農(nóng)藥噴霧車遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)控作業(yè)研究

藺志鵬

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，農(nóng)藥噴霧車作為重要的工具和設(shè)備，扮演著至關(guān)重要的角色。針對(duì)我國(guó)果樹(shù)大面積種植現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴霧車工作模式存在效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、藥劑浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益來(lái)說(shuō)非常不利，因此研究如何提高農(nóng)藥噴霧車的工作效率和質(zhì)量具有重要意義?；谖覈?guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)況，大面積規(guī)模化農(nóng)田占有率不斷上升[1]，亟需智能化農(nóng)業(yè)裝備來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械的不足之處，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的高效管理[2]。姜帆等利用RTK-GNSS 車載定位模塊、Cortex A7 系列控制器實(shí)現(xiàn)了水田插秧機(jī)自動(dòng)駕駛的功能[3]；丁凡以拖拉機(jī)為研究對(duì)象，研究了其自動(dòng)駕駛作業(yè)的轉(zhuǎn)場(chǎng)和路徑規(guī)劃技術(shù)，提出了通用的路徑規(guī)劃方法[4]。以上研究可借鑒應(yīng)用于智能農(nóng)藥噴霧車數(shù)字化作業(yè)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)以STM32 和云平臺(tái)服務(wù)器為核心，功能包括車輛作業(yè)位置信息采集、行駛軌跡的控制、車輛行駛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、作業(yè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)的后臺(tái)管理和對(duì)作業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴霧車車載智能硬件設(shè)備與后端服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換通信，為后期農(nóng)業(yè)裝備數(shù)字化、智能化提供參考依據(jù)，提高農(nóng)業(yè)作業(yè)生產(chǎn)效率。

1 總體智能監(jiān)控系統(tǒng)框架

農(nóng)藥噴霧車數(shù)字化智能監(jiān)控系統(tǒng)由車載作業(yè)數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備和后端網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)組成，農(nóng)藥噴霧車上的GPS 位置信息采集器和傳感器可實(shí)現(xiàn)在田間行駛時(shí)路徑的自動(dòng)規(guī)劃調(diào)節(jié)和作業(yè)過(guò)程中農(nóng)藥噴霧車剩余藥量、作業(yè)面積、風(fēng)速、行駛視頻等作業(yè)數(shù)據(jù)的采集，4G 插卡路由器為數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，后臺(tái)服務(wù)器管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)或者App 端對(duì)農(nóng)藥噴霧車的作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。農(nóng)藥噴霧車智能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)藥噴霧車智能監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 車載智能硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

為采集RS232 總線、RS485 總線、CAN 總線、數(shù)字信號(hào)等多種數(shù)據(jù)，筆者基于STM32F407 芯片設(shè)計(jì)了3 種串行數(shù)據(jù)接口和若干開(kāi)關(guān)量控制接口。車載智能硬件由STM32F407 微處理器、ESP8266WiFi 模塊、定位設(shè)備、繼電器、傳感器、伺服電動(dòng)缸、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、4G 插卡路由器組成，車載硬件設(shè)備如圖2所示。

圖2 車載硬件設(shè)備

作業(yè)位置信息監(jiān)控和行駛軌跡控制采用GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）技術(shù)，車頂安裝兩套GPS 定位天線，且兩個(gè)天線的位置處于車輛的豎直中心線上，GPS 接收器設(shè)置為高精度RTK 定位，固定解輸出，輸出NMEA 報(bào)文采用$AGRICA 數(shù)據(jù)格式，該報(bào)文包含車輛行駛的經(jīng)緯度、速率、航向角等數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器反饋給處理器的車輛方向控制數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 發(fā)送，由伺服電動(dòng)缸的伸縮動(dòng)作控制車輛的行駛方向；車輛的啟停、倒退、速度擋位通過(guò)I/O 控制繼電器的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，共同配合控制車輛在農(nóng)田的軌跡行駛[5]。

作業(yè)過(guò)程中的農(nóng)藥剩余量、作業(yè)環(huán)境風(fēng)速、農(nóng)藥噴灑器設(shè)備的開(kāi)關(guān)和噴灑流量大小的檢測(cè)通過(guò)RS485 通信和I/O 口數(shù)字開(kāi)關(guān)量來(lái)完成，微處理器對(duì)RS485 通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為農(nóng)藥剩余體積、風(fēng)速數(shù)據(jù)信息；后臺(tái)遠(yuǎn)程操控微處理器來(lái)控制農(nóng)藥噴灑開(kāi)關(guān)和噴灑流量大小的開(kāi)關(guān)[6]。

車載智能硬件設(shè)備中STM32F407 芯片的串口端口PA9(Tx)、PA10(Rx)與ESP8266WiFi 模塊的串口Tx、Rx 相連接，4G 插卡路由器為數(shù)據(jù)采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)攝像頭提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，后端平臺(tái)可遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)藥噴霧車的周圍作業(yè)環(huán)境。車載智能數(shù)據(jù)處理設(shè)備如圖3所示。

圖3 車載智能數(shù)據(jù)處理設(shè)備

3 智能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字化協(xié)同系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由車載智能設(shè)備STM32F407 微控制器程序和后端服務(wù)器軟件平臺(tái)兩部分構(gòu)成。

STM32F407 微控制器程序主要調(diào)用內(nèi)部的寄存器，有串口UART、CAN、GOIO、定時(shí)器TIMx、中斷EXTI、DMA 傳輸?shù)燃拇嫫鳌S232、RS485、UART、WiFi 模塊通信的波特率統(tǒng)一設(shè)置為115 200，初始化串口發(fā)送和接收中斷觸發(fā)功能，數(shù)據(jù)流采用DMA 傳輸（直接存儲(chǔ)區(qū)訪問(wèn)），不依賴于CPU 的控制獨(dú)立完成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外部寄存器和存儲(chǔ)器之間的高速傳輸[7]。發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)在微控制器中打包成Http 數(shù)據(jù)協(xié)議格式，由WiFi 模塊發(fā)送至服務(wù)器后端，同樣服務(wù)器反饋給微控制器的數(shù)據(jù)以同樣數(shù)據(jù)協(xié)議格式進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)經(jīng)解析發(fā)送至串口發(fā)送寄存器和I/O 寄存器[8]。微控制器程序框架如圖4所示。

圖4 微控制器程序框架

后端服務(wù)器平臺(tái)搭建框架如圖5 所示。智能系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)在阿里云服務(wù)器平臺(tái)，功能包括農(nóng)藥噴霧車的車輛管理、農(nóng)田作業(yè)面積管理、農(nóng)藥噴霧車速度控制、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、農(nóng)藥剩余量監(jiān)控、多車輛作業(yè)協(xié)同管理、軌跡規(guī)劃等。智能系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)，采用MVC 分層模式實(shí)現(xiàn)多車輛協(xié)同工作以及農(nóng)藥噴灑在線監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在MVC 支撐的分層模式下，結(jié)合路面壓實(shí)質(zhì)量后臺(tái)管理的功能需求，按照自上往下的邏輯可以劃分為四層：表現(xiàn)層、控制層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層[9]。其中，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛作業(yè)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查；業(yè)務(wù)邏輯層主要是對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，包括車輛行駛軌跡規(guī)劃算法、作業(yè)面積計(jì)算算法、后端操作邏輯處理等；控制層主要是獲取當(dāng)前的動(dòng)態(tài)操作、根據(jù)邏輯解析用戶操作、執(zhí)行操作并返回結(jié)果、調(diào)取作業(yè)視頻；表現(xiàn)層通過(guò)手機(jī)App 和Web 端實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴霧車機(jī)械協(xié)同作業(yè)信息監(jiān)控和控制指令的輸入。后端管理系統(tǒng)通過(guò)配置服務(wù)器通信所需的公網(wǎng)IP 和端口號(hào)，車載智能硬件設(shè)備采用TCP/IP 協(xié)議訪問(wèn)該服務(wù)器IP地址，最終數(shù)據(jù)進(jìn)入到服務(wù)器進(jìn)行解析[10]。

圖5 后端服務(wù)器平臺(tái)架構(gòu)

4 結(jié)論

農(nóng)藥噴霧車多車輛作業(yè)數(shù)字化智能監(jiān)控系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)、后端服務(wù)器為設(shè)計(jì)核心，數(shù)據(jù)采集部分采用GPS 設(shè)備、風(fēng)速傳感器、液位傳感器，作業(yè)視頻監(jiān)控采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭，對(duì)車的行駛控制采用伺服電動(dòng)缸和繼電器，數(shù)據(jù)傳輸部分采用ESP8266WiFi 模塊和4G 插卡路由器，后端服務(wù)器利用阿里云服務(wù)器，采用B/S 架構(gòu)和SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理并實(shí)時(shí)控制農(nóng)藥噴霧車的行駛和作業(yè)狀態(tài)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)成本較低，可實(shí)現(xiàn)多輛農(nóng)藥噴霧車在田間作業(yè)的實(shí)時(shí)可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了農(nóng)作效率，為智能化農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)提供了依據(jù)。