趙建國(guó)

（濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，山東 濰坊 261000）

條播作業(yè)，顧名思義就是作物播種的一種方式，即以長(zhǎng)條的形狀一條條地播種，主要針對(duì)小麥、棉花等作物或者一些用作飼料的牧草等。播種方式經(jīng)歷了從手動(dòng)撒播到借助人力或者畜力拉動(dòng)耬車播種，再到現(xiàn)代拖拉機(jī)帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械耬播種，目前發(fā)展到現(xiàn)代智能化條播、精播設(shè)備播種。每次技術(shù)的革新都提高了作業(yè)效率，解放了人力[1]。本文論述的條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可以高質(zhì)量地完成播種作業(yè)，把作業(yè)畝數(shù)、每畝種子用量、株距和行距、作業(yè)速度等信息統(tǒng)計(jì)出來(lái)并上傳國(guó)家平臺(tái)，以便于國(guó)家統(tǒng)計(jì)糧食種植面積和補(bǔ)貼的申請(qǐng)。這極大地提高了播種作業(yè)質(zhì)量和效率，有利于土地集約化管理。

1 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和功能

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由6 大功能組成：1）播種量實(shí)時(shí)值監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)量監(jiān)測(cè)（畝播量）的監(jiān)測(cè)功能；2）監(jiān)測(cè)漏播、堵塞情況并報(bào)警的報(bào)警功能；3）帶位置的定位功能；4）實(shí)時(shí)顯示作業(yè)信息的顯示及人機(jī)交互功能；5）終端出現(xiàn)故障時(shí)，能夠以聲、光、文字等方式向農(nóng)機(jī)駕駛員提示的報(bào)警功能；6）記錄作業(yè)數(shù)據(jù)、作業(yè)面積、作業(yè)軌跡、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、播種量等數(shù)據(jù)，并將作業(yè)數(shù)據(jù)上傳平臺(tái)，由平臺(tái)繪制播量云圖，輔助分析作業(yè)質(zhì)量的云平臺(tái)功能。

農(nóng)機(jī)條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)包括作業(yè)面監(jiān)控終端、TBOX 控制器和農(nóng)機(jī)服務(wù)平臺(tái)。作業(yè)面監(jiān)控終端由監(jiān)控顯示屏、速度傳感器、種子傳感器、播種控制器組成[2]。

播種控制器是條播機(jī)的控制核心，接收來(lái)自速度傳感器和種子傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算精確控制種子播撒量。作業(yè)監(jiān)控顯示屏安裝于拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)，方便駕駛?cè)穗S時(shí)觀察實(shí)時(shí)的作業(yè)狀態(tài)，讓駕駛?cè)丝梢愿鶕?jù)情況實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)參數(shù)或者根據(jù)提示排除作業(yè)中的故障問(wèn)題。TBOX控制器是連接服務(wù)平臺(tái)和作業(yè)面監(jiān)控終端的橋梁，TBOX 接收來(lái)自作業(yè)面監(jiān)控終端的信號(hào)，將其打包成一定格式通過(guò)4G 信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)[3]，遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)可以接收來(lái)自TBOX的數(shù)據(jù)，根據(jù)提前擬定的數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)包。遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，可以記錄條播機(jī)的作業(yè)畝數(shù)、作業(yè)速度、種子消耗量、坐標(biāo)位置、行駛軌跡等信息，能夠提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、查詢和打印功能，通過(guò)平臺(tái)分析可以優(yōu)化后續(xù)的作業(yè)方案，提高作業(yè)效率和質(zhì)量。條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 條播機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

1.2.1 條播作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)

條播機(jī)數(shù)據(jù)平臺(tái)是由企業(yè)或者國(guó)家搭建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，其目的主要是實(shí)時(shí)接收、處理和保存農(nóng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和車身數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)具作業(yè)數(shù)據(jù)、地理位置、TBOX 終端狀態(tài)等信息。

一般國(guó)家平臺(tái)主要為了統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)每年的收獲情況，根據(jù)實(shí)際作業(yè)量進(jìn)行國(guó)家補(bǔ)貼，便于國(guó)家掌握準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。企業(yè)平臺(tái)主要是為了服務(wù)用戶，為用戶提供可靠、人性化的服務(wù)體驗(yàn)，提供實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、處理及保存功能，在作業(yè)過(guò)程中通過(guò)車載監(jiān)控屏幕實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，在作業(yè)完成后自動(dòng)或根據(jù)需要生成任務(wù)報(bào)表，呈現(xiàn)整個(gè)作業(yè)過(guò)程信息，為用戶后續(xù)其他地塊作業(yè)的改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)，也可以為本地塊下次作業(yè)提供參考[4]。用戶可以使用手機(jī)端App 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查閱，對(duì)作業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題可以及時(shí)通過(guò)手機(jī)端App 的人機(jī)交互界面進(jìn)行干預(yù)，可以遠(yuǎn)程控制作業(yè)狀態(tài)，提高了工作效率和靈活性。

圖1 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 條播作業(yè)定位、路徑生成及回放、計(jì)畝

條播作業(yè)過(guò)程中由TBOX 終端提供精準(zhǔn)定位服務(wù)，TBOX 通過(guò)自身的定位模塊，根據(jù)作業(yè)狀態(tài)將定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺(tái)。農(nóng)機(jī)具使用過(guò)程中有作業(yè)狀態(tài)和道路轉(zhuǎn)移狀態(tài)兩種，這兩種狀態(tài)下要求的定位點(diǎn)位數(shù)是不同的，作業(yè)狀態(tài)下要求精確點(diǎn)位，一般是每秒鐘采集1 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位信息；轉(zhuǎn)移狀態(tài)下由于沒(méi)有必要非常精確定位，通常10 s~20 s 采集一個(gè)點(diǎn)位信息[5]。每個(gè)定位點(diǎn)位與一個(gè)時(shí)刻的作業(yè)信息對(duì)應(yīng)，這樣在作業(yè)完成后，作業(yè)狀態(tài)分布信息就可以生成出來(lái)，比如播種量分布云圖。

條播控制器根據(jù)TBOX 終端提供的定位點(diǎn)位信息生成作業(yè)路徑軌跡或者行駛路徑軌跡，軌跡可以顯示在監(jiān)控屏幕上，便于用戶查看農(nóng)機(jī)運(yùn)行軌跡，為優(yōu)化作業(yè)路徑提供了直觀依據(jù)。通過(guò)生成的路徑軌跡，結(jié)合計(jì)畝算法就可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出作業(yè)地塊的畝數(shù)[6]。同時(shí)還提供軌跡回放功能，可以回看作業(yè)路徑軌跡，以此來(lái)分析作業(yè)過(guò)程，為后續(xù)優(yōu)化作業(yè)軌跡提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 條播作業(yè)人機(jī)交互和報(bào)警提示功能

監(jiān)控屏幕也是人機(jī)交互的一個(gè)界面，通過(guò)監(jiān)控屏幕可以設(shè)置條播機(jī)的作業(yè)參數(shù)，比如地輪直徑、播種幅寬、傳動(dòng)比、測(cè)速齒數(shù)等[7]。人機(jī)交互還可以通過(guò)監(jiān)控云平臺(tái)下發(fā)指令對(duì)條播控制器進(jìn)行控制和作業(yè)參數(shù)修改。這兩種人機(jī)交互手段提高了作業(yè)運(yùn)行中的操作靈活性，為提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

監(jiān)控顯示屏界面能夠提示作業(yè)過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)是否正常，如衛(wèi)星信號(hào)狀態(tài)、4G 信號(hào)狀態(tài)、條播控制器通信狀態(tài)以及條播機(jī)每行作業(yè)的工作狀態(tài)。條播機(jī)每行作業(yè)狀態(tài)主要包括：各行播種是否正常，有無(wú)堵種、缺種等問(wèn)題。如果出現(xiàn)異常問(wèn)題，監(jiān)控界面會(huì)在對(duì)應(yīng)的區(qū)域顯示紅色故障報(bào)警提示。

2 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)田間試驗(yàn)分析

田間試驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能性及可靠穩(wěn)定性，試驗(yàn)使用濰柴雷沃M2004 型拖拉機(jī)和自研條播機(jī)。其田間作業(yè)場(chǎng)景如圖2 所示。

圖2 條播機(jī)作業(yè)圖

2.1 云平臺(tái)功能測(cè)試

條播監(jiān)控云平臺(tái)上記錄著所有條播作業(yè)機(jī)械的數(shù)據(jù)，可以調(diào)取任何一臺(tái)條播機(jī)查看其實(shí)時(shí)和過(guò)去作業(yè)的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息以時(shí)間軸順序記錄，包括作業(yè)中整機(jī)狀態(tài)信息、定位信息、條播狀態(tài)信息等[8]。條播狀態(tài)信息包括作業(yè)地塊信息（需要提前設(shè)置）、作業(yè)面積、播種總量、畝播種量、作業(yè)幅寬、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、車隊(duì)信息、機(jī)具型號(hào)、機(jī)手信息等。通過(guò)云平臺(tái)，以實(shí)景地圖的形式展現(xiàn)作業(yè)區(qū)域和作業(yè)軌跡，方便用戶查看車輛實(shí)時(shí)作業(yè)位置和運(yùn)行軌跡。云平臺(tái)功能為大農(nóng)場(chǎng)集約化農(nóng)業(yè)作業(yè)管理帶來(lái)了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，為農(nóng)場(chǎng)管理人員提供了集管理、控制為一體的智能解決方案。云平臺(tái)界面如圖3所示。

2.2 人機(jī)交互、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能測(cè)試

條播機(jī)在作業(yè)過(guò)程中能夠通過(guò)監(jiān)控屏幕與現(xiàn)場(chǎng)農(nóng)機(jī)操作人員進(jìn)行交互，監(jiān)控屏幕能夠顯示當(dāng)前條播機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，并且能夠修改作業(yè)機(jī)具的參數(shù)配置[9]，顯示如當(dāng)前播種總量、畝播種量、每行播種狀態(tài)是否正常等情況。參數(shù)可以配置條播幅寬、測(cè)速齒數(shù)、傳動(dòng)比等。條播控制器監(jiān)控屏幕顯示狀態(tài)如圖4所示，條播控制器參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示。

圖3 條播作業(yè)云平臺(tái)界面

圖4 條播控制器監(jiān)控屏幕

圖5 條播控制器參數(shù)設(shè)置

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)輸出

在作業(yè)完成后，監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)需要，輸出相關(guān)的作業(yè)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)表，如表1 所示。這是對(duì)整體作業(yè)情況的展示，便于對(duì)比不同地塊作業(yè)質(zhì)量，分析影響作業(yè)質(zhì)量的因素[10]。為了對(duì)比不同地塊中某個(gè)作業(yè)要素的變化規(guī)律，可以以地塊信息和需要觀察的作業(yè)要素為坐標(biāo)軸生成二維折線圖，如圖6 所示，這樣可以直觀地查看作業(yè)要素的走勢(shì)和規(guī)律。

表1 條播機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計(jì)表

圖6 不同地塊畝播種量走勢(shì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本農(nóng)機(jī)條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在山東區(qū)域幾個(gè)大農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行上萬(wàn)畝農(nóng)田的作業(yè)測(cè)試試驗(yàn)。充分驗(yàn)證了條播機(jī)和條播作業(yè)監(jiān)控平臺(tái)的功能，作業(yè)面積、播種總量、單位播種量的精確度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，友好的人機(jī)交互界面獲得了用戶的認(rèn)可。作業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和分析功能、路徑生成和軌跡回放功能為后續(xù)更高效率、更高質(zhì)量的作業(yè)提供了有力的數(shù)據(jù)支持[11]。隨著本農(nóng)機(jī)條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的不斷推廣與應(yīng)用，其功能還將不斷優(yōu)化更新，以滿足不同用戶和不同應(yīng)用場(chǎng)景的使用需求。