農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

王輝，金 吉，張軒翊，江榮禎，高菊玲，姬麗雯

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化和信息化水平的不斷提高，其發(fā)展過程中的缺點與不足也暴露出來。針對農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測與調(diào)控手段缺乏、作業(yè)過程難以監(jiān)管等問題，農(nóng)機領(lǐng)域的科研人員相繼開發(fā)了多種智能監(jiān)測系統(tǒng)[1-4]，馮小川等[5]開發(fā)的農(nóng)機監(jiān)測終端可實現(xiàn)農(nóng)機管理、定位、作業(yè)發(fā)布等功能。楊俊茹等[6]利用LabVIEW軟件設(shè)計開發(fā)了收割機液壓部件監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對液壓部件工作性能的模糊綜合評價。

結(jié)合江蘇農(nóng)博園農(nóng)機作業(yè)實訓基地實際情況，設(shè)計開發(fā)一套農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量在線監(jiān)測、作業(yè)面積自動測算、作業(yè)質(zhì)量在線評價等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)由嵌入式DTU網(wǎng)關(guān)、觸摸屏、攝像頭、GPS基站、作業(yè)參數(shù)檢測終端、角度傳感器等組成；軟件系統(tǒng)由云服務器、WEB端平臺與小程序終端三部分組成。拖拉機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 拖拉機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)工作時，操作人員通過安裝在拖拉機上的觸摸屏進行網(wǎng)絡(luò)配置、運行參數(shù)和作業(yè)任務配置、農(nóng)機類型和編號配置等操作，觸摸屏參數(shù)配置頁面如圖2所示。

圖2 觸摸屏參數(shù)配置頁面

完成系統(tǒng)參數(shù)后啟動機具進行作業(yè)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過4G遠程通訊模塊將機具當前的經(jīng)緯度、行駛速度、作業(yè)面積、耕深等參數(shù)將發(fā)送至云服務器，可通過WEB端平臺、手機小程序在線對作業(yè)質(zhì)量進行監(jiān)測，等作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)可形成作業(yè)軌跡和作業(yè)質(zhì)量分布圖。

2 硬件設(shè)計

2.1 作業(yè)參數(shù)檢測終端設(shè)計

系統(tǒng)硬件由采集和分析處理兩部分組成，其中采集部分由作業(yè)參數(shù)檢測終端、GPS基站、角度傳感器等組成；分析處理部分由嵌入式DTU、觸摸屏、攝像頭等組成。

作業(yè)參數(shù)檢測終端使用STM32F103RBT6單片機芯片作為控制核心，共設(shè)計有2路485通道、1路232通道、8路模擬量通道和1路CAN總線通道，作業(yè)參數(shù)檢測終端電路原理圖如圖3所示。終端實時采集角度傳感器、移動基站等檢測類傳感器的數(shù)據(jù)，解析處理完成后發(fā)送至嵌入式DTU中。由嵌入式DTU進行下一步的分析處理，然后通過觸摸屏實時顯示，同時通過4G遠程將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務器。

圖3 作業(yè)參數(shù)檢測終端電路原理圖

2.2 嵌入式DTU功能設(shè)計

嵌入式DTU采用飛凌嵌入式的FCU2401型嵌入式控制單元，該控制器采用全志的A04i四核處理器，具有高性能、低功耗、高可靠性等特點。嵌入式DTU實物圖如圖4所示。

圖4 嵌入式DTU實物圖

具體功能有：一是GPS定位：通過外接GPS定位終端，實現(xiàn)農(nóng)機高精度定位；二是數(shù)據(jù)采集：通過RS485與農(nóng)機作業(yè)參數(shù)檢測終端建立通訊，實時采集耕深等數(shù)據(jù)；三是作業(yè)參數(shù)設(shè)置：嵌入式DTU與觸摸屏通過標準DVI-I通訊線連接，可通過觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、運行參數(shù)、農(nóng)機綁定、作業(yè)掃描等功能，并在工作監(jiān)視界面，對通信狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)等實時監(jiān)測；四是遠程監(jiān)測：嵌入式DTU支持4G、以太網(wǎng)、WIFI等方式進行網(wǎng)絡(luò)通信，當選擇使用4G網(wǎng)絡(luò)通信時，需要插入標準SIM卡，并將4G天線與DTU連接，即可實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)與云服務遠程交互。

3 軟件設(shè)計

3.1 WEB端平臺設(shè)計

系統(tǒng)軟件由本地的觸摸屏、WEB端平臺與小程序平臺三部分組成。其中觸摸屏主要用于系統(tǒng)運行前的參數(shù)設(shè)定、作業(yè)參數(shù)監(jiān)測、報文打印等功能；WEB端平臺可實現(xiàn)農(nóng)事發(fā)布與作業(yè)調(diào)度、田間作業(yè)全程監(jiān)測、作業(yè)質(zhì)量在線分析及作業(yè)效果效率在線評價等功能；小程序平臺主要為了方便用戶實際使用，其功能與WEB平臺類似。

WEB端平臺首頁面如圖5所示，用戶通過瀏覽器進入平臺，在首頁可通過可視化地圖管理地塊，對農(nóng)機作業(yè)面積、作業(yè)次數(shù)進行統(tǒng)計分析，查看待辦任務等，左側(cè)導航欄可以實現(xiàn)作業(yè)管理、配置管理、平臺管理、維修保養(yǎng)、遙感監(jiān)測等功能，通過安裝在田塊的氣象站對局部區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、風速、風向等參數(shù)進行實時采集。

圖5 WEB端首頁面

點擊進入作業(yè)監(jiān)控界面可以在作業(yè)狀態(tài)一欄查詢農(nóng)機作業(yè)時長、設(shè)備地址、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)，實時數(shù)據(jù)一欄可以查詢農(nóng)機當前實時行駛速度、作業(yè)面積、作業(yè)效果等，可視化的地圖可以查看農(nóng)機作業(yè)軌跡，其中藍色代表合格作業(yè)，紅色代表不合格作業(yè)，能夠更好地反映農(nóng)機作業(yè)效果，作業(yè)監(jiān)控頁面如圖6所示。

圖6 作業(yè)監(jiān)控頁面

3.2 微信小程序端設(shè)計

在實際生產(chǎn)使用過程中，為了使用快捷，同時開發(fā)設(shè)計了基于微信小程序的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)場、地塊、農(nóng)機、設(shè)備等管理，微信小程序頁面如圖7所示。用戶通過系統(tǒng)預先分配的賬號進入系統(tǒng)中，在首頁可查看農(nóng)場局域環(huán)境參數(shù)、待辦任務等，在任務頁面中可以查看未開始、進行中、已結(jié)束三種狀態(tài)下的作業(yè)任務，在作業(yè)頁面中可查看農(nóng)機作業(yè)軌跡、作業(yè)參數(shù)等信息，在保證作業(yè)效果的同時，提高了農(nóng)機作業(yè)效率。

圖7 微信小程序頁面

4 結(jié)論

農(nóng)機作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)支持對拖拉機、插秧機、植保機、收割機等多類型農(nóng)機進行作業(yè)監(jiān)測，具有定位、軌跡查詢、耕深監(jiān)測、面積測算等功能。能夠滿足不同作物連續(xù)作業(yè)要求，符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。但其作業(yè)監(jiān)測內(nèi)容需進一步完善，加強系統(tǒng)適用場景。