呂玉英

（青島市技師學(xué)院，山東 青島 266000）

針對目前農(nóng)場管理中存在的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測信息化程度較低、作業(yè)面積計算的準(zhǔn)確性較差、管理模式與監(jiān)測方法難以滿足不同農(nóng)場多樣化需求等問題，農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)等應(yīng)用到農(nóng)場管理中，能夠獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)信息以及土壤、氣候的實時動態(tài)，為農(nóng)場各項決策提供了精確的信息服務(wù)，實現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)的全過程可視化監(jiān)測，促進(jìn)了我國農(nóng)場信息化發(fā)展，有效提高了農(nóng)業(yè)質(zhì)量和競爭力[1]。

1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析

1.1 系統(tǒng)功能需求

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要獲取作業(yè)中農(nóng)機(jī)、監(jiān)測設(shè)備、人員以及地塊的基本信息，需要將農(nóng)機(jī)的作業(yè)點、作業(yè)軌跡等相關(guān)信息展示在監(jiān)測系統(tǒng)的顯示器上。因此，系統(tǒng)需要支持農(nóng)機(jī)作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的回放、查看及導(dǎo)出功能，以便作業(yè)者能夠通過監(jiān)測系統(tǒng)獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)情況。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要擁有強(qiáng)大的分析功能，能夠?qū)r(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時統(tǒng)計，并支持按照作業(yè)時間、作業(yè)區(qū)域等屬性，查詢農(nóng)機(jī)的各項作業(yè)數(shù)據(jù)[2]。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)還需要同時開發(fā)個性化功能模塊，以提高監(jiān)測系統(tǒng)和農(nóng)場管理的統(tǒng)一性。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)由基本信息和設(shè)備信息組成，管理員負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)錄入基本信息，包括車輛、機(jī)具、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測終端等，監(jiān)測終端與農(nóng)機(jī)綁定就可以將車輛的作業(yè)信息上傳至監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足可靠性、安全性、快速性及可拓展性等非功能性需求?？煽啃允侵府?dāng)設(shè)備發(fā)生故障或意外斷電時，要確保先前保存的信息不會丟失，同時對異常數(shù)據(jù)或異常操作給予一定的提示。安全性是指系統(tǒng)需要在用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)備份等方面確保數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)安全性[3]。快速性是指監(jiān)測系統(tǒng)還需要有較快的響應(yīng)速度，尤其是在農(nóng)機(jī)同時作業(yè)的季節(jié)，需要滿足較大體量的機(jī)械監(jiān)測工作。可拓展性是指監(jiān)測系統(tǒng)需要盡可能去滿足不同農(nóng)場的不同需求[4]。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)工具

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可使用的服務(wù)器包括Linux、UNIX等，可選擇開源免費且擁有較高安全性和穩(wěn)定性的Linux系統(tǒng)，選用云服務(wù)器，可以提高云計算平臺的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份、儲存與計算等功能，且維護(hù)成本較低[5]。選擇Java語言進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)通信中能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端和服務(wù)端之間的通信，通過JDK NIO的通信框架進(jìn)行開發(fā)，采用啟動端口與傳感器數(shù)據(jù)端口一致的線程，創(chuàng)建兩個線程組用于客戶端接收、注冊以及客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的處理，創(chuàng)建輔助工具類ServerBootstrap對象及用于數(shù)據(jù)處理類的ChaannelInitializer，最終綁定端口[6]。由于農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要建立在地理空間要素分析的基礎(chǔ)上，所以選擇PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫，通過PostGIS插件實現(xiàn)各項空間操作功能。

2 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測工作的各項需求，可將遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及展示層。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的感知層對安裝在農(nóng)機(jī)上的傳感器中的作業(yè)信息進(jìn)行采集和傳輸；網(wǎng)絡(luò)層獲取感知層發(fā)送的信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)層在其中起到對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存和管理的作用；應(yīng)用層根據(jù)管理人員提出的業(yè)務(wù)需求，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理接口；展示層向管理人員展示系統(tǒng)界面，顯示農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡、油耗情況等相關(guān)信息，支持通過地圖、表格等多種形式顯示圖像和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并能夠為管理人員提供數(shù)據(jù)操作功能。農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊

1）基本信息模塊?；拘畔⒛K具有顯示人員管理、物品管理以及其他管理的相關(guān)功能。人員管理記錄農(nóng)機(jī)作業(yè)員的相關(guān)信息，物品管理包括農(nóng)機(jī)管理、地塊管理、出入庫管理、終端綁定等，其他管理模塊為管理人員提供農(nóng)機(jī)的維修、加油等記錄[7]。

2）任務(wù)管理模塊。任務(wù)管理模塊中能夠顯示作業(yè)任務(wù)，提供農(nóng)機(jī)、地塊、任務(wù)的信息查找功能。

3）作業(yè)管理模塊。作業(yè)管理模塊能夠向管理人員展示農(nóng)機(jī)作業(yè)的具體情況以及作業(yè)軌跡，統(tǒng)計農(nóng)機(jī)作業(yè)的面積，并支持在地圖上查看和回放作業(yè)軌跡，顯示先前作業(yè)的軌跡和區(qū)域，避免重復(fù)作業(yè)。

4）統(tǒng)計分析模塊。統(tǒng)計分析模塊對車輛作業(yè)情況、出入庫情況、溫濕度、油耗情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。

5）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)建立管理員系統(tǒng)，并對農(nóng)場中不同角色的作業(yè)人員匹配相應(yīng)的權(quán)限，同時管理傳感器、攝像頭等第三方設(shè)備。傳感器分為深度傳感器和輔助傳感器兩類，其工作流程分別如圖2、圖3所示。

圖2 深度傳感器工作流程圖

圖3 輔助傳感器工作流程圖

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

采用主從數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，建立備用數(shù)據(jù)庫，當(dāng)主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器訪問失敗時，自動切換至備用數(shù)據(jù)庫工作。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表，包括農(nóng)場表、人員表、登錄用戶表、角色功能模塊關(guān)系表、農(nóng)機(jī)表、監(jiān)測終端表、綁定的設(shè)備表、地塊表、任務(wù)表、農(nóng)機(jī)作業(yè)日報表、農(nóng)機(jī)出入庫表、油耗信息表、第三方傳感器表、溫濕度信息表等。

3 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)測試分為系統(tǒng)的功能測試以及性能測試，確保系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性和完善性、系統(tǒng)響應(yīng)速度的高效性和系統(tǒng)的健壯性。農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，部署在阿里云服務(wù)器端，進(jìn)行操作系統(tǒng)、內(nèi)存、硬盤、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器的系統(tǒng)配置。

1）系統(tǒng)功能測試，在測試條件下，對查詢、刪除等接觸操作進(jìn)行測試，判斷測試結(jié)果和預(yù)期期望是否存在差別；在一定測試條件下展示作業(yè)軌跡，進(jìn)行作業(yè)面積計算，判斷測試結(jié)果是否符合期望。

2）健壯性測試，需要在系統(tǒng)中輸入異常數(shù)據(jù)或進(jìn)行異常操作，對系統(tǒng)的保護(hù)性進(jìn)行驗證，看系統(tǒng)是否會給出異常提示，或是否會因異常操作出現(xiàn)崩潰；強(qiáng)制性使系統(tǒng)發(fā)生故障，重新啟動后查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否存在丟失情況，是否能夠盡快修復(fù)數(shù)據(jù)。

3）響應(yīng)速度測試，需要不斷增加并發(fā)送請求以分析系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間和最長、最短的響應(yīng)時間的變化，當(dāng)最長響應(yīng)時間小于10 s時，則表示系統(tǒng)響應(yīng)速度良好。

4 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1.1 基本信息功能的實現(xiàn)

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)場作業(yè)中農(nóng)機(jī)、人員、地塊的信息進(jìn)行管理，用戶能夠通過基本信息功能模塊對相關(guān)信息進(jìn)行查找、修改等操作。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可實時查詢農(nóng)機(jī)作業(yè)速度、作業(yè)面積、作業(yè)效果等，實現(xiàn)作業(yè)情況的遠(yuǎn)程可視化，通過監(jiān)測系統(tǒng)顯示的農(nóng)場地塊信息，了解地塊的編號、面積、類型等，綁定機(jī)具、監(jiān)測設(shè)備以及車輛[8]。同時，可以通過農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)管理功能發(fā)布農(nóng)場中的作業(yè)任務(wù)，交換農(nóng)機(jī)、車輛與農(nóng)機(jī)手等信息。此外，管理人員能夠通過任務(wù)管理界面進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，查看任務(wù)分配的農(nóng)機(jī)以及相應(yīng)的監(jiān)測終端，管理人員能夠獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，農(nóng)機(jī)手也能夠通過遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)查看勞務(wù)消息。

4.1.2 作業(yè)管理

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠每隔數(shù)秒采集一次車輛的軌跡信息，當(dāng)機(jī)具的監(jiān)測終端開機(jī)時，監(jiān)測系統(tǒng)開始記錄軌跡并計算作業(yè)面積，生成作業(yè)日報。農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)ψ鳂I(yè)中的所有車輛進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測終端的采集號識別機(jī)具，采集監(jiān)測終端上傳的信息并分析判斷機(jī)具的作業(yè)狀態(tài)，統(tǒng)計所有工作中的車輛，獲取車輛的作業(yè)時間、軌跡信息以及在不同時間點的作業(yè)面積，生成作業(yè)報告并發(fā)送給農(nóng)機(jī)手，每日更新作業(yè)日報中的作業(yè)面積。次日0點前生成前日的作業(yè)日報，可通過日報中的“軌跡”按鈕，獲取車輛的歷史作業(yè)軌跡，并支持作業(yè)軌跡的回放功能。

4.1.3 統(tǒng)計分析

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的統(tǒng)計分析包括對機(jī)具的出入庫信息、地塊溫濕度、農(nóng)機(jī)油耗情況以及人員和車輛的分析。提取作業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括某范圍內(nèi)的作業(yè)面積和作業(yè)時長，支持分類搜索的功能，管理人員與農(nóng)機(jī)手能夠根據(jù)“監(jiān)測設(shè)備”“作業(yè)季”等不同條件搜索農(nóng)機(jī)的作業(yè)情況，查看當(dāng)日的作業(yè)面積和作業(yè)時長，并獲取相關(guān)信息的條形圖、折線圖等統(tǒng)計圖表[9]。農(nóng)機(jī)油耗統(tǒng)計能對農(nóng)機(jī)在當(dāng)前時間內(nèi)的總耗油量、順勢耗油量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠提供作業(yè)面積和耗油量的對比功能，幫助農(nóng)機(jī)手及時判斷農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中是否存在故障問題，并為農(nóng)機(jī)故障維修等工作提供故障判斷的數(shù)據(jù)。溫濕度趨勢表采集土地和空氣的溫濕度，根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)可以更科學(xué)、合理地進(jìn)行灌溉和施肥作業(yè)[10]。

4.2 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

4.2.1 內(nèi)蒙古某農(nóng)場的應(yīng)用

內(nèi)蒙古某農(nóng)場以小麥、大豆作為主要種植作物，除了農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)本身的基本信息、系統(tǒng)分析等功能需求外，該農(nóng)場還需獲取田間作業(yè)的畫面。在原監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的功能的基礎(chǔ)上，在農(nóng)機(jī)以及田間安裝攝像頭，通過云平臺能夠控制攝像頭的角度以及顯示畫面的大小。

4.2.2 廣東某農(nóng)場的應(yīng)用

廣東某農(nóng)場以甘蔗生產(chǎn)為主，提供甘蔗全程機(jī)械化生產(chǎn)服務(wù)，使用的農(nóng)機(jī)數(shù)量多，在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上，著重設(shè)計農(nóng)機(jī)的配件管理功能，系統(tǒng)可自動生成農(nóng)機(jī)的出入庫情況，管理人員可通過多種農(nóng)機(jī)的屬性查找農(nóng)機(jī)的工作地點和工作面積。

5 結(jié)語

筆者對農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)展開了研究，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需要通過傳感器、攝像頭等設(shè)備，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成對作業(yè)信息的傳輸，系統(tǒng)利用Java語言和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等設(shè)計了農(nóng)機(jī)的作業(yè)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能，有效調(diào)動了監(jiān)測設(shè)備、農(nóng)機(jī)、農(nóng)機(jī)手、管理人員、地塊等多個實體，滿足了農(nóng)場的現(xiàn)代化管理需求，并提高了監(jiān)測系統(tǒng)與生產(chǎn)狀況的適應(yīng)性，促進(jìn)了農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步。