北斗導(dǎo)航在農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

程廣河，周勝國，郝慧娟，郝鳳琦，孟慶龍，尹亞南

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省計(jì)算中心（國家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心）山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械耕種在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是至關(guān)重要的。普通的人工耕種需要大量勞動(dòng)力，造成經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本的浪費(fèi)，而且耕種上還存在一定的人為誤差；在半自動(dòng)化耕種中，特別是播種時(shí)，播種間距、播種數(shù)量不好把控，致使長出的秧苗間距、秧苗密度不均勻，還需要人為進(jìn)行干預(yù)調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)高效、便捷、準(zhǔn)確的精耕細(xì)作，降低勞動(dòng)力成本、時(shí)間成本，實(shí)時(shí)地監(jiān)控工作過程，需要設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)化的農(nóng)機(jī)耕種系統(tǒng)和農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，此系統(tǒng)中，比較重要的就是需要一種移動(dòng)終端和農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信、相對(duì)穩(wěn)定的通信方式，一種精度相對(duì)較高的定位方法。本系統(tǒng)基于以上原因，采用卡爾曼濾波算法和H_∞濾波算法相結(jié)合，對(duì)農(nóng)機(jī)終端實(shí)現(xiàn)更精確的定位；采用JT/T808 協(xié)議使農(nóng)機(jī)終端與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過比較不同的通信方式，最終使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化、更可靠。

1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由信息采集終端、農(nóng)機(jī)定位控制器、農(nóng)機(jī)終端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成，其中，農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。一方面，北斗衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)在農(nóng)機(jī)定位控制器中進(jìn)行卡爾曼濾波和H_∞濾波處理，基于JT/T808 協(xié)議，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)；另一方面，農(nóng)機(jī)終端邏輯控制器S7?200 SMART 對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行邏輯控制，將農(nóng)機(jī)反饋的信息通過RS 485 串口經(jīng)GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，這樣兩個(gè)處理器分工合作，各自完成自身擅長的工作。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收到兩個(gè)終端傳來的信息，對(duì)信息集中處理、顯示、反饋，為用戶提供更加全面的信息展示，用戶能更精確、實(shí)時(shí)地監(jiān)控農(nóng)機(jī)終端的運(yùn)行。

圖1 農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)以播種機(jī)農(nóng)機(jī)終端為例進(jìn)行研究。

在系統(tǒng)中，需要進(jìn)行研究的第一個(gè)是將卡爾曼濾波和H_∞濾波處理的北斗定位數(shù)據(jù)應(yīng)用到農(nóng)機(jī)移動(dòng)終端，使其更精確、更平滑、更可靠，使定位數(shù)據(jù)更趨近于實(shí)際運(yùn)行軌跡[1]。第二個(gè)是采用我國交通運(yùn)輸部2013年1 月發(fā)布的《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范》（下文簡稱“JT/T808 協(xié)議—2013”）[2?3]，該通訊協(xié)議有別于美國GSP 通訊的北斗定位通訊協(xié)議，是具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的協(xié)議，這有利于保障技術(shù)的創(chuàng)新和獨(dú)立，不受限于外國技術(shù)，保障信息安全?；诒緟f(xié)議，農(nóng)機(jī)終端的注冊(cè)、鑒權(quán)、位置上報(bào)和通信應(yīng)答等報(bào)文都可由農(nóng)機(jī)定位控制器拼裝處理，然后與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信。第三個(gè)是農(nóng)機(jī)終端報(bào)文上傳到服務(wù)器采用的通信方式。其中設(shè)計(jì)了兩種通信方式：第一種方式是采用農(nóng)機(jī)終端的以太網(wǎng)通信端口TCP+HINET 智能網(wǎng)關(guān)的通信方式；第二種方式是采用農(nóng)機(jī)終端的串口通信端口RS 485+USR?GPRS DTU。這兩種方式都有其各自的特點(diǎn)，在不同的情況根據(jù)工程需要選擇合適的方式。

下面針對(duì)這三個(gè)研究點(diǎn)分開進(jìn)行論述。

2 采用卡爾曼濾波和H_∞濾波算法的北斗偽距單點(diǎn)定位

北斗導(dǎo)航的工作原理如圖2 所示。北斗衛(wèi)星接收機(jī)農(nóng)機(jī)終端接收導(dǎo)航和觀測(cè)文件，然后進(jìn)行坐標(biāo)時(shí)間的轉(zhuǎn)換，計(jì)算校正衛(wèi)星位置，然后進(jìn)行濾波得到精確的定位位置的經(jīng)緯、高程、速度[4]。

圖2 北斗導(dǎo)航工作原理圖

2.1 北斗偽距單點(diǎn)定位[5]

偽距測(cè)量基本思路：

式中ρ為衛(wèi)星到觀測(cè)站的幾何距離。

相關(guān)系數(shù)如下：

式中：τ為延遲時(shí)間；Δt為衛(wèi)星發(fā)送測(cè)距碼到接收機(jī)的時(shí)間；u為測(cè)距碼；u′為復(fù)制碼；ΔT為測(cè)距碼周期。

根據(jù)偽距單點(diǎn)定位原理，則偽距觀測(cè)方程為：

式中：P為偽距觀測(cè)值 ；，ρ為衛(wèi)星與接收機(jī)之間的實(shí)際距離；c 為光速；dtr為接收機(jī)鐘差；dts為衛(wèi)星鐘差。

衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間有時(shí)差，而且信號(hào)不是完全在真空中傳播，所以存在大氣傳播延遲[6]。因此，北斗偽距單點(diǎn)定位觀測(cè)方程精確如下：

式中：I為電離層延遲改正；T為對(duì)流層延遲改正；ε是偽

距的觀測(cè)噪聲和各路徑延遲的影響。線性化后式（4）為：式中：ρ0為測(cè)站到衛(wèi)星的距離初值；(dX,dY,dZ)為測(cè)站坐標(biāo)的修正數(shù)，即接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度之差。

利用偽距觀測(cè)方程進(jìn)行卡爾曼濾波，即可求出測(cè)站坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差。

2.2 卡爾曼濾波

濾波技術(shù)最主要的是將噪聲、干擾去除，得到真實(shí)有效數(shù)據(jù)加以處理應(yīng)用?？柭鼮V波是通過將觀測(cè)數(shù)據(jù)處理得到方差，利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程得到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)。

卡爾曼濾波技術(shù)可以運(yùn)用到GPS 的位置定位、速度和時(shí)間計(jì)算中，在北斗偽距單點(diǎn)定位中也可以使用該技術(shù)[7]。假設(shè)接收機(jī)（農(nóng)機(jī)）低速運(yùn)動(dòng)（農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)適用于該條件），所以農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)可按照常速模型表示為式（8），即歷元間接收機(jī)速度不變。

式中：k為歷元號(hào)；X表示接收機(jī)狀態(tài)向量；Φ表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；W為過程噪聲向量。

運(yùn)動(dòng)模型表達(dá)式為：

式中：T為采樣時(shí)間間隔；x=分別表示接收機(jī)的位置和速度分量；δt和δt′分別為接收機(jī)鐘差和頻漂；I表示3×3 單位陣。

根據(jù)偽距單點(diǎn)定位原理和多普勒的觀測(cè)方程，則：

式中：Z=為觀測(cè)向量，P和D為偽距和多普勒觀測(cè)值，λ為載波相位的波長；H=為觀測(cè)向量與狀態(tài)向量的關(guān)系矩陣；v表示接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程和觀測(cè)方程就可以組成卡爾曼濾波系統(tǒng)，進(jìn)而能推出各個(gè)時(shí)間的狀態(tài)向量和協(xié)方差矩陣[8]。其中：

2.3 H_∞濾波算法

農(nóng)機(jī)播種定位精度要求相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用卡爾曼濾波處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，由于加速度等干擾因素的影響，造成觀測(cè)值和真實(shí)值之間誤差較大，因而為了在實(shí)際應(yīng)用中減小模型誤差和觀測(cè)誤差，采用H_∞濾波算法處理北斗定位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這樣不但易于理解、實(shí)現(xiàn)，還大大減小了計(jì)算量[9]。

農(nóng)機(jī)系統(tǒng)中只加入卡爾曼濾波處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，速度假設(shè)為低速勻速運(yùn)動(dòng)，方便動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比。因此加入H_∞濾波算法后，卡爾曼濾波算法中的速度變量變?yōu)?，其他處理方法不變，這里就不多做贅述[9]。

北斗定位動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：

式中：Xk為系統(tǒng)狀態(tài)n維狀態(tài)向量；Yk為m維系統(tǒng)觀測(cè)向量；W k為p維系統(tǒng)噪聲向量；Vk為m維系統(tǒng)觀測(cè)噪聲向量；Φ k為n×n維系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Hk為m×n維觀測(cè)噪聲序列；Γ k為n×p維系統(tǒng)噪聲矩陣；Lk∈Rq×n，為給定的矩陣。

為了更接近真實(shí)狀態(tài)，北斗觀測(cè)信號(hào)設(shè)定為能量有限信號(hào)，不需要對(duì)干擾的特性做假設(shè)。

假設(shè)采樣時(shí)間間隔為T，濾波器中L=H，進(jìn)行離散化處理建立各離散濾波方程。

濾波后預(yù)測(cè)狀態(tài)方程為：

3 JT/T808—2013 協(xié)議和通信方式

道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端通訊協(xié)議技術(shù)規(guī)范（簡稱：JT/T808—2013 協(xié)議）規(guī)定了農(nóng)機(jī)車載定位終端與農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，包括協(xié)議基礎(chǔ)、通信連接、消息處理、協(xié)議分類與說明及數(shù)據(jù)格式[10]。

農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)主要依托本協(xié)議，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)車載終端和農(nóng)機(jī)管理云平臺(tái)之間的通信。農(nóng)機(jī)車載終端選用西門子S7?200 SMATR PLC，通過PLC 編程一方面實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的邏輯控制，另一方面，將衛(wèi)星終端傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)?；贘T/T808—2013 協(xié)議，利用西門子S7?200 SMATR PLC 編程，主要實(shí)現(xiàn)注冊(cè)、鑒權(quán)、位置上報(bào)等報(bào)文[11]。

圖3 為通過各個(gè)終端傳輸后在服務(wù)器中顯示的鑒權(quán)、位置等信息，而且實(shí)現(xiàn)了云平臺(tái)對(duì)農(nóng)機(jī)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖4 為農(nóng)機(jī)管理云平臺(tái)對(duì)農(nóng)機(jī)監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中鑒權(quán)、位置信息接收

圖4 農(nóng)機(jī)管理云平臺(tái)主界面

選定通信協(xié)議后，下面就是通信方式的問題。農(nóng)機(jī)終端S7?200 SMART PLC 與農(nóng)機(jī)管理云平臺(tái)之間有兩種通信方式，分別是RS 485 串口通信方式和TCP 通信方式[12]。其中，串口通信方式的RS 485 接口需要配合連接USR?GPRS DTU 模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；TCP 通信方式網(wǎng)絡(luò)傳輸部分選用HINET 智能網(wǎng)關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)分析，RS 485 串口通信方式比TCP 通信方式結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)效性強(qiáng)、延時(shí)更小，而且串口通信方式成本更低，所以綜合分析選取串口通信方式。

4 工程測(cè)試

本研究依托山東省計(jì)算中心山東省農(nóng)機(jī)管理云平臺(tái)在濟(jì)寧市兗州區(qū)大安鎮(zhèn)小王莊村進(jìn)行定位信息測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用山東省計(jì)算中心自主研發(fā)的山科智能SK2810NJ 農(nóng)機(jī)控制器。經(jīng)過測(cè)試，H_∞濾波算法和卡爾曼濾波算法相結(jié)合，使定位精度更加準(zhǔn)確，達(dá)到了播種、深耕和收獲的要求[13]。圖5 為農(nóng)機(jī)工作時(shí)，工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)的軌跡圖。

圖5 濟(jì)寧市兗州區(qū)大安鎮(zhèn)小王莊村農(nóng)機(jī)定位軌跡圖

在只使用卡爾曼濾波算法或者最小二乘法處理北斗數(shù)據(jù)時(shí)，將農(nóng)機(jī)定位控制器的測(cè)算結(jié)果與精確坐標(biāo)對(duì)比計(jì)算均方根誤差（RMSE），靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)比結(jié)果如表1，表2 所示。

表1 靜態(tài)定位RMSE 精度

表2 動(dòng)態(tài)定位RMSE 精度（一）

從表中可以看出，卡爾曼濾波算法相對(duì)于最小二乘法偽距單點(diǎn)定位的定位性能有提高，在平面方向上，靜態(tài)定位提高45%，動(dòng)態(tài)定位提高17%；高程上，靜態(tài)定位提高19%，動(dòng)態(tài)定位提高16%?？偟膩碚f，靜態(tài)數(shù)據(jù)表現(xiàn)較好，不過農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)是運(yùn)動(dòng)的，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的精確度、可靠性需要進(jìn)一步提高。

因此，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)方面，將H_∞濾波算法和卡爾曼濾波算法相結(jié)合之后的定位結(jié)果和已知的精確坐標(biāo)進(jìn)行處理計(jì)算，得到均方根誤差（RMSE），并與單純采用卡爾曼濾波進(jìn)行比較，結(jié)果如表3 所示。

表3 動(dòng)態(tài)定位RMSE 精度（二）

從表3 中可以看出，在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方面，卡爾曼+H_∞濾波算法相對(duì)于只使用卡爾曼濾波算法的定位性能有提高，在平面方向上動(dòng)態(tài)定位提高25%；高程上動(dòng)態(tài)定位提高16%?？偟膩碚f，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表現(xiàn)很好，定位可靠，之后可以進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高定位性能。

5 結(jié)論

本研究內(nèi)容建立在農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，將信息采集、處理、傳輸相互協(xié)調(diào)融合，使整個(gè)系統(tǒng)相互兼容，通過調(diào)試達(dá)到最優(yōu)。由于農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)客觀環(huán)境因素較多，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的精度要求比較高，特別是在精確播種方面，更是對(duì)北斗定位的要求比較高。利用卡爾曼濾波算法和H_∞濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)到了精確播種的目的，不過在實(shí)際工程應(yīng)用中，北斗信號(hào)會(huì)受到建筑物和高大樹木等物體的遮擋，影響信號(hào)的傳輸而引起位置漂移，現(xiàn)初步根據(jù)位置、速度、時(shí)間進(jìn)行簡單的預(yù)測(cè)，在之后的研究中應(yīng)找到更好的處理方法。同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)終端與農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定通信，達(dá)到精耕細(xì)種，甚至對(duì)每一粒種子實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)控，更精確實(shí)現(xiàn)選培育良種，這是以后農(nóng)機(jī)播種技術(shù)需要發(fā)展的方向。