基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機應急調度系統(tǒng)研究

張小花，葉文超，陳宗樂，梁健權，廖東東

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院自動化學院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】隨著農(nóng)業(yè)機械化的深入發(fā)展，農(nóng)機規(guī)模作業(yè)和跨區(qū)域作業(yè)已成為趨勢，農(nóng)機現(xiàn)有作業(yè)模式面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，農(nóng)機作業(yè)呈現(xiàn)出信息發(fā)布滯后、作業(yè)效率低等問題，同時又缺乏有效的調度策略，造成農(nóng)機資源配置不合理，制約了農(nóng)機作業(yè)的健康發(fā)展。只有創(chuàng)建一個合適的調度平臺，才能讓各個相關部門與農(nóng)機主對農(nóng)田與農(nóng)機的信息采集和干預，對農(nóng)田與農(nóng)業(yè)信息進行程序化管理?！厩叭搜芯窟M展】物聯(lián)網(wǎng)是新時代人們面臨的又一個發(fā)展機遇，然而如何將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到智能農(nóng)業(yè)中發(fā)揮其積極作用，對于推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革和服務于農(nóng)業(yè)信息化顯得至關重要［1-4］。地理信息系統(tǒng)技術（GIS）、無線通信技術和全球定位系統(tǒng)（GPS）技術的發(fā)展為解決農(nóng)機跨區(qū)作業(yè)和應急調度的決策支持提供了有效的支持［5-9］。李洪等［5］采用GPS、GSM技術以短信息的方式實現(xiàn)對農(nóng)場農(nóng)機合理調度并開發(fā)了基于GIS、GPRS（通用分組無線業(yè)務）和GPS的農(nóng)機監(jiān)控調度系統(tǒng)。也有學者以3S技術為基礎建立農(nóng)機調度管理系統(tǒng)，以農(nóng)機車輛監(jiān)控系統(tǒng)的各項核心技術為主線，詳細論述GPS/GSM/GIS集成車輛監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的基本原理和實現(xiàn)方法，著重實現(xiàn)農(nóng)機的物聯(lián)網(wǎng)化［8］。國外物聯(lián)網(wǎng)技術在精準農(nóng)業(yè)上已經(jīng)廣泛應用。AF?RDITA［10］使用 GIS和 GPS技術對農(nóng)機作業(yè)實時記錄，能夠對農(nóng)機作業(yè)進行調度導航和信息化管理，提高了作業(yè)效率和作業(yè)質量?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究雖然在農(nóng)機作業(yè)過程起到了重要指導作用，實現(xiàn)了農(nóng)機監(jiān)控，提高了作業(yè)效率，但由于這些系統(tǒng)在實際作業(yè)中局限于操作者和管理人員的經(jīng)驗，缺乏有效的輔助決策系統(tǒng)支撐，限制了農(nóng)機科學監(jiān)控調度的能力。在農(nóng)機調度算法方面，目前研究集中在蟻群算法、大數(shù)據(jù)計算模型、緊急調配模型、時間窗模型等，這些模型都比較復雜，很難在實際系統(tǒng)中應用［11-15］。Android 平臺具有顯著的開放性及自由的開發(fā)環(huán)境而被廣泛應用，有相關學者開發(fā)了功能豐富、實用便捷的調度平臺［16-20］。這些平臺界面簡單，且車載端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與手機終端動態(tài)交互能力差?！緮M解決的關鍵問題】本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建農(nóng)機應急調度決策支持系統(tǒng)平臺，建立基于最短路徑調度模型，并應用Android平臺設計該調度系統(tǒng)的APP，實現(xiàn)該調度決策的實時化、遠程化、可視化及理論和實際相統(tǒng)一。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)機應急調度系統(tǒng)的總體架構

本研究構建基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機應急調度系統(tǒng)包括基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控平臺及基于最短路徑的應急調度模型。首先基于GPS/GPRS/GIS收集農(nóng)機農(nóng)田的信息并發(fā)送到監(jiān)控平臺，建立監(jiān)控中心的靜態(tài)和動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫。利用應急調度模型建立相應的應急調度模型及調度規(guī)則，在此基礎上，應急調度系統(tǒng)的人機界面能夠得到動態(tài)調度指令及實時運行結果。其總體架構如圖1所示。

建立基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控平臺，需通過GIS、GPS、GPRS相結合實現(xiàn)農(nóng)機的信息化。從而實時建立農(nóng)田信息、農(nóng)機的狀態(tài)信息、維修點信息、加油站信息等信息系統(tǒng)，以客觀、實時、準確地反映農(nóng)機作業(yè)信息。在應急情況下，管理人員可以隨時掌握農(nóng)業(yè)機具作業(yè)情況進行調度。根據(jù)GPS確定農(nóng)機、農(nóng)田的位置等信息，并通過GRPS網(wǎng)絡輸出數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心服務器，建立相應的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)GIS地理信息系統(tǒng)，建立農(nóng)田的地圖信息數(shù)據(jù)庫?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)機監(jiān)控平臺的網(wǎng)絡拓撲圖如圖2所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機應急調度決策支持系統(tǒng)平臺Fig.1 Agricultural machinery emergency scheduling decision support system platform based on Internet of Things

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)機監(jiān)控平臺網(wǎng)絡拓撲圖Fig.2 Network topology diagram of agricultural machinery monitoring platform based on Internet of Things

1.2 基于最短路徑的應急調度算法

本研究選取農(nóng)機調度的規(guī)則是路徑最短，所謂路徑最短是指從當前每臺可用農(nóng)機到每塊待作業(yè)農(nóng)田間的實際距離中最短的一個稱為最短路徑。實際距離是根據(jù)農(nóng)機和農(nóng)田經(jīng)緯度信息調用高德地圖接口計算得到的距離。假定空閑農(nóng)機的位置用Vm表示，農(nóng)田作業(yè)點用Vf表示。假定在某個區(qū)域內(nèi)，存在G=(V, D)，V=(Vm, Vf)。其中，D表示農(nóng)機點與農(nóng)田作業(yè)點之間的連線，C表示單位時間農(nóng)機的調度成本。其以最小化總成本為調度目標，建立調度模型如下：

該算法的核心是基于最短路徑原則搜索距離最短的一對農(nóng)機和農(nóng)田，進行調度分配直到所有農(nóng)田均被完成，或所有農(nóng)機被分配完為止，并按式（1）計算調度成本。其算法流程如圖3所示。

1.3 硬件實現(xiàn)

在前述基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺及應急調度算法基礎上，開發(fā)出一套基于Android的手機客戶端的農(nóng)機應急調度系統(tǒng)平臺。其主要硬件模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊及GPS定位模塊。

MZH001 GSM/GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊是上海移遠科技公司用于調試應用 GSM/GPRS模塊MC20功能而專門設計一套開發(fā)系統(tǒng)。開發(fā)板以 STM32單片機微處理器（型號：STM32F103C8T6）為核心，以 MC20 GPRS 模塊為通訊渠道，并引出了STM32 單片機的大部分IO口資源［21］。其系統(tǒng)框圖見圖4。

GPS模塊選用的MC20是一款超小尺寸GSM/GPRS0+GNSS 模塊。本設計采用GPS有源天線的設計方法，更加適合客戶進行使用。模塊在有GPRS 網(wǎng)絡情況下，支持AGPS 輔助功能，加速GPS 定位。MZH001內(nèi)嵌TCP/UDP/HTTP/FTP/PPP協(xié)議，支持數(shù)據(jù)透明傳輸，使無線終端與服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸變得極其簡單。

2 結果與分析

2.1 基于JAVA的軟件界面

圖3 基于最短路徑的農(nóng)機應急調度算法流程Fig.3 Flowchart for agricultural machinery emergency scheduling algorithm based on shortest path

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)框Fig.4 Data acquisition module system block diagram

根據(jù)農(nóng)機上安裝的基于stm32單片機GPS模塊定位系統(tǒng)進行定位功能，應用JAVA語言調用百度地圖開源的Android 版地圖API，開發(fā)了基于Andriod的農(nóng)機主及農(nóng)田主客戶端程序。需要查詢農(nóng)機位置時，首先打開監(jiān)控開關，然后點擊右上方的汽車按鈕選擇農(nóng)機，農(nóng)機的位置就會顯示在地圖中（圖5）。該定位系統(tǒng)將位置信息通過GPRS傳送到服務器寫入數(shù)據(jù)庫，地圖界面將根據(jù)農(nóng)機數(shù)據(jù)庫信息顯示農(nóng)機的位置。圖中帶箭頭小圓點為當前位置，小雨滴形狀標記為附近農(nóng)機位置，該功能能提供實時連續(xù)的車輛位置信息。

圖5 實時顯示的農(nóng)機位置Fig.5 Real-time display of agricultural machinery location

在定位功能基礎上,調度決策系統(tǒng)做出最佳決策，在地圖上提供路徑引導是幫助用戶沿預定路線行駛，從而順利到達目的地的過程，其根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫中的道路信息和由定位模塊及地圖匹配模塊提供的當前農(nóng)機位置產(chǎn)生最佳導航路線（圖6）。

圖6 調度結果及路徑Fig.6 Scheduling results and path planning

2.2 系統(tǒng)測試應用分析

本研究選取10個分布在廣州市不同區(qū)域的農(nóng)田地塊及11臺不同類型分布在廣州市內(nèi)外的不同農(nóng)機來進行模擬實驗。通過GPS能夠實時檢查農(nóng)機的位置，同時通過農(nóng)田主導入的農(nóng)田信息獲取農(nóng)田位置。其運行時間實驗數(shù)據(jù)及調度成本數(shù)據(jù)分別為圖7、圖8所示。根據(jù)圖7和圖8的數(shù)據(jù)，分別計算其平均運行時間與平均調度成本，得出最短路徑應急調度法的平均調度時間為0.946 s，平均調度成本為1 238.9元。文獻［22］中基于啟發(fā)式搜索的調度算法，其平均運行時間為0.946 s，平均調度成本為1 562.1元。

圖7 兩種方法運行時間數(shù)據(jù)Fig.7 Running time data of two methods

圖8 兩種方法調度成本數(shù)據(jù)Fig.8 Scheduling cost data of two methods

3 討論

從以上分析可以看出，基于最短路徑法與基于啟發(fā)式規(guī)則的應急調度方法兩者在平均運行時間上幾乎相同，平均運行時間減少率僅為1.624%。在平均調度成本上，基于最短路徑法的平均調度成本減少26.08%，可以有效降低調度成本。該方法考慮的是點到點之間的最短路徑，并沒有考慮其時間窗的問題。

本研究僅考慮一次分配情況。按照該方法，農(nóng)機在分配完成后，可能導致由于農(nóng)機數(shù)少于所需的農(nóng)田數(shù)，有的農(nóng)田第一次并沒有分配到農(nóng)機，而實際上參與分配的農(nóng)田地塊較小，農(nóng)機在完成作業(yè)后還可以繼續(xù)在未分配完成的農(nóng)田工作。

4 結論

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)構建了農(nóng)機應急調度決策支持系統(tǒng)，通過GPS對農(nóng)機進行定位，通過GPRS對農(nóng)機的位置及其他傳感器信息進行信息傳輸。

（2）建立基于最短路徑的調度模型，并選取10個樣本進行實驗分析， 經(jīng)過與基于啟發(fā)式模型方法進行性能比較，得出其在平均調度成本上比其減少26%，但是兩者的平均調度時間幾乎相同，接近1 s。

（3）應用JAVA技術開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的手機客戶端APP，實現(xiàn)農(nóng)機的跨區(qū)調度、農(nóng)機農(nóng)田相關數(shù)據(jù)庫的建立、使農(nóng)業(yè)的機械化和產(chǎn)業(yè)化將成為必然。其建立對引導農(nóng)機作業(yè)向自動化、智能化、信息化發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。