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    基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

    2018-03-05 08:02:44陳忠國王林鳳湯自強(qiáng)
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年1期
    關(guān)鍵詞:移動(dòng)式北斗農(nóng)機(jī)

    康 康,陳忠國,王林鳳,湯自強(qiáng),蔣 猛

    (1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715;2.貴州省遵義市播州區(qū)農(nóng)牧局,貴州遵義 563100)

    物聯(lián)網(wǎng)又被稱為“傳感網(wǎng)”,是指將各種信息傳感設(shè)備如射頻設(shè)備、紅外線設(shè)備、全球定位裝置、激光掃描裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大的物物相連網(wǎng)絡(luò)[1-2]。武洪峰提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度[3],只提出了理論構(gòu)思且功能單一,無法滿足當(dāng)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求,同時(shí)也沒有搭建系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)量農(nóng)田面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的一項(xiàng)必不可少的工作,也是判斷農(nóng)機(jī)作業(yè)效率的重要依據(jù)[4-5]。農(nóng)機(jī)故障自診斷系統(tǒng)是未來農(nóng)機(jī)故障診斷的發(fā)展方向,目前汽車自診斷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用基于車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics,簡(jiǎn)稱OBD)的外部配套設(shè)備,用來讀取汽車參數(shù)和故障碼,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的故障精確判斷[6]。本研究提出應(yīng)用OBD-Ⅱ系統(tǒng)自診斷農(nóng)機(jī)故障,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)機(jī)故障并自動(dòng)顯示其故障信息。

    本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2個(gè)主要功能:一是作業(yè)面積、土壤溫濕度、農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和地理位置等信息的采集,并上傳到監(jiān)控中心實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控顯示;二是應(yīng)用OBD-Ⅱ系統(tǒng)依據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息自診斷農(nóng)機(jī)故障信息,遠(yuǎn)程監(jiān)控中心依據(jù)故障信息派遣維修人員,同時(shí)管理人員可依據(jù)農(nóng)機(jī)設(shè)備分布狀況下發(fā)調(diào)度命令。

    1 移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可分為底層終端系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心2個(gè)主要部分,二者之間以手機(jī)為應(yīng)用終端利用移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)底層終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的雙向通信,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

    遠(yuǎn)程監(jiān)控終端包括服務(wù)器、云計(jì)算機(jī)、終端用戶等。底層終端除以單片機(jī)為核心的微控制以外,還包括故障診斷模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、行駛速度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,簡(jiǎn)稱GPS)/北斗雙模定位模塊和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,簡(jiǎn)稱GIS)等。應(yīng)用GPS/北斗雙模定位模塊和GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的定位和地理位置信息的采集功能。GPS/北斗雙模定位模塊與單片機(jī)控制器之間應(yīng)用串口接口通信,應(yīng)用OBD-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)控制器與移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備的連接,二者之間應(yīng)用控制器局域網(wǎng)絡(luò)2.0(controller area network 2.0,簡(jiǎn)稱CAN 2.0)總線通信協(xié)議。單片機(jī)控制器將采集回來的各種數(shù)據(jù),經(jīng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)送至服務(wù)器處理分析后,在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心用戶終端顯示作業(yè)面積、地理位置、農(nóng)田環(huán)境信息和農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等信息,同時(shí)依據(jù)農(nóng)機(jī)分布狀況下發(fā)調(diào)用農(nóng)機(jī)設(shè)備的命令。

    2 底層終端系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

    2.1 底層終端系統(tǒng)

    在移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備上安裝底層終端系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括底層硬件平臺(tái)、GPS/北斗雙模定位模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和藍(lán)牙模塊(圖2)。數(shù)據(jù)采集模塊包括采集田間環(huán)境的溫度傳感器、濕度傳感器、行駛速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和故障診斷儀等;底層硬件平臺(tái)包括由我國推出的STC12C5A60S2核心電路,分別處理來自各傳感器收集的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備及環(huán)境的相關(guān)信息、GPS/北斗雙模定位信息、獲取的作業(yè)面積和地理位置信息;同時(shí)依據(jù)移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備的工作參數(shù)和故障診斷儀對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行故障診斷,判斷農(nóng)機(jī)設(shè)備是否發(fā)生故障;底層終端單片機(jī)控制器利用藍(lán)牙無線通信與智能手機(jī)通信獲取以上的信息,然后通過移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。管理人員登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)可以查詢相關(guān)信息,同時(shí)可以依據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的指令。

    2.2 農(nóng)機(jī)設(shè)備定位和定位原理

    本底層終端應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動(dòng)定位,安裝在移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備的GPS/北斗雙模定位的接受器,實(shí)時(shí)接受衛(wèi)星發(fā)射器的信號(hào)同時(shí)獲取農(nóng)機(jī)設(shè)備的經(jīng)度和緯度信息[7-9],依據(jù)GIS地理位置信息系統(tǒng)顯示農(nóng)機(jī)設(shè)備的地理位置信息。本系統(tǒng)分別應(yīng)用GPS全球定位和北斗具有短報(bào)文通信、雙向通信的優(yōu)點(diǎn)[10-11],采用WGS-84坐標(biāo)系、BJ-54坐標(biāo)系和建立偽距方程以精確獲取農(nóng)機(jī)設(shè)備的地理位置信息。

    由圖3可見,建立偽距方程,假設(shè)接收機(jī)的坐標(biāo)為B、L、H(分別表示該點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高度坐標(biāo)),接收機(jī)時(shí)鐘與北斗系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)(beidou time,簡(jiǎn)稱BDT),GPS系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)(GPS time,簡(jiǎn)稱GPST)的偏移分別為tu1、tu2。衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)接收到第i顆衛(wèi)星的偽距,t時(shí)刻時(shí),試點(diǎn)P到衛(wèi)星s1、s2、s3、s4、…、si的距離為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、…、ρi,通過衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文解譯出衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(xi,yi,zi),i=1,2,3,…,n,則單點(diǎn)定位求解的三維坐標(biāo)的方程為:

    (1)

    式中:x、y、z為三維空間坐標(biāo);c為光速,m/s;δ為接收機(jī)鐘差,雙系統(tǒng)采用4顆衛(wèi)星,接收機(jī)采用雙系統(tǒng)四星定位進(jìn)行定位求解方程如下:

    (2)

    式中:ρi表示BDS衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距;ρj表示GPS衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距,i+j=4。

    (3)

    式中:tBDS表示BDS的系統(tǒng)時(shí)鐘;tGPS表示GPS的系統(tǒng)時(shí)鐘;tR表示接收時(shí)鐘。在采用雙系統(tǒng)四星定位時(shí),聯(lián)立方程(2)、(3),利用最小二乘法求解方程組,獲得接收機(jī)位置的坐標(biāo)。

    2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

    由圖4可見,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在信息傳輸過程中要經(jīng)過1個(gè)或多個(gè)不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)才能完成通信。底層終端設(shè)備上采集的作業(yè)面積、地理位置、工作狀況等信息數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后,通過藍(lán)牙無線通信傳送至智能手機(jī)應(yīng)用終端,再通過手機(jī)的3G或4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將上述信息數(shù)據(jù)上傳至Internet有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),最后被傳送至監(jiān)控中心[12-14]。上述有線網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)融合共同完成視頻和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可靠傳輸。無線數(shù)據(jù)傳輸是雙向的,既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳,又可以下發(fā)控制指令。

    3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.1 農(nóng)機(jī)作業(yè)面積

    主要應(yīng)用GPS/北斗雙模定位接收器采集移動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的地理位置信息,將移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備繞農(nóng)田邊界行駛1周,接收器不斷接收衛(wèi)星的信號(hào),實(shí)時(shí)記錄其經(jīng)、緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù),按照公式(4),將GPS/北斗雙模定位接收器采集的經(jīng)、緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo),然后上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理,利用公式(5)編程計(jì)算多邊形面積,可以得到農(nóng)機(jī)耕作面積。

    (4)

    s=∑yi×(xi+1-xi-1)。

    (5)

    式中:地球半徑(R)取值為6 371 116 m;B為經(jīng)度,°;L為緯度,°;x、y分表示大地坐標(biāo)的橫軸、縱軸;s為多邊形農(nóng)田面積,m2。

    3.2 通信協(xié)議

    本系統(tǒng)應(yīng)用CAN 2.0的OBD-Ⅱ故障診斷接口,包括數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀等4種不同類型的幀[15]。CAN 2.0中主要有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀2種不同的幀格式。前者有11位標(biāo)志符,后者有29位標(biāo)志符。將相應(yīng)傳感器采集的故障診斷參數(shù)應(yīng)用J1939協(xié)議CAN擴(kuò)展幀進(jìn)行傳輸。將19位SPN(service principal name)用來存放標(biāo)示電控單元特殊部件、部件或參數(shù)編號(hào),每個(gè)參數(shù)有確定的狀態(tài)量或者測(cè)量值。狀態(tài)量包括發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和移動(dòng)設(shè)備開啟,測(cè)量數(shù)據(jù)包括拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫度等,系統(tǒng)讀取故障診斷代碼自動(dòng)診斷故障信息,幀格式如表1所示。

    3.3 農(nóng)機(jī)設(shè)備調(diào)度

    基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)是雙向的,除了底層終端能向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)以外,管理人員還可以登入此管理系統(tǒng)讀取獲得的農(nóng)機(jī)分布狀況信息和移動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的故障信息,依據(jù)以上信息調(diào)度農(nóng)機(jī)設(shè)備以及派遣維修人員及時(shí)處理農(nóng)機(jī)故障。

    表1 J1939幀格式

    3.4 農(nóng)機(jī)設(shè)備故障診斷

    用標(biāo)準(zhǔn)的OBD-Ⅱ接口連接移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備和汽車故障診斷儀讀取故障診斷碼,控制中心分析處理后上傳監(jiān)控中心反饋部件故障信息以便及時(shí)維修農(nóng)機(jī)設(shè)備。故障碼由2個(gè)字節(jié)二進(jìn)制數(shù)表示,故障碼是由字母和數(shù)字混合組成的5個(gè)字符,如“P0300”。根據(jù)16位OBD-Ⅱ故障碼可以獲取移動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)、車體、底盤、通信等四大故障。OBD-Ⅱ與移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備控制器之間的通信協(xié)議為CAN 2.0,運(yùn)行有9種故障診斷模式。單片機(jī)控制依據(jù)監(jiān)控傳感器上傳的數(shù)值信息,判斷電控部件和執(zhí)行部件能否正常工作,對(duì)故障解碼后分析處理以判別故障類別和故障部位并轉(zhuǎn)換為文本格式再傳送至監(jiān)控中心。

    3.5 農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控

    農(nóng)田的溫度和濕度對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要的影響,溫度傳感器采用美國進(jìn)口的數(shù)字溫度傳感器18B20,精度高達(dá)±2%,濕度傳感器直接選用土壤溫度傳感器。在耕種的田間中安裝多個(gè)基于ZigBee無線收發(fā)模塊,每個(gè)采集點(diǎn)的溫、濕度信息通過串口與微控制器連接,這就構(gòu)成1個(gè)基于ZigBee無線采集節(jié)點(diǎn),N個(gè)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成1個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)[16]。ZigBee無線傳感器執(zhí)行網(wǎng)路有1個(gè)協(xié)調(diào)器控制與底層終端控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)和傳感器通電后,自動(dòng)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)信息,并把物理地址和監(jiān)控的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器把節(jié)點(diǎn)的地址信息和監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給處理器并存儲(chǔ)起來,最終在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心顯示出來。

    4 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

    4.1 定位精度測(cè)試

    在一塊空曠的農(nóng)田中分別測(cè)試安裝有GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system,簡(jiǎn)稱BDS)、GPS/BDS雙模定位接受器的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備位置信息,5 min內(nèi)采集300個(gè)樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)并將其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。分別計(jì)算這300個(gè)點(diǎn)的平均值、均方差、偏差,以獲取3種定位方式的精度。由表2可知,GPS/北斗雙模定位精度明顯高于GPS和單獨(dú)定位BDS模式,且定位穩(wěn)定性最高,因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇BDS+GPS雙模定位模式。

    表2 3種模型定位精度

    4.2 作業(yè)路徑測(cè)試

    應(yīng)用VC編程控制拖拉機(jī)按照規(guī)定的路徑行駛,預(yù)測(cè)路徑為5 m×30 m的平行線行駛。在平坦農(nóng)田中進(jìn)行試驗(yàn),將本系統(tǒng)安裝在拖拉機(jī)上開啟自動(dòng)導(dǎo)航模式,以10 km/h速度行駛,在監(jiān)控中心繪制移動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)路徑,如圖5所示。測(cè)試試驗(yàn)表明,拖拉機(jī)能按規(guī)定路徑行駛,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掉頭、直線行駛。但是預(yù)測(cè)路徑和實(shí)際行走路徑存在誤差,最大誤差為0.3 m,控制精度還須要進(jìn)一步提高,控制算法須不斷改進(jìn)。

    4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

    將本系統(tǒng)安裝在農(nóng)用拖拉機(jī)上,在重慶市南川區(qū)大觀鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗(yàn),將拖拉機(jī)繞農(nóng)田邊界行駛1周。數(shù)據(jù)采集端實(shí)時(shí)采集農(nóng)機(jī)設(shè)備的地理位置、農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等信息;單片機(jī)控制通過藍(lán)牙將以上信息送至手機(jī)終端,手機(jī)將信息送至Internet網(wǎng)絡(luò),最終送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心;監(jiān)控中心接收到終端采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后將其顯示出來(圖6),作業(yè)面積為3.25 hm2,采集當(dāng)?shù)剞r(nóng)田溫度為 24.5 ℃,土壤濕度為35.0%,拖拉機(jī)行駛速度為50 km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度分別為29.10°、107.50°,誤差為0.05%。實(shí)際作業(yè)面積為3.363 hm2,誤差為3.40%。

    5 結(jié)論

    本研究提出1種基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),以推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)化管理和現(xiàn)代化發(fā)展。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以手機(jī)為中介,無須專門的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),雙向傳輸相關(guān)信息大大降低了應(yīng)用成本。選擇GPS/北斗雙模定位利用四星定位原理,精確獲得農(nóng)機(jī)的地理位置信息。實(shí)現(xiàn)底層終端實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心上傳農(nóng)田環(huán)境、農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、地理位置和作業(yè)面積等信息并自診斷移動(dòng)式農(nóng)機(jī)設(shè)備故障,同時(shí)管理人員登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控中心下發(fā)調(diào)度農(nóng)機(jī)設(shè)備和派遣維修人員的命令。

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