基于農(nóng)機(jī)CAN總線的OneNet遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究*

溫鑫，王熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院,黑龍江大慶，163319)

0 引言

2019年國(guó)務(wù)院發(fā)表關(guān)于加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見(jiàn)中明確指出：要推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)機(jī)作業(yè)上的應(yīng)用[1]。將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合，更是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要助力[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷結(jié)合，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也越來(lái)越多：李建軍等[3]研究了一種用于圓捆機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控地點(diǎn)間的信息交互。杜志偉等[4]研發(fā)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)位置信息和運(yùn)行參數(shù)采集與上傳，并擁有較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心將3S技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合研發(fā)了一套用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和指揮農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度系統(tǒng)，有效避免了盲目農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度效率[5]。

但總體上，我國(guó)目前農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化技術(shù)依然處于較低的水平，特別是缺乏將CAN總線技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)業(yè)機(jī)械狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備[6]。

研究一種通過(guò)CAN總線技術(shù)采集并遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)上傳玉米中耕變量施肥機(jī)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端對(duì)施肥機(jī)的位置信息和狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，借助數(shù)據(jù)終端上搭載的無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，最后采用OneNet平臺(tái)對(duì)上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的轉(zhuǎn)換，通過(guò)圖形化的交互界面供用戶實(shí)時(shí)查看。整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了玉米中耕變量施肥機(jī)位置和狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了農(nóng)機(jī)使用效率和信息化水平，為農(nóng)機(jī)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展提供了有力的支撐。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)研究

整個(gè)系統(tǒng)的組成可大致分為三大部分，即感知部分、網(wǎng)絡(luò)部分和應(yīng)用部分[7]。用于施肥機(jī)位置信息和狀態(tài)參數(shù)采集的感知層，主要由農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝的相關(guān)傳感器及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端組成。負(fù)責(zé)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層主要由無(wú)線通信模塊及運(yùn)營(yíng)商信號(hào)塔組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示與人機(jī)交互的應(yīng)用層由智能化移動(dòng)設(shè)備和PC端組成。系統(tǒng)的主要架構(gòu)如圖1所示。

安裝于施肥機(jī)的定位系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速傳感器等采集施肥機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)施肥機(jī)上搭載的CAN通信線路發(fā)送至位于系統(tǒng)感知層的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端，經(jīng)終端中主控制器解析與轉(zhuǎn)化之后，數(shù)據(jù)借助于終端中的無(wú)線通信模塊發(fā)送至OneNet的云端服務(wù)器上，通過(guò)OneNet平臺(tái)PC端網(wǎng)頁(yè)與移動(dòng)端APP對(duì)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與展示。

2 系統(tǒng)硬件研究

數(shù)傳終端主要采集當(dāng)前施肥機(jī)位置、排肥軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息并發(fā)送至服務(wù)器，其主要由主控制器、無(wú)線通信模塊、調(diào)試電路、CAN通信電路等部分組成。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文研究的數(shù)據(jù)終端主控制器選用型號(hào)為STM32F103VET6的32位微型處理器,支持在72 MHz的工作頻率和-40 ℃～85 ℃的工作環(huán)境下進(jìn)行工作[8]。滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)信息采集的工作要求。

2.1 電源電路

考慮到農(nóng)機(jī)作業(yè)的環(huán)境特殊性，終端采用輸出電壓為DC5 V的獨(dú)立電源供電，而主控制器工作電壓為DC3.3 V，故電源電路采用AMS1117-3.3正向低壓降穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該款LDO最大輸入電壓為15 V,工作溫度范圍-40 ℃～125 ℃，輸出電壓DC3.3 V，滿足工作需要。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

為提升系統(tǒng)可靠性，無(wú)線通信模塊集成有單獨(dú)的降壓電路，電源為模塊直接輸入5 V的直流電壓，通過(guò)RT9193-3.3低壓差LDO電壓調(diào)整器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，其輸入電壓范圍為1.6～6.0 V，輸出電壓為DC3.3 V，工作溫度范圍為-40 ℃～125 ℃[9]，滿足工作需要。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線通信模塊電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 CAN通信電路

施肥機(jī)上安裝的傳感器通過(guò)CAN通信線路將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)終端，終端通過(guò)集成于其上的CAN通信電路實(shí)現(xiàn)CAN信號(hào)的接收，CAN通信電路的通信芯片采用TJA1050高速CAN收發(fā)器，工作溫度范圍為-40 ℃～150 ℃，最高通信速率500 kbps，擁有高速模式和靜默模式兩種工作模式，本研究通過(guò)將芯片的8號(hào)引腳直接接地使其處于高速模式下工作[10]。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN通信電路

2.3 無(wú)線通信模塊研究

無(wú)線通信模塊核心選用的是LTE BC20 NB-IoT/GNSS模組，貼片式封裝，使用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)內(nèi)置的AT指令配置好IP與端口號(hào)實(shí)現(xiàn)向云端服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)優(yōu)先使用農(nóng)機(jī)上已安裝的定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在未安裝農(nóng)機(jī)定位系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)通信模塊上集成的GNSS天線實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 BC20電路

模塊通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口與主控制器通信，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 BC20模塊接口電路

2.4 感知層傳感器

由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，故傳感器的選擇應(yīng)充分考慮其工作環(huán)境影響，需要有較高的可靠性、較小的體積以及較低的成本，經(jīng)比較后轉(zhuǎn)速傳感器選用光電編碼器，只需將其套在軸上，軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其內(nèi)部的光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)，形成隨轉(zhuǎn)速變化的明暗交替，光電傳感器將這種明暗交替的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)處理后輸出可用信號(hào)[11]。其測(cè)量精度為1 r/min，可靠性好。

施肥機(jī)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)的采集通過(guò)型號(hào)為GN181270的GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)與速度信息。其坐標(biāo)數(shù)據(jù)精度為2.5 cm，測(cè)量的速度數(shù)據(jù)精度為0.001 km/h。

用于測(cè)量肥箱料位高度的傳感器選用的是以STC89C52為核心的料位高度傳感器，精度為3 mm。其原理為借助所測(cè)物體與空氣介電常數(shù)值的不同導(dǎo)致傳感器電容值變化這一規(guī)律，將電容值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路形成CAN信號(hào)經(jīng)CAN總線發(fā)出。

3 系統(tǒng)軟件研究

3.1 終端軟件研究

軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與封裝、數(shù)據(jù)上傳至云端等主要功能，系統(tǒng)上電后相關(guān)硬件初始化，向BC20模塊發(fā)送連接指令，通過(guò)返回值來(lái)判斷終端是否已連接至云端服務(wù)器，檢測(cè)到CAN信號(hào)后將采集到的CAN數(shù)據(jù)ID值與程序設(shè)定的ID值進(jìn)行對(duì)比，ID完全吻合后通過(guò)軟件內(nèi)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到經(jīng)緯度，速度等參數(shù)值，最后將解析好的數(shù)據(jù)按MQTT通訊協(xié)議的報(bào)文格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換、封包，通過(guò)OneNet平臺(tái)給出的固定IP上傳至平臺(tái)服務(wù)器。其流程如圖8所示。

圖8 軟件運(yùn)行流程圖

施肥機(jī)與終端間數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)CAN總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其通過(guò)兩根信號(hào)線間的電壓變化進(jìn)行信息傳遞，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，可同時(shí)將多個(gè)單元連接至總線之中，并具備自動(dòng)對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行判斷的功能，即自動(dòng)隔離發(fā)生持續(xù)性錯(cuò)誤的故障單元。系統(tǒng)中CAN通信格式遵循ISO11783標(biāo)準(zhǔn)。其報(bào)文格式如表1所示。

表1 CAN總線通信的報(bào)文格式

軟件中CAN數(shù)據(jù)接收部分使用中斷接收，這樣不僅可以保證系統(tǒng)對(duì)CAN信號(hào)做出第一時(shí)間的反應(yīng)與處理，更大大提升了主控制器的運(yùn)行效率，其流程如圖9所示。

圖9 CAN數(shù)據(jù)接收與解析流程圖

終端與云端服務(wù)器間的連接采用的是基于TCP的MQTT協(xié)議，其信息體結(jié)構(gòu)由三個(gè)部分組成，即固定報(bào)頭，可變報(bào)頭與有效載荷[12]。其中可變報(bào)頭與有效載荷并不是每條信息都必須含有的，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 MQTT協(xié)議的報(bào)文格式

系統(tǒng)上電后，終端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)連接報(bào)文，在服務(wù)器收到連接報(bào)文后會(huì)回復(fù)給終端一個(gè)連接請(qǐng)求確認(rèn)報(bào)文，終端根據(jù)收到服務(wù)器回復(fù)的消息以確認(rèn)是否已連接上服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)布消息后，服務(wù)器會(huì)向終端回復(fù)相應(yīng)的發(fā)布收到報(bào)文，在終端長(zhǎng)時(shí)間未發(fā)布消息時(shí)，終端會(huì)自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送心跳請(qǐng)求報(bào)文以保證自己始終處于在線狀態(tài)。其報(bào)文類型如表3所示。

表3 MQTT協(xié)議的報(bào)文類型

3.2 OneNet平臺(tái)人機(jī)交互界面

將服務(wù)器端接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的圖表，這一過(guò)程借助了OneNet平臺(tái)提供的應(yīng)用編輯器模組，將系統(tǒng)給定固定樣式的模塊拖入空白畫(huà)布中，并在模塊詳情中對(duì)其對(duì)應(yīng)展示的數(shù)據(jù)流和名稱等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后將編輯好的應(yīng)用保存并發(fā)布，這樣就可以通過(guò)OneNet平臺(tái)PC端網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)端APP進(jìn)行訪問(wèn)與查看，移動(dòng)端的數(shù)據(jù)查看主要通過(guò)OneNet平臺(tái)的官方APP實(shí)現(xiàn)。OneNet平臺(tái)的使用大大縮短了交互界面開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)難度。人機(jī)交互界面可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速值、速度值、料位高度及過(guò)往的變化曲線，通過(guò)界面左上角的地圖可直觀的查看施肥機(jī)的實(shí)時(shí)位置，并且在右上角還會(huì)顯示系統(tǒng)的最后在線時(shí)間。用戶界面詳情如圖10所示。

圖10 OneNet人機(jī)交互界面

OneNet平臺(tái)會(huì)對(duì)用戶上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，容量不限，可免費(fèi)存儲(chǔ)一年。通過(guò)數(shù)據(jù)流界面可對(duì)設(shè)定時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步的處理與查看。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將寫(xiě)好的程序輸入單片機(jī)中，終端與寫(xiě)入CAN記錄文件的CAN記錄回放儀連接，之后進(jìn)行系統(tǒng)通電。通過(guò)CAN記錄回放儀的指示燈確認(rèn)終端已接收到數(shù)據(jù)，登錄OneNet平臺(tái)進(jìn)行查看，系統(tǒng)工作正常。

測(cè)試臺(tái)架由AC220 V轉(zhuǎn)DC12 V與DC5 V的雙輸出電源分別為CAN記錄回放儀和終端進(jìn)行供電，CAN記錄回放儀中的記錄文件是2019年10月16日于趙光農(nóng)場(chǎng)的施肥作業(yè)的CAN信號(hào)記錄，數(shù)據(jù)量充足，可以十分逼真的模擬實(shí)際田間作業(yè)時(shí)的數(shù)據(jù)環(huán)境。測(cè)試用臺(tái)架如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架

通過(guò)測(cè)試臺(tái)架對(duì)終端進(jìn)行五次每次約6 h的系統(tǒng)測(cè)試后，系統(tǒng)感知層傳感器獲取的部分?jǐn)?shù)據(jù)以及經(jīng)其換算得到的瞬時(shí)施肥量數(shù)據(jù)如表4所示。記錄文件中共有21 997組有效目標(biāo)數(shù)據(jù)。

表4 感知層采集參數(shù)表

終端串口打印CAN接收記錄、OneNet平臺(tái)導(dǎo)出的歷史數(shù)據(jù)與CAN回放儀中CAN記錄文件的對(duì)比得到以下數(shù)據(jù)：狀態(tài)數(shù)據(jù)CAN線路傳輸成功率最低為98.8%，無(wú)線模塊上傳成功率最低為95.11%，整體丟包率小于5%，平均延時(shí)為300 ms左右，如表5所示，滿足工作要求。

表5 數(shù)據(jù)傳輸上傳測(cè)試表

5 結(jié)論

1)研究一種用于監(jiān)測(cè)玉米中耕變量施肥機(jī)實(shí)時(shí)位置與實(shí)時(shí)參數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合工作需求完成了終端電路的設(shè)計(jì)。

2)深入分析CAN通信協(xié)議及MQTT通信協(xié)議將兩者結(jié)合完成了軟件的編寫(xiě)，并借助OneNet平臺(tái)完成了用戶界面開(kāi)發(fā)與數(shù)據(jù)的保存與調(diào)用。

3)經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，可靠性較高，傳感器每分鐘采集60組參數(shù)，并且整體丟包率小于5%，平均延時(shí)約為300 ms，滿足工作需要。

4)由于使用CAN總線技術(shù)，系統(tǒng)可接入多種設(shè)備，拓展性較好。