摘要：為了提高割草車的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，文章設(shè)計(jì)了一款無人割草車App上位機(jī)。使用Java語言編寫上位機(jī)的后臺(tái)，XML語言構(gòu)建上位機(jī)的界面，通過藍(lán)牙/4G模塊與割草車進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)割草車的任務(wù)下發(fā)與遠(yuǎn)程監(jiān)控等操作，用戶可使用手機(jī)控制割草車自主化割草。

關(guān)鍵詞：割草車；App上位機(jī)；自主化；遠(yuǎn)程監(jiān)控

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.003

中圖分類號(hào)：TN 92，TP 3" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-000-03

Design of App Host Computer for Mowing Unmanned Vehicle

HUANG Fuping1， LI Lijun1， ZHANG Min2

（1.CLP Financial Equipment System （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518101， China; 2.Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： In order to improve the agricultural production level of mowing vehicle， an App host computer of unmanned mowing vehicle was designed. Use Java language to write the background of the host computer， and XML language to build the interface of the host computer. Through the Bluetooth /4G module to communicate with the lawn mower， the tasks of the lawn mower can be distributed and monitored remotely. The user can use the mobile phone to control the mower to mow the grass autonomously.

Key words： lawn mower; App host computer; autonomy; remote monitoring

0" 引言

目前，美、德等發(fā)達(dá)國家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究處于領(lǐng)先地位[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)服務(wù)更為廣泛地應(yīng)用這些多功能的農(nóng)業(yè)機(jī)器人[2]。根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)需求，市面上出現(xiàn)了性能各異的除草機(jī)器人、采摘機(jī)器人、插秧機(jī)器人和嫁接機(jī)器人等[3]。

隨著城市綠化面積的增長，修剪草坪的工作量也逐漸增大[4]。傳統(tǒng)的手持割草車弊端逐漸顯露，例如，需要耗費(fèi)大量人力，作業(yè)效率低，割草的效果受人為因素的影響等。因此，割草車也逐漸向著自動(dòng)化、無人化方向發(fā)展。本文針對(duì)提高割草車的可操作性和便捷性，設(shè)計(jì)了一款適用于安卓手機(jī)的App上位機(jī)。該上位機(jī)可使用藍(lán)牙或4G的方式連接割草車，與其進(jìn)行通信，連接割草車后可對(duì)其進(jìn)行一系列操作，達(dá)到遠(yuǎn)程管控的目的。與傳統(tǒng)遙控控制方式相比，本設(shè)計(jì)更加高效便捷，能夠自主除草，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。

1" 硬件設(shè)備

所使用的割草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)主要由割草車車體、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。由于草地地形復(fù)雜，普通割草車行走困難且沖擊力較大，震動(dòng)明顯，因此選擇選用履帶式的雙鏈輪作為車輪，減少對(duì)地面的壓力。傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器等元件，主要用于為割草車提供環(huán)境和位置等信息?？刂葡到y(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)割草車正常運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。整體采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，各模塊分工明確，以單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，控制割草車靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)采用的處理器是基于CORTEX-M4內(nèi)核的STM32F427ZIT6芯片，用于相關(guān)數(shù)據(jù)的處理與運(yùn)算。割草無人車整體外觀如圖1所示。

而操縱上位機(jī)App的硬件設(shè)備只需要一臺(tái)安卓手機(jī)或平板，安裝本課題設(shè)計(jì)的App，即可對(duì)割草車進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和管理。

2" 需求分析

在軟件工程中，需求分析是指，在創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品，確定系統(tǒng)或產(chǎn)品的目的、定義和功能時(shí)，所需要做的工作。針對(duì)該過程，本設(shè)計(jì)功能性需求如下。

（1）參數(shù)設(shè)置：在無人車執(zhí)行任務(wù)前，客戶端通過藍(lán)牙或網(wǎng)絡(luò)連接無人車實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置無人車的任務(wù)參數(shù)，確保無人車完成除草任務(wù)。

（2）狀態(tài)顯示：客戶端通過藍(lán)牙或網(wǎng)絡(luò)獲取無人車的狀態(tài)信息和參數(shù)設(shè)置情況，便于用戶判斷無人車工作狀態(tài)和觀察作業(yè)預(yù)設(shè)參數(shù)。

（3）航跡規(guī)劃：指定作業(yè)區(qū)域，結(jié)合作業(yè)內(nèi)容，通過航跡規(guī)劃算法生成作業(yè)航跡。

（4）導(dǎo)航地圖：客戶端需要加載電子地圖，以便在選擇作業(yè)區(qū)域時(shí)觀察作業(yè)區(qū)域的環(huán)境，并且地圖可顯示航點(diǎn)和航跡。

（5）作業(yè)控制：客戶端可對(duì)無人車進(jìn)行作業(yè)、返航等控制操作。

3" 割草車軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行原理

該上位機(jī)可通過藍(lán)牙或4G兩種方式與割草車建立通信。

4G通信基于HTTP協(xié)議與服務(wù)器相連接，將無人車的一系列操作指令發(fā)送至服務(wù)器[6]，服務(wù)器再將指令下發(fā)至無人車的DTU模塊，從而控制無人車的響應(yīng)。HTTP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信中最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)需創(chuàng)建HTTPURLConnection對(duì)象，用來向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求。再通過getInputStream（）方法來獲取輸入流，讀取相關(guān)的響應(yīng)數(shù)據(jù)。讀取完服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)后，需調(diào)用disconect（）方法斷開連接。

藍(lán)牙通信直接與無人車藍(lán)牙模塊相連接。藍(lán)牙模塊選用低功耗藍(lán)牙，具有兼容性強(qiáng)、傳輸速率高、能耗小、距離長等優(yōu)點(diǎn)。使用藍(lán)牙模塊可以擺脫原來串口通信線纜的約束，實(shí)現(xiàn)無線通信[7]。在成功連接到割草車藍(lán)牙設(shè)備后，將按照自定義通信協(xié)議中藍(lán)牙通信部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。整體運(yùn)行原理圖如圖2所示。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

該上位機(jī)主要包括登錄模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、作業(yè)管理模塊三大部分。

3.2.1 登錄模塊

出于對(duì)上位機(jī)軟件的安全考慮，增設(shè)登錄模塊，只有獲取相關(guān)操作權(quán)限的用戶才能使用該軟件。首次使用軟件前，用戶需注冊賬戶與密碼，而后使用賬號(hào)密碼進(jìn)行登錄。將用戶賬號(hào)和用戶密碼發(fā)送至服務(wù)器后臺(tái)，服務(wù)器后臺(tái)驗(yàn)證所輸入的用戶信息是否正確，驗(yàn)證成功后方可進(jìn)入操作界面進(jìn)行下一步操作。

3.2.2 狀態(tài)監(jiān)控模塊

狀態(tài)監(jiān)控模塊包括地圖的加載與緩存，軌跡繪制與清除以及無人車的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。地圖選用ArcGIS地圖，使用mapview組件用于顯示地圖、與用戶進(jìn)行交互。使用相關(guān)API和軌跡優(yōu)化算法來繪制或刪除軌跡圖層。實(shí)時(shí)接收并解析無人車FDR模塊發(fā)送過來的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包，并將其在界面顯示。當(dāng)無人車狀態(tài)異常時(shí)會(huì)發(fā)出異常警報(bào)，提醒用戶處理。主要有以下三種警報(bào)方式。

（1）滾動(dòng)條顯示：在XML界面中添加VerticalTextview自定義控件，該控件為垂直文字控件，可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)欄效果。將各種警報(bào)信息文字存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)組中，當(dāng)出現(xiàn)異常警報(bào)情況時(shí)，會(huì)不斷從數(shù)組中獲取文字信息進(jìn)行顯示?？梢酝ㄟ^tv.setTextColor（Color.RED）;將文字顏色設(shè)置為紅色，更加醒目。

（2）彈窗顯示：可以使用安卓自帶的提示對(duì)話框AlertDialog來提醒用戶出現(xiàn)異常情況。通過AlertDialog.Builder來創(chuàng)建對(duì)象，可以使用setIcon（）來設(shè)置圖標(biāo)，setTitle（）或setCustomTitle（）來設(shè)置標(biāo)題，setMessage（）來指定顯示的內(nèi)容。調(diào)用create（）方法創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象，再調(diào)用show（）方法將對(duì)話框顯示出來。

（3）語言播報(bào)：語音識(shí)別已經(jīng)是一個(gè)很普及的功能，在特定情境下，能帶給人們方便的交互體驗(yàn)。語音播報(bào)借助科大訊飛的語音識(shí)別SDK來進(jìn)行開發(fā)。需注冊訊飛賬號(hào)，將對(duì)應(yīng)的架構(gòu)文件拷貝到Android工程的libs目錄下進(jìn)行使用。

3.2.3 作業(yè)管理模塊

作業(yè)管理模塊包括方案創(chuàng)建，軌跡規(guī)劃與任務(wù)管理。新建作業(yè)方案時(shí)需清除一切軌跡圖層及置位相關(guān)的狀態(tài)變量，且所建的方案需能夠保存到sd卡以供用戶下次使用。設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的貪心算法，能夠使軌跡全覆蓋，避免區(qū)域漏除。任務(wù)管理包括作業(yè)任務(wù)的上傳及暫停、返回指令的下發(fā)。上位機(jī)軟件整體功能框架圖如圖3所示。

3.3 上位機(jī)作業(yè)流程

在上位機(jī)作業(yè)軟件中，可以通過無人車自身GNSS定位獲取其當(dāng)前的坐標(biāo)位置。手動(dòng)打點(diǎn)，選擇想要進(jìn)行除草作業(yè)的工作范圍。點(diǎn)擊生成方案按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成全覆蓋作業(yè)路徑，若無需修改，點(diǎn)擊任務(wù)下發(fā)按鈕，即可將任務(wù)下發(fā)給無人車，等待成功對(duì)話框的彈出。任務(wù)發(fā)送完成后，該系統(tǒng)會(huì)提示用戶“發(fā)送成功”。用戶點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕后無人車即可按作業(yè)軌跡自主進(jìn)行除草工作，全程無需人工干預(yù)。

同時(shí)，作業(yè)軟件接收到運(yùn)行數(shù)據(jù)后，可對(duì)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，判斷地磁和GNSS模塊是否異常，電量、星數(shù)等參數(shù)是否過低，從而避免影響無人車的正常運(yùn)行。若出現(xiàn)異常則需要立即提醒用戶排查異常情況，確保設(shè)備能正常作業(yè)。數(shù)據(jù)異常時(shí)的提醒方式有異常數(shù)據(jù)的文字顯示為紅色，異常信息滾動(dòng)顯示、彈窗提醒和鈴聲提醒。上位機(jī)作業(yè)流程圖如圖4所示。

4" 結(jié)束語

該上位機(jī)軟件操作簡單，高效便捷，具有良好的社會(huì)效益。使用Java語言編寫上位機(jī)的后臺(tái)，XML語言構(gòu)建上位機(jī)的界面。通過藍(lán)牙/4G模塊與割草車進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)割草車的遠(yuǎn)程管控。該設(shè)計(jì)提升了割草效率，減輕了除草人員的工作壓力，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化與智能化?！?/p>

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