“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端及管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

陳秀成 ， 黃慶梅 ， 陳曉懿 ， 陳婉瀅

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510000；2.廣東恒南科技集團(tuán)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500；3.清遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)企業(yè)家協(xié)會，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

20世紀(jì)70年代，歐美等發(fā)達(dá)國家開始將現(xiàn)代微電子技術(shù)與控制技術(shù)和信息技術(shù)融入農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。發(fā)達(dá)國家的發(fā)展歷程表明，從農(nóng)業(yè)機(jī)械化到數(shù)字化、自動化和智能化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢[1]。

農(nóng)機(jī)信息化是農(nóng)機(jī)管理工作的重要組成部分，是反映農(nóng)機(jī)化水平的重要標(biāo)志[2]。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)托管服務(wù)的重要抓手[3]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化正從農(nóng)機(jī)2.0向農(nóng)機(jī)3.0發(fā)展。農(nóng)機(jī)3.0是農(nóng)機(jī)發(fā)展從全到好的階段，其特點是用信息技術(shù)提升農(nóng)機(jī)化水平，融合現(xiàn)代微電子技術(shù)、控制技術(shù)與信息技術(shù)，推動農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備向數(shù)字化、信息化、自動化和智能化方向快速發(fā)展[4]。

在推動我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化向全程全面機(jī)械化方向發(fā)展的進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)托管服務(wù)扮演著重要的角色[5]。但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)托管服務(wù)工作的推進(jìn)中，農(nóng)機(jī)服務(wù)的信息化、智能化和共享化等方面仍存在一些亟待解決的問題[6]。

與張悅[7]研發(fā)的基于衛(wèi)星定位的農(nóng)機(jī)作業(yè)管理系統(tǒng)、周生龍[8]研究的在電子地圖環(huán)境下實現(xiàn)了作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測和作業(yè)面積的計算、王猛等[9]提出的農(nóng)機(jī)多機(jī)協(xié)同作業(yè)的相關(guān)解決方案、朱德海等[10]研究的一種基于農(nóng)機(jī)軌跡和地塊格網(wǎng)化實時計算農(nóng)機(jī)有效作業(yè)面積的方法、黃鵬程等[11]研究的一種基于北斗衛(wèi)星定位行駛軌跡的農(nóng)機(jī)作業(yè)面積計算方法、張繼生[12]研究的農(nóng)業(yè)用地的面積測量方法、韓旭[13]進(jìn)行的“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)業(yè)組織模式及運(yùn)行機(jī)制研究、周快快[14]對基于Web的長沙縣農(nóng)業(yè)信息共享平臺進(jìn)行的研究和廣州市健坤網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展有限公司[15]開發(fā)的廣東省農(nóng)機(jī)信息化服務(wù)平臺等相比，本研究重點在于促進(jìn)農(nóng)機(jī)服務(wù)作業(yè)的“農(nóng)田”“農(nóng)機(jī)”和“農(nóng)機(jī)手”三大要素的相互融合，以提高農(nóng)機(jī)服務(wù)的效率、農(nóng)戶與農(nóng)機(jī)手之間的互信并促進(jìn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)機(jī)手的分合操作，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)服務(wù)的“脫圖”服務(wù)面積和費(fèi)用計算，以及服務(wù)數(shù)據(jù)“脫圖”通用軌跡回放與永久性記錄的農(nóng)機(jī)服務(wù)的低成本高通用的信息化終端。同時，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)手與農(nóng)機(jī)的操作和農(nóng)機(jī)手、農(nóng)機(jī)和土地的“人、機(jī)、地”作業(yè)記錄和作業(yè)記錄軌跡的復(fù)用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 農(nóng)機(jī)服務(wù)信息終端系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)機(jī)服務(wù)信息終端系統(tǒng)由“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端管理、安?？刂颇K、客戶端訪問系統(tǒng)等組成，農(nóng)機(jī)服務(wù)信息終端系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)服務(wù)信息終端系統(tǒng)總體示意圖

其硬件終端安裝在農(nóng)機(jī)或者農(nóng)機(jī)具上，可實現(xiàn)農(nóng)機(jī)和農(nóng)機(jī)具的標(biāo)識、共享管理、安全管理、狀態(tài)監(jiān)控、作業(yè)定位、拍照等過程記錄和作業(yè)業(yè)績測量等，也可以通過農(nóng)機(jī)手登陸安裝在農(nóng)機(jī)或者農(nóng)機(jī)具上的終端在作業(yè)時綁定作業(yè)農(nóng)機(jī)，將農(nóng)機(jī)手、農(nóng)機(jī)、作業(yè)地塊實時綁定，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)手的作業(yè)統(tǒng)計、田畝測量、提成計提和接受調(diào)機(jī)等工作。

其軟件系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于經(jīng)度值和緯度值的“脫圖”與“脫網(wǎng)”計算相應(yīng)的農(nóng)田面積，降低了終端運(yùn)算資源的占用，大大降低了制作成本。每套制作成本可以控制在人民幣150元以內(nèi)，再加上人機(jī)交互終端，其總成本每套也不超過人民幣280元，為其進(jìn)一步推廣打下了基礎(chǔ)。

1.2 “脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端設(shè)計

“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端分為兩個版本，分別為純定位數(shù)據(jù)傳輸版和帶身份識別的農(nóng)機(jī)共享一體機(jī)版。

1）純定位數(shù)據(jù)傳輸版設(shè)備：純定位數(shù)據(jù)傳輸版本主要由GNSS定位模組及天線1個、4G通信模組及天線1個、USB通信接口和外接電源模塊等組成，“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端外觀圖如圖2、圖3所示。此版本的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制作成本每套在150元以內(nèi)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，傳輸成本低，采用4G套餐。以中國移動為例，每年的費(fèi)用不到人民幣10元，將所有的數(shù)據(jù)通過TCP傳輸?shù)椒?wù)器后，服務(wù)器進(jìn)行端口監(jiān)聽、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)顯示等，但需要外置電源進(jìn)行供電。

圖2 “脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端外觀圖I

圖3 “脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端外觀圖Ⅱ

2）帶身份識別的農(nóng)機(jī)共享一體機(jī)。帶身份識別的農(nóng)機(jī)共享一體機(jī)版包含GNSS定位模組及天線1個、4G通信模組及天線1個、USB通信接口和外接電源模塊、主板、單片機(jī)、儲存模塊、指紋識別模組、加密電子鎖、安?？刂颇K（可選）、RFID電子標(biāo)簽、外接電源和機(jī)器開啟所需的用具及相關(guān)物品的儲物區(qū)，其外殼與人機(jī)交互終端共用，兩者合二為一形成一體機(jī)。在降低生產(chǎn)成本的同時，將功能高度集中，形成帶身份識別的農(nóng)機(jī)共享一體機(jī)。

1.3 服務(wù)器端管理模塊設(shè)計

服務(wù)器端主要實現(xiàn)四個功能：1）開放端口，接收4G透傳模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)；2）監(jiān)聽端口，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；3）進(jìn)行字符串分析和拆分，通過分析，將不含有“000000”的數(shù)據(jù)拆分后保存到服務(wù)器對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中；4）數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，接受客戶端發(fā)送的請求，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，并將運(yùn)算與處理的結(jié)果發(fā)送到客戶端。

1.3.1 監(jiān)聽端口和接收數(shù)據(jù)

采用Python+DM8開發(fā)環(huán)境，開發(fā)程序以監(jiān)聽8088端口，接收定位終端儀發(fā)送的數(shù)據(jù)。服務(wù)器對應(yīng)的域名：henboy.top，端口為8088，采用TCP協(xié)議，實現(xiàn)的代碼如下：

接收的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 接收到的原始數(shù)據(jù)

1.3.2 數(shù)據(jù)處理和保存

對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將經(jīng)度值或者緯度值中有一個為“000000”的記錄或者經(jīng)度值、緯度值組成的數(shù)組為完全相同的記錄集全部保存到如表1所示的表Pall中。將經(jīng)度值和緯度值不為“000000”的值全部記錄，以及經(jīng)度值、緯度值組成的數(shù)組都不完全相同的記錄，保存到如表2所示的表Pwell中。將經(jīng)度值、緯度值組成的數(shù)組都完全相同的記錄全部保存到如表3所示的表Pon中。

表1 數(shù)據(jù)表設(shè)計Pall

表2 數(shù)據(jù)表設(shè)計Pwell

表3 數(shù)據(jù)表設(shè)計Pon

2 關(guān)鍵技術(shù)與算法

2.1 “脫圖”主要功能算法設(shè)計

“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端將基于經(jīng)緯度系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)采集后，分別進(jìn)行經(jīng)度數(shù)據(jù)比對和緯度數(shù)據(jù)比對，分別取其最大值和最小值后，選取對應(yīng)的定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)組，得到第一數(shù)組集。

將未被選取的定位的點的經(jīng)度值與緯度值作和得數(shù)值a，經(jīng)度值與緯度值作差取絕對值得數(shù)值b。數(shù)值a與上述經(jīng)度與緯度的最大值和數(shù)值b與上述經(jīng)度與緯度的最小值進(jìn)行大小比較，將數(shù)值a大于或者等于經(jīng)度值最大值或者緯度值最大值的，以及數(shù)值b小于或者等經(jīng)度值最小值或者緯度值最小值的對應(yīng)的點選取出來，其對應(yīng)的經(jīng)緯度的值的集合組成第二數(shù)組集。

將上述第一數(shù)組集與第二數(shù)組集的經(jīng)度值和緯度值分別通過并集，選擇并集的經(jīng)度值或者緯度值對應(yīng)的點的經(jīng)緯度值組成第三數(shù)組集。

將動態(tài)增加獲得的點的經(jīng)緯度的經(jīng)度值和緯度值分別作和得數(shù)值c，作差取絕對值得數(shù)值d。將數(shù)值c與第三數(shù)組集的經(jīng)度值和緯度值的最大值分別進(jìn)行比較，當(dāng)其大于或者等于對應(yīng)的經(jīng)度數(shù)值的最大值或者緯度數(shù)值的最大值時，將數(shù)值d與第三數(shù)組集的經(jīng)度數(shù)值或者緯度數(shù)值的最小值進(jìn)行比較，當(dāng)其小于或者等于對應(yīng)的經(jīng)度數(shù)值的最小值或者緯度數(shù)值的最小值時；或者將動態(tài)采集的點的定位的經(jīng)度值和緯度值分別與第三數(shù)組集的經(jīng)度值最大值、緯度值最大值和經(jīng)度值最小值、緯度值最小值分別進(jìn)行比較，當(dāng)其經(jīng)度數(shù)值或者緯度數(shù)值大于或者等于經(jīng)度數(shù)值最大值或者緯度數(shù)值最大值時，或者其經(jīng)度數(shù)值或者緯度數(shù)值小于或者等于經(jīng)度數(shù)值最小值或者緯度數(shù)值最小值時，新增的點的經(jīng)緯度值并集到第三數(shù)組集后組成獲得第四數(shù)組集，循環(huán)上述操作，直至不再新增采集定位點。

通過第三數(shù)組集的定位點連直線成第一區(qū)域，計算第一圖形的面積則為靜態(tài)的作業(yè)面積數(shù)。通過第四數(shù)組集的定位點連直線成第二區(qū)域，計算第二圖形的最大面積則為動態(tài)的作業(yè)面積數(shù)。

上述區(qū)域的面積可以采用Python的ComputeArea()進(jìn)行“脫圖”計算：其中data=“A(經(jīng)度值a,緯度值a)；B(經(jīng)度值b,緯度值b)；C(經(jīng)度值c,緯度值c)；D(經(jīng)度值d,緯度值d)；E(經(jīng)度值e,緯度值e)；F(經(jīng)度值f,緯度值f)；...；A(經(jīng)度值a,緯度值a)”。

點A、B、C、D、E、F按圖是順時針的順序，脫圖的關(guān)系順序為經(jīng)度值最小值到最大值遞增，然后由最大值到最小值遞減，當(dāng)經(jīng)度值相等時，按緯度值升序排列。

具體代碼為：

2.2 數(shù)據(jù)通信處理原理

以純定位數(shù)據(jù)傳輸版本為例，“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端按表2的數(shù)據(jù)格式通過TCP透傳的方式向服務(wù)器的8088端口以每10 s一次的方式傳輸數(shù)據(jù)組，服務(wù)器端設(shè)計程序?qū)?088端口進(jìn)行監(jiān)聽，并將監(jiān)聽到的內(nèi)容拆分后存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表即可。發(fā)送的具體數(shù)據(jù)格式如下：

3 數(shù)據(jù)接收與處理

系統(tǒng)根據(jù)客戶端的請求進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，然后向客戶端反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與結(jié)果。

1）作業(yè)面積計算?！懊搱D”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端將基于經(jīng)緯度系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)采集后，通過所集采的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行經(jīng)度數(shù)據(jù)比對和緯度數(shù)據(jù)比對，分別取其最大值和最小值后，選取對應(yīng)的定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)組，然后通過“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)面積等算法進(jìn)行面積計算。

2）作業(yè)軌跡查詢。通過客戶端安裝在農(nóng)機(jī)設(shè)備上的機(jī)載農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端ID，可以對相應(yīng)的時間段、農(nóng)機(jī)手等信息進(jìn)行條件查詢，將相應(yīng)的信息記錄集反饋給客戶端，客戶端根據(jù)作業(yè)軌跡播放的電子地圖將標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度值和緯度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)入到相應(yīng)的電子地圖系統(tǒng)，進(jìn)行軌跡回放和保存。

4 結(jié)束語

本研究不依賴電子地圖、也不局限于不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過將獲取到的經(jīng)度值集合、緯度值集合等基本信息進(jìn)行運(yùn)算，從而直接計算得出作業(yè)面積，并以此為原理，開發(fā)了一套“脫圖”農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端及其管理系統(tǒng)，低成本地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即“農(nóng)田”“農(nóng)機(jī)”“農(nóng)機(jī)手”的統(tǒng)一，以提高服務(wù)的效率和體驗。

本研究在農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)的計算中，對定點的經(jīng)緯度值的邊界密依賴程度較高，即需要農(nóng)機(jī)作業(yè)時，對邊角位的作業(yè)要求較高，這也是對農(nóng)機(jī)實際作業(yè)質(zhì)量的一種體現(xiàn)，對于正常的農(nóng)機(jī)服務(wù)作業(yè)，其精確度基本滿足要求。

本研究的農(nóng)機(jī)作業(yè)信息管理終端可以用于對土地的定點的面積測繪，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)田測畝儀使用。