基于云平臺的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況監(jiān)測系統(tǒng)的研究

肖躍進，梁春英，李新宇，李傲強，席冬旭，王杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，大慶 163319）

基于云平臺的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況監(jiān)測系統(tǒng)的研究

肖躍進，梁春英，李新宇，李傲強，席冬旭，王杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，大慶 163319）

以監(jiān)測機車在工作中運行狀態(tài)為目的，在作業(yè)機械上配備信息采集器，通過CAN總線傳至核心處理器，核心處理器將接收到的數(shù)據(jù)綜合分析后生成機車的工況信息，通過GPRS發(fā)送到云端的服務器上。利用云計算服務平臺建立機車監(jiān)測與調度系統(tǒng)，動態(tài)采集作業(yè)信息，并迅速及時地將信息傳送到調度中心，最終實現(xiàn)田間機車工況信息在云平臺上實時監(jiān)控，為未來的農(nóng)機調度提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)資源配置最優(yōu)化、資源監(jiān)控實時化、調度管理自動化。

云平臺；農(nóng)機調度；農(nóng)機工況檢測；GPRS

農(nóng)業(yè)作業(yè)機械逐漸趨于智能化、節(jié)約化、精準化和大型化，農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況檢測及調度系統(tǒng)是應用在現(xiàn)代大型農(nóng)業(yè)作業(yè)機械上的農(nóng)業(yè)智能裝備，綜合了通信技術、計算機科學、傳感器檢測技術、機械設計及其自動化多種技術。

在農(nóng)業(yè)機械方面，國外的農(nóng)業(yè)機械技術應用的監(jiān)測技術相對較廣，尤其是在精細農(nóng)業(yè)的應用。以美國、德國和日本為代表的發(fā)達國家完成了由農(nóng)業(yè)機械化向農(nóng)業(yè)信息化的轉變，其中，美國的農(nóng)業(yè)信息化強度已高于工業(yè)81.6%。作為發(fā)展中國家，需要在某些領域推動高新技術的應用研究與實踐，開發(fā)適于我國國情的先進技術，自動監(jiān)測控制系統(tǒng)的設計及在農(nóng)業(yè)工程中的應用將成為農(nóng)業(yè)機械裝備領域應用信息高新技術實現(xiàn)技術創(chuàng)新的切入點[1]。

近年來我國農(nóng)機工況檢測和調度方面也做了一些研究。王慧平等[2]設計了基于ArcGIS Server的農(nóng)機遠程監(jiān)管服務系統(tǒng)在軟件平臺上實現(xiàn)了農(nóng)機遠程作業(yè)農(nóng)機實時的位置、速度、工況等各種信息的實時監(jiān)控處理。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心設計并實了一種基于GPS、GPRS和GIS技術的農(nóng)機監(jiān)控調度系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對農(nóng)機進行實時監(jiān)控和調度，查詢農(nóng)機的歷史行走軌跡等[3]。

我國在農(nóng)機信息化管理方面的研究起步較晚，但發(fā)展速度較快，在農(nóng)機作業(yè)信息監(jiān)測、農(nóng)機監(jiān)理管理系統(tǒng)、農(nóng)機作業(yè)服務的效率、降低服務成本等方面取得了顯著成績，但也存在一些問題，例如農(nóng)機信息資源不足，缺乏統(tǒng)一的資源平臺；存在信息孤島及分散問題；農(nóng)機調度多采用語音通話方式進行任務指派，效率不高[4]。為了彌補上述不足，設計基于云計算的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況檢測及調度系統(tǒng)可以有效地提升農(nóng)機檢測和調度效率，克服農(nóng)機受時空局限的特點，幫助農(nóng)機管理部門及時了解和掌握轄區(qū)內農(nóng)機工作狀態(tài)，提高農(nóng)機調度管理水平和信息服務能力[5]。

1 整體方案設計

該農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況檢測系統(tǒng)主要由機車工況檢測設備、云服務器、云數(shù)據(jù)庫、客戶端部分組成，整體方案設計如圖1。機車工況檢測設備由底層傳感數(shù)據(jù)采集設備、上層核心處理器、GPRS網(wǎng)絡傳輸模塊、顯示屏、聲光報警器組成，該部分安裝在作業(yè)機車上，用于機車作業(yè)的工況數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的初步處理、與云服務器的通信。云服器采用阿里云的ECS云計算服務，主要完成數(shù)據(jù)的進一步處理、統(tǒng)計、運算，其操作系統(tǒng)為Windows Server 2008標準版。云數(shù)據(jù)庫使用的是Mircosoft SQL server，用于機車工況信息的查詢、搜索、同步、報告和分析，直接安裝在云服務器上?？蛻舳耸蔷帉懙囊粋€運行于Windows環(huán)境下的服務軟件，主要用于機車調度中心的宏觀監(jiān)測與調控。

圖1 整體方案設計Fig.1 Design of overall program

2 機車檢測設備設計

通過在作業(yè)機械上配備的信息采集器機車工作中的運行狀態(tài)進行檢測，將采集器采集到到的機車工況信息通過CAN總線傳至核心處理器，核心處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理后通過GPRS發(fā)送到云服務器上，分析生成機車的工況信息，并對機車工況信息進行顯示。

2.1 采集板的設計

對機車工況的信息采集需要安裝各種檢測工況信息的傳感器，由于不同傳感器輸出的信號形式不同，數(shù)據(jù)的類型不同，傳感器安裝的位置也不同。為簡化設計提高采集效率，機車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路板采用通用式設計，即不同的采集器使用相同的采集電路板，電路板上具有不同傳感器的信息采集接口，采集傳感器數(shù)據(jù)只需接上相應的接口，系統(tǒng)能夠自動識別所接的傳感器，使得系統(tǒng)具有更高的適用性和容錯性。

2.1.1 采集板硬件電路設計

數(shù)據(jù)采集器具有多種信號輸入接口，其中包括2路數(shù)/模轉換接口、1路串行通信接口、2路脈沖捕獲接口、1路I2C接口。采集板整體電路如圖2。電源供電部分使用3 A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片LM2596配合外圍器件將輸入的12 V電壓轉換5 V的電壓來給傳感器、微控制器和CAN總線收發(fā)控制電路供電。采集器的微控制器采用的是IAP15W4K系列微控制器，主要完成對采集板傳感器的自動識別、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)采集器將采集的數(shù)據(jù)由CAN總線發(fā)送至核心處理器以進行進一步的處理。

圖2 采集板整體電路Fig.2 Design of data acquisition board statement

2.1.2 軟件執(zhí)行過程

數(shù)據(jù)采集器采用的是通用型數(shù)據(jù)采集器設計，相同的數(shù)據(jù)采集器可以自動識別介入的傳感器種類，自動完成對數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集器采用的微控制器為IAP15W4K系列單片機，在kile環(huán)境下用C語言編寫，其基本執(zhí)行過稱為：上電初始化后微控制器識別介入的傳感器類別并分配傳感器標號，然后進行傳感數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后對數(shù)據(jù)進行編碼并利用CAN總線發(fā)送到核心處理器上。

2.2 機車工況檢測傳感器

機車工況信息的采集選用浮子式液位傳感器采集機車的油量信息、GPS定位接收機實時定位機車、電容式接近開關辨別機車的作業(yè)狀態(tài)。

2.2.1 浮子式液位傳感器

對機車油量信息的采集，使用浮子式液位傳感器型號為S5-X300。采用電磁法測量，輸出0.5～4.5的模擬數(shù)量，油箱剩余水量和和水箱剩余水量采用S5-X300型浮子液位傳感器進行采集，S5-X300型浮子液位傳感器主體采用不銹鋼SUS316，防護等級為IP67，其輸出信號為0～5 V電壓信號，使用片內帶有A/D轉換功能的IAP15 W4 K系列單片機隊對采集的電壓信號轉換成液位的實際值。

2.2.2 電容式接近開關

電容式接近開關亦屬于一種具有開關量輸出的位置傳感器，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關的接通和關斷。接近開關安裝在機車的作業(yè)頭位置，如果作業(yè)頭放下，將會擋住電容接近開關的探頭，電容接近開關做出反應，輸出一個負跳變的脈沖。接近開關與通用型數(shù)據(jù)采集卡的脈沖捕獲接口相連接，數(shù)據(jù)采集卡能夠對跳變的脈沖進行捕獲。

2.2.3 GPS定位數(shù)據(jù)的獲取和相關數(shù)據(jù)的計算

GPS接收機采用U-blox公司推出的第六代GPS衛(wèi)星信號接收解析設備NEO-6M。GPS和數(shù)據(jù)采集板通過UART接口連接，其通信波特率為9 600 bps。其數(shù)據(jù)格式遵循NMEA-0183協(xié)議。GPS接收機模塊默認輸出GGA、GLL、GSV、GSA和RMC五種語句，根據(jù)實際需要選取了GPS數(shù)據(jù)中的GGA、GSA和RMC語句，分別對它們的數(shù)據(jù)幀進行解析。

GPS接收機的數(shù)據(jù)存在誤差，采用遞推平均濾波算法分別對平面直角坐標中x、y兩個值進行濾波，能夠提高接收機單點定位精度，精確測量農(nóng)田面積，也利于后續(xù)面積的計算，以先進先出的原則，把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。

接收機安裝在機車上，每隔一定的時間采集到一個定位坐標（xi，yi），由于每輛機車的形狀及標準一定，假設機車作業(yè)寬度為M，只需要計算機車行走的軌跡長度則可計算作業(yè)面積。通過采集到的點跡，可以生成一個行駛軌跡，該軌跡可以描述為D={（x1，y1），（x2，y2）……（xi，yi），（xi+1，yi+1）}，那么機車的作業(yè)面積S為：

2.3 上位機設計

上位機核心處理器采用STM32F1系列微處理器，主要完成對采集板采集數(shù)據(jù)進行進一步的處理，通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到云服務器上和農(nóng)機管理調度中心的通信。STM32F1微處理器通過CAN總線與傳感器進行通信，數(shù)據(jù)采集器作為從機，收到主機的請求后，將采集到的數(shù)據(jù)再通過CAN總線發(fā)送給主機，主機收到數(shù)據(jù)后處理，處理后的數(shù)據(jù)一方面通過GPRS模塊發(fā)送給云服務器，另一方面，主機將處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給顯示屏，顯示屏將這些數(shù)據(jù)顯示出來，以便工作人員查看，當主機接收到上位機的調度命令后，通過串口將調度命令信息發(fā)送到顯示屏上，顯示屏的調度命令窗口將調度命令信息顯示出來。

2.4 GPRS網(wǎng)絡的接收和發(fā)送

GPRS模塊作為機車終端與云服務器和機車調度管理中心數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)設備，GPRS無線模塊主要是把采集的數(shù)據(jù)轉發(fā)并接入Internet網(wǎng)，然后發(fā)送到云服器中并從云服務中收運算完畢的數(shù)據(jù)和調度命令。

單片機與GPRS模塊的通信包含硬件設備的初始化，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，數(shù)據(jù)幀格式等。通過AT命令實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡的附著、TCP激活、Internet的接入和數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為雙向的，一是GPRS模塊接受由服務器發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)給處理器，然后處理器據(jù)此作出相應的處理；二是處理器通過接收外部采集數(shù)據(jù)，然后通過一串口發(fā)送給GPRS模塊，最終GPRS模塊把數(shù)據(jù)轉發(fā)到服務器。

3 云服務與調度客戶端的設計

3.1 云服務的搭建

云計算平臺基于WindowsServer2008服務器操作系統(tǒng)，在Windows Server 2008中，所有的電源管理設置已被組策略啟用[7]。

云主機通過C#進行上位機的編寫，在C#中使用到Scoket網(wǎng)絡編程和SQL2008數(shù)據(jù)庫編程，其中Scoket用于進行消息的傳遞工作，SQL 2008主要進行消息的儲存與檢索工作[8]。云服器端的執(zhí)行過程，Scoket的TCP/IP協(xié)議與GPRS互聯(lián)，云主機接收到數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的處理與轉發(fā)，接收到數(shù)據(jù)之后判斷數(shù)據(jù)是否符合約定的協(xié)議規(guī)范，如果消息有效，對消息進行分解。經(jīng)緯度，油量等消息分解后，按照接收時間儲存到建好的數(shù)據(jù)庫中，然后向車載設備返回一個消息接收的確認信號，云服務器通過網(wǎng)絡的連接狀態(tài)確認設備是否在線。如果設備長時間在線但沒有消息，或者多次接收到不符合約定規(guī)范的消息，則判斷設備故障會發(fā)出警告。

3.2 客戶端的設計

基于云計算的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況檢測系統(tǒng)的客戶端部分由C#語言編寫，程序安裝在農(nóng)機管理調度中心的計算機中，主要用于農(nóng)機管理中心對工況信息的實時監(jiān)測，對歷史信息的查詢，通過宏觀的數(shù)據(jù)的查詢方便農(nóng)機管理者做出決策?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡在云服器中的數(shù)據(jù)庫中查詢客戶想看到的實時和歷史信息，包括機車的定位信息，油量信息，作業(yè)面積等信息，用戶也可以通過客戶端將工況信息導出到本地。同時客戶端設計有客戶對話窗口，可以方便地與下位機進行通信，完成調度命令的執(zhí)行。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 GPS坐標數(shù)據(jù)處理結果

通過對GPS接收機的數(shù)據(jù)采用遞推平均濾波算法分別對平面直角坐標中x、y兩個值進行濾波，提高了接收機單點定位精度，精確測量農(nóng)田面積，也利于后續(xù)面積的計算。圖3是GPS單點坐標數(shù)字濾波前后的對比，通過對比可以看到GPS接收機接收到定位坐標經(jīng)過數(shù)字濾波定對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，定位精度提高了4～8倍。

圖3 GPS數(shù)據(jù)坐標濾波前后分布圖對比Fig.3 Comparison of GPS data coordinate filter before and after filtering

4.2 對作業(yè)面積的記錄的實驗結果

利用基于云計算的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械工況檢測系統(tǒng)對機車作業(yè)過程中的定位坐標采集后計算出機車的作業(yè)面積并記錄。以666.67 m2為基本單位地塊，分別劃出面積為 666.7、3 333.5、6 667.0、13 334.0、33 335.0 m2的地塊利用本實驗系統(tǒng)對次地塊作業(yè)記錄采集到的作業(yè)面積與市面上的普通GPS測畝儀和實際地塊面積三者進行對比，實驗對比結果如表1。通過表1中數(shù)據(jù)可以看到普通的GPS測畝儀在3 333.5 m2以下記錄誤差在5%左右，大于6 667.0 m2誤差降至3%～4%左右，而本系統(tǒng)的誤差在6 667.0 m2以下時誤差在0.3%以下，13 334.0 m2以上則達到0.1%左右。結果表明，本系統(tǒng)可以精確記錄農(nóng)業(yè)機車的作業(yè)面積，且記錄精度高于目前常規(guī)的GPS面積測量儀。

表1 記錄的機車作業(yè)面積數(shù)據(jù)對比Table 1 Data comparison of locomotive working area recorded

4.3 服務器對接收的工況數(shù)據(jù)的處理

機載設備發(fā)送的數(shù)據(jù)中加入CRC循環(huán)冗余校驗，最后兩個個字節(jié)為CRC校驗位。服務器在接收報文時重新計算CRC的值，并將計算結果于實際接收到的CRC值相比較，如果兩個值不相等，則為錯誤，則拋棄此次接收的數(shù)據(jù)。如果校驗通過則將數(shù)據(jù)進行拆分后分析運算生成工況信息分類儲存到數(shù)據(jù)庫中去，客戶端可以通過訪問數(shù)據(jù)庫將歷史或當前的工況信息導出到本地，表2為2015年9月23日作業(yè)實驗時導出的部分工況信息，可以看出云服務器對接收到的機車工況信息進行了實時、準確、可靠的記錄。

表2 機車工況信息文件Table 2 Data of agricultural machinery work condition

續(xù)表2 機車工況信息文件Continued table 2 Data of agricultural machinery work condition

5 結論

以農(nóng)機智能化工況監(jiān)測與調度為背景，依托云計算平臺，實現(xiàn)了農(nóng)用機車的實時工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，作業(yè)位置的記錄，作業(yè)面積的自動計算，機車調度管理的實現(xiàn)。測試結果表明，系統(tǒng)對農(nóng)機的工況能進行準確的監(jiān)測，服務器能夠在較少維護情況下穩(wěn)定運行。系統(tǒng)能夠方便農(nóng)機管理人員的遠程管理，實現(xiàn)農(nóng)機的跨區(qū)作業(yè)、遠程調度資源配置最優(yōu)化、資源監(jiān)控實時化、調度管理自動化。

［1］ 王楠.農(nóng)機工作狀態(tài)實時無線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

［2］ 王慧平，劉卉，陳競平，等.農(nóng)機遠程監(jiān)管服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)—基ArcGIS Server［J］.農(nóng)機化研究，2014（2）：192-196.

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［8］ 趙會兵.基于SQLServer2008的空間分析研究［D］.湘潭：湖南科技大學，2010.

［9］ 朱玲玲，梁春英，徐千惠，等.基于農(nóng)田作業(yè)機車工況遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2015，27（6）：74-98.

Research on Operating Condition Monitoring System of Agricultural Machine Based on Cloud Platform

Xiao Yuejin，Liang Chunying，Li Xinyu，Li Aoqiang，Xi Dongxu，Wang Jie
（College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To monitor running state of the locomotive in work，information collector was equipped on the machinery，the data was sent from CAN bus to the core digital processor in which was comprehensively analyzed and then generated working information which was sent via GPRS to the cloud server.Using cloud computing services platform to establish a locomotive monitoring and scheduling system，dynamically collected working information which was transmitted quickly and the timely to the dispatch center，finally the real-time monitoring of locomotive information of field working condition was realized on the cloud platform，provided data support for future agricultural machinery operation，realized the resource configuration optimization，resource monitoring real-time，scheduling management automation.

cloud platform；agricultural machinery dispatching；detection of agricultural machinery working condition；GPRS

S24

A

1002-2090（2017）02-0102-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.02.020

2016-09-10

黑龍江省農(nóng)墾總局科研項目（HNK125B-04-10）；黑龍江八一農(nóng)墾大學博士啟動基金項目（2015）；黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201510223883）。

肖躍進（1995-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)2013級本科生。

梁春英，女，教授，碩士研究生導師，E－mail：ndliangchunying@163.com。