智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)開發(fā)

陳 圣

（長江大學(xué)文理學(xué)院，湖北 荊州 434020）

我國國土面積寬廣，人口眾多，是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國。但是我國人均可用耕地面積并不多，這意味著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面對(duì)著人多地少的情況，既要保證農(nóng)業(yè)發(fā)展，又要充分利用現(xiàn)有資源，成為我國農(nóng)業(yè)相關(guān)從業(yè)人員的主要任務(wù)。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)耕作正在由機(jī)械化向智能化發(fā)展。2021年中央一號(hào)文件已經(jīng)提到了智能農(nóng)業(yè)的概念，通過利用現(xiàn)代的各種新興信息技術(shù)，包括傳感器、無線通信、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的信息智能化，提高作業(yè)效率。人們將農(nóng)業(yè)設(shè)備作為輔助農(nóng)業(yè)操作的工具，用來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，這是當(dāng)代農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的必由之路。農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化是智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分，也是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的典型產(chǎn)物主要包括無人機(jī)和智能農(nóng)機(jī)，前者主要用于精準(zhǔn)操作農(nóng)藥噴灑，后者主要在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)上安裝智能定位、計(jì)算機(jī)等智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動(dòng)化[1-2]。

由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的局限性比較大，可操作性也較小，同時(shí)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為完善，因此，智能農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展受到了相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

如圖1所示，2018年10月，在武漢舉辦的全國農(nóng)業(yè)機(jī)械展覽會(huì)上，有關(guān)機(jī)構(gòu)展出了國內(nèi)第一臺(tái)全自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)的樣板機(jī)：超級(jí)拖拉機(jī)一號(hào)。其來自河南省省級(jí)智能農(nóng)機(jī)創(chuàng)新研究中心，該機(jī)構(gòu)是河南省首個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新中心，有著許多國內(nèi)都先進(jìn)的創(chuàng)新資源和技術(shù)。

圖1 超級(jí)拖拉機(jī)

就該智能農(nóng)機(jī)的智能性而言，它采用了先進(jìn)的無駕駛室設(shè)計(jì)，核心技術(shù)由無人駕駛、智能控制、動(dòng)力鋰電池以及智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)等幾大部分構(gòu)成。該設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用，為中國智能農(nóng)機(jī)創(chuàng)新向世界先進(jìn)水平邁進(jìn)提供了重要?jiǎng)恿Α?/p>

我國國內(nèi)的智能農(nóng)業(yè)裝備目前重點(diǎn)在監(jiān)控終端進(jìn)行研究發(fā)展，這一點(diǎn)與國外不同的是，國內(nèi)的農(nóng)機(jī)一般裝備配套的終端工具。如司南公司農(nóng)機(jī)智能終端用于衛(wèi)星導(dǎo)航自動(dòng)駕駛，是集智能交互界面、智能數(shù)據(jù)分析顯示、自動(dòng)模式調(diào)整等功能于一體的綜合性農(nóng)機(jī)智能系統(tǒng)。中海達(dá)公司的農(nóng)機(jī)智能系統(tǒng)使用的是一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)置北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用其Smart Heading等多項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)駕駛數(shù)據(jù)的顯示和農(nóng)機(jī)駕駛的操控。除此之外，國內(nèi)還有很多研究智能監(jiān)控終端的公司，如長沙碩博電子、貴州永青電子、北京博創(chuàng)聯(lián)動(dòng)、上海宏英科技等公司，幾個(gè)公司都正在經(jīng)歷由機(jī)械裝置向農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。

在農(nóng)機(jī)使用智能決策方面，國內(nèi)外也有不少研究進(jìn)展，農(nóng)業(yè)作業(yè)智能決策是指根據(jù)農(nóng)作過程中的傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行分析，得出控制決策。美國蒙大拿州立大學(xué)的PEERLINCK等使用機(jī)器算法，通過分析冬小麥的施肥配方對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥?zhǔn)┓逝浞降妮o助決策；芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)的KAIVOSOJA等，使用遙感信息估計(jì)土壤的氮含量，將此數(shù)據(jù)用來對(duì)變量施肥的配方進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥[3-4]。

2 控制系統(tǒng)需求分析

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)智能農(nóng)機(jī)的控制系統(tǒng)不斷提出全新的要求，尤其針對(duì)信息化、自動(dòng)化等目標(biāo)，拓展到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等進(jìn)階目標(biāo)，筆者從智能農(nóng)機(jī)的應(yīng)用功能角度出發(fā)，分析控制系統(tǒng)的需求，將現(xiàn)有需求與農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)水平相結(jié)合，對(duì)智能農(nóng)機(jī)配備的控制系統(tǒng)提出了多種要求。

2.1 智能定位、導(dǎo)航

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化與自動(dòng)化設(shè)計(jì)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，智能化實(shí)現(xiàn)的第一步驟就是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)移動(dòng)。利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行農(nóng)機(jī)移動(dòng)的控制，屬于自動(dòng)駕駛的領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)以上功能，首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)所處位置的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取，即獲取農(nóng)機(jī)的空間信息。在獲取了位置信息之后，才能進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)成的路徑算法和智能導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的準(zhǔn)確移動(dòng)。目前較為常用的定位方式是衛(wèi)星定位。

除了衛(wèi)星定位的應(yīng)用以外，還有些農(nóng)機(jī)使用的是慣性器件，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航。所謂慣性器件，就是用于獲取系統(tǒng)的航向以及速度等精確的數(shù)字信息的設(shè)備，并通過特定算法的輔助，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航。

2.2 信息采集

農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，若要實(shí)現(xiàn)智能化，需要通過計(jì)算機(jī)視覺來感知機(jī)器周圍存在的情況，形成數(shù)字信息。該功能不僅可以保證機(jī)器在駕駛過程中的安全性（即識(shí)別行駛過程中存在的障礙物），還可以識(shí)別不同的特殊農(nóng)業(yè)作業(yè)（如棉花采摘，定量定點(diǎn)的農(nóng)藥噴灑）。具有該功能的系統(tǒng)通過外接上機(jī)械視覺裝置，獲取周圍的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)等。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)機(jī)智能化提出的要求，是需要智能農(nóng)機(jī)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集周圍農(nóng)業(yè)環(huán)境的信息。因此，農(nóng)機(jī)需要配備多種精準(zhǔn)的傳感器。與此同時(shí)，基于針對(duì)農(nóng)作具體情況的不同，農(nóng)機(jī)要連接不同的農(nóng)業(yè)應(yīng)用設(shè)備，例如農(nóng)具識(shí)別檢測(cè)、深耕深松檢測(cè)等。

因此，智能農(nóng)機(jī)的應(yīng)用，既可以在系統(tǒng)上安裝集成傳感器，也可以在裝置上預(yù)留外接口，連接傳感器或別的農(nóng)業(yè)設(shè)備[5-6]。

2.3 人機(jī)交互

智能化除了包括自動(dòng)化以外，還包括人機(jī)交互的設(shè)計(jì)。智能機(jī)械在進(jìn)行顯示的時(shí)候，通過顯示屏等設(shè)備，直觀地向操作人員展示農(nóng)機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)作情況等。在一些特定情況下可能會(huì)進(jìn)行人工干預(yù)，如切換手動(dòng)駕駛等。

最簡單的人機(jī)交互設(shè)計(jì)就是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示屏外接，并運(yùn)用車載計(jì)算機(jī)在顯示屏上顯示圖像或數(shù)據(jù)，展示機(jī)器主體的運(yùn)行情況。

2.4 數(shù)據(jù)通信

當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)如此發(fā)達(dá)，互聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)的應(yīng)用也融入了智能農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)之中，可以通過互聯(lián)網(wǎng)的接入，幫助農(nóng)機(jī)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳，將傳感器的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)處理的累計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)終端，通過手機(jī)或是主計(jì)算機(jī)，對(duì)農(nóng)機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的收集[7]。除此之外，還可以在數(shù)據(jù)通信技術(shù)到位的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能農(nóng)機(jī)的遠(yuǎn)程遙控。

對(duì)于稍微復(fù)雜的農(nóng)機(jī)集群等的操作，一般采用的是統(tǒng)一操控或是一機(jī)帶多個(gè)同時(shí)駕駛的方式。該方式對(duì)技術(shù)及操作的要求是近距離地利用多點(diǎn)連接的通信方式，或是使用Wi-Fi、藍(lán)牙等新興技術(shù)，來解決多機(jī)作業(yè)中的數(shù)據(jù)通信問題。

綜上所述，如果面對(duì)的是小范圍的農(nóng)機(jī)作業(yè)，操作人員可以不跟隨農(nóng)機(jī)移動(dòng)，利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，完成對(duì)農(nóng)機(jī)的簡單操作控制。

2.5 功能需求

綜合以上提出的4個(gè)主要方面，要求設(shè)計(jì)的智能農(nóng)機(jī)的控制系統(tǒng)，滿足以下功能需求：1）具有一定基礎(chǔ)的本地計(jì)算能力；2）采用GPS以及BDS的定位模式相組合；3）給機(jī)器內(nèi)部加上速度計(jì)、電子羅盤以及氣壓計(jì)等作為內(nèi)置的感應(yīng)裝置，目的是實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)和信息；4）設(shè)備包括內(nèi)置傳感器，還包括距離＋光傳感的外置傳感器，獲取機(jī)器運(yùn)行環(huán)境等；5）支持設(shè)備拓展，配備CAN口、USB口等，為了方便進(jìn)行視頻、顯示設(shè)備以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用相關(guān)設(shè)備等，用于土壤檢測(cè)、農(nóng)業(yè)用具種類識(shí)別，外接機(jī)器視覺設(shè)備以及車載傳感器等；6）設(shè)計(jì)帶有Wi-Fi以及藍(lán)牙等不同的通信方式；7）利用新技術(shù)設(shè)計(jì)的無線通信芯片，輔助遠(yuǎn)程操控功能完成；8）安裝智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車內(nèi)部電源燈動(dòng)力能否正常使用。

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)列舉的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，筆者將進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的闡述，圖2主要從硬件方面展示系統(tǒng)內(nèi)部的功能及其邏輯鏈接。

圖2 智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部硬件運(yùn)行圖

圖2所列出的控制系統(tǒng)內(nèi)部板塊，每個(gè)板塊各司其職，受到不同元件的主導(dǎo)。

1）處理器。主要的處理器芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主處理器的職能是作為總控，管控所有的功能板塊，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算。

2）定位部分。本研究在做功能需求分析的時(shí)候提到使用了GPS以及BDS兩種定位技術(shù)，使用的定位芯片必須要支持PTK算法。在進(jìn)行操作的時(shí)候，需要通過串口將該部分和主處理器相連接起來，使主處理器能夠?qū)崟r(shí)獲取定位裝置提供的位置信息。

3）內(nèi)部傳感器。功能需求中，傳感器分為兩部分：內(nèi)部及外部。內(nèi)部主要采用陀螺儀、速度儀等，目的是獲取系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)候的狀態(tài)信息。氣壓傳感器通常單獨(dú)安裝，通過對(duì)氣壓的感知和數(shù)據(jù)計(jì)算，能夠獲取到完整的海拔信息，并通過串口傳輸?shù)街魈幚砥魃稀?/p>

4）外部傳感器。主要包括的是光傳感器以及距離傳感器等。所謂外部傳感器，一般不裝在系統(tǒng)電路之中，而通過I/O接口接入系統(tǒng)，本研究提到的方案，將所有外部傳感器集成在一塊電路板上，通過接口和電路板來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5）圖像顯示。一般來說，智能控制系統(tǒng)的圖像顯示會(huì)選擇以太網(wǎng)或基于USB兩種顯示方式。前者是主處理器選擇用以太網(wǎng)傳輸圖像信息，由其他有圖像接口的處理器來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并通過專門的接口傳輸?shù)斤@示器完成圖像顯示。后者是利用USB將圖像信息進(jìn)行傳遞，傳給控制圖像顯示的控制芯片。由專門的接口進(jìn)行與顯示器的連接，并完成圖像顯示。

6）4G通信。如圖2所示，智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過4G來實(shí)現(xiàn)LTE通信，通過USB接口和主處理器連接進(jìn)行通信，再通過專門的接口連接SIM卡。

7）Wi-Fi/藍(lán)牙。在進(jìn)行系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)的時(shí)候，提到系統(tǒng)需要Wi-Fi以及藍(lán)牙通信的支持。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下存在Wi-Fi與藍(lán)牙的集成組合板塊，常見的組合模塊接口有USB及SDIO。一般來說，USB方面的技術(shù)相對(duì)成熟很多，從技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)施的角度來看，USB板塊不需要添加新的接口。

8）遠(yuǎn)程遙控模式。智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要尋找適合應(yīng)用模式的無線通信芯片來輔助完成遠(yuǎn)程的通信控制。筆者建議選擇支持低成本多功能的，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的芯片，DX-V101，該芯片通?？梢詰?yīng)用在防火安全中，進(jìn)行無線遙控或無線報(bào)警器的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)的智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)，主要的具體工作包括控制系統(tǒng)功能需求，根據(jù)功能需求進(jìn)行硬件方案的設(shè)計(jì)，其中含各個(gè)功能板塊的功能及應(yīng)用。

智能農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)將在未來逐步完成現(xiàn)有系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)備的整合以及拓展。在未來的研究中，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備不斷進(jìn)行改造，使智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)達(dá)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與人們要求。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合管理、智能控制等基本功能，從而滿足農(nóng)業(yè)操作需求，降低運(yùn)營成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時(shí)又要保證設(shè)計(jì)出的智能系統(tǒng)具有可靠、易用、拓展以及方便管理等特性。