米中耕變量施肥機實時位置與實時參數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。結(jié)合工作需求完成了終端電路的設(shè)計。

2)深入分析CAN通信協(xié)議及MQTT通信協(xié)議將兩者結(jié)合完成了軟件的編寫，并借助OneNet平臺完成了用戶界面開發(fā)與數(shù)據(jù)的保存與調(diào)用。

3)經(jīng)測試，系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行，可靠性較高，傳感器每分鐘采集60組參數(shù)，并且整體丟包率小于5%，平均延時約為300 ms，滿足工作需要。

4)由于使用CAN總線技術(shù)，系統(tǒng)可接入多種設(shè)備，拓展性較好。