農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備智能終端發(fā)展現(xiàn)狀

高江永，侯永勝，張桐林，史海玲，翟學(xué)迪，李軍葉

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化與信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐。隨著信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)機(jī)行業(yè)的不斷結(jié)合、應(yīng)用與普及，智能化農(nóng)機(jī)裝備不斷更新?lián)Q代，并源源不斷地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)管理及農(nóng)業(yè)服務(wù)中。

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能終端是智能農(nóng)機(jī)必不可少的組成部分，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化、信息化過程中為農(nóng)機(jī)配套安裝的前端裝備。鑒于智能終端在農(nóng)機(jī)智能化過程中的重要作用，本文從智能終端的功能、類型、硬件構(gòu)成等角度，對智能終端的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行深入闡述與分析，并給出智能終端發(fā)展和應(yīng)用的建議。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化

農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，涵蓋耕整地、播種、收獲、收獲后秸稈還田離田、植保、施肥及灌溉等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)中常見的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備包括拖拉機(jī)、耕整地機(jī)械、深松機(jī)、噴藥機(jī)、噴灌機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、植保無人機(jī)、插秧機(jī)、采棉機(jī)等。

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化及農(nóng)業(yè)信息化的必然要求和發(fā)展趨勢。從技術(shù)角度來講，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的智能化是農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合。

目前，智能化農(nóng)機(jī)可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動導(dǎo)航、作業(yè)路徑規(guī)劃、工作狀態(tài)監(jiān)測、農(nóng)事作業(yè)監(jiān)測、農(nóng)機(jī)無人駕駛和輔助駕駛、多機(jī)協(xié)同作業(yè)、農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼申報(bào)與辦理、農(nóng)業(yè)機(jī)械調(diào)度與調(diào)配，以及農(nóng)業(yè)多領(lǐng)域信息化管理。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備智能化的主要思路是在現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備上加裝用于感知機(jī)外工作環(huán)境和農(nóng)機(jī)機(jī)器狀態(tài)的傳感器，并通過一定的數(shù)據(jù)采集模塊與傳輸模塊將農(nóng)機(jī)的工作狀態(tài)、作業(yè)情況及環(huán)境情況等信息傳輸至管理云平臺，以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的信息化狀態(tài)監(jiān)控與管理調(diào)度。

隨著各類新技術(shù)的突破和應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化、安裝智能終端的應(yīng)用和研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。在湖北省，基于北斗的智能終端主要安裝在拖拉機(jī)、收割機(jī)、插秧機(jī)、農(nóng)用無人機(jī)4類作業(yè)機(jī)具上，作業(yè)監(jiān)測覆蓋耕整地、播種、植保、收獲、秸稈還田離田5個主要作業(yè)環(huán)節(jié)，解決了農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼資金因數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)帶來的管理風(fēng)險(xiǎn)[1]。馮小川等[2]研究了廣東省農(nóng)機(jī)信息化服務(wù)平臺建設(shè)與推廣應(yīng)用情況，其農(nóng)機(jī)信息化服務(wù)平臺涵蓋播種、插秧、植保、收割、深松等多種農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)具，作業(yè)機(jī)具需安裝遠(yuǎn)程監(jiān)測終端，該終端用于農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)信息的獲取和傳輸，可適配多種不同的傳感器以便于實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)采集。借助依托于遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的信息化服務(wù)平臺，管理部門可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)具的精準(zhǔn)定位、狀態(tài)檢測、作業(yè)統(tǒng)計(jì)、信息管理、調(diào)度、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，用戶或農(nóng)機(jī)駕駛員可以通過手機(jī)APP、微信公眾號和電腦客戶端等多類型客戶端使用該平臺，查詢有效作業(yè)面積、農(nóng)機(jī)實(shí)時定位和軌跡，完全實(shí)現(xiàn)了高效率的農(nóng)機(jī)和農(nóng)機(jī)駕駛員的調(diào)度管理。

農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航和自動駕駛、各類作業(yè)監(jiān)控、聯(lián)合調(diào)度也有諸多學(xué)者開展研究[3-10]。

2 智能終端功能

智能農(nóng)業(yè)裝備集復(fù)雜農(nóng)業(yè)機(jī)械、智能感知/智能決策/智能控制、大數(shù)據(jù)/云平臺/物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為一體，可自主、高效、安全、可靠地完成農(nóng)業(yè)作業(yè)任務(wù)[11]。

智能終端屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中控制裝置的一部分。監(jiān)控終端是一個狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時顯示農(nóng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11783是農(nóng)業(yè)、森林機(jī)械的總線標(biāo)準(zhǔn)，其對監(jiān)控終端的功能、界面布局等做了詳細(xì)規(guī)定[12]。目前，我國行業(yè)內(nèi)的智能終端不僅限于ISO11783給出的定義，往往還從農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)或者農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，寬泛地把能反映農(nóng)機(jī)及其工作環(huán)境的信息模塊都稱為智能終端。

智能終端在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的作用有感知外界信息、傳遞所感知的信息或指令、顯示工作或環(huán)境的信息、人機(jī)交互指令和信息等。在智能農(nóng)機(jī)或者農(nóng)機(jī)智能化的應(yīng)用和研究中，智能終端的主要功能為虛擬作業(yè)顯示功能、監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)、動力和機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測、定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)存儲與查詢、防止拆卸。

智能終端生產(chǎn)企業(yè)有兩類：一類是農(nóng)機(jī)企業(yè)，生產(chǎn)的智能終端直接配套自己生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，農(nóng)機(jī)功能和智能終端無縫銜接，完成農(nóng)機(jī)的控制與監(jiān)控；另一類是智能終端配套廠家，可以為不同農(nóng)機(jī)企業(yè)配套生產(chǎn)智能終端，或者生產(chǎn)通用的智能終端。

農(nóng)機(jī)具種類非常多，增加智能終端的目的和需求有所不同，因此，智能終端的功能也不盡相同。在國際高端農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中，虛擬作業(yè)顯示、監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)、動力和機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及故障診斷等功能比較常見。高端農(nóng)機(jī)具配備的智能終端通常由顯示區(qū)和控制區(qū)組成，顯示區(qū)可顯示不同農(nóng)具(犁、旋耕機(jī)、播種機(jī)、收獲機(jī)、噴藥機(jī)等)的工作過程參數(shù)。使用這些智能終端，顯著提高了機(jī)具駕駛?cè)藛T的駕駛舒適性和控制靈活性；同時，由于其擁有良好的人機(jī)交互功能，也提高了農(nóng)機(jī)具的操控性。劉成良等[11]對比了國內(nèi)外的終端設(shè)備，特別是全面綜述了一些大型農(nóng)機(jī)公司和終端配套公司的虛擬終端產(chǎn)品現(xiàn)狀。張明柱等[12]研制了基于ISO11783標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬終端，該終端具備虛擬作業(yè)顯示功能。崔明明[13]以ISO11783標(biāo)準(zhǔn)中的虛擬終端作為研究對象，針對電子控制單元(ECU)通過虛擬終端表達(dá)人機(jī)界面的工作組對象池設(shè)計(jì)，研究了對象池在虛擬終端中解析與顯示等問題。

國內(nèi)的智能終端產(chǎn)品主要功能集中在衛(wèi)星定位、無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集，特別是在因涉及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼而配裝的北斗智能終端中，這種情況表現(xiàn)得更為明顯。蘇仁忠[1]報(bào)道，在農(nóng)機(jī)深松作業(yè)監(jiān)測中，通過北斗信息化手段對作業(yè)面積、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效果進(jìn)行在線監(jiān)控和審核。由于農(nóng)業(yè)部門對深松作業(yè)的相關(guān)政策要求，這方面的研究數(shù)量比較多[7，14-17]。

3 智能終端類型

3.1 不具備人機(jī)交互功能的智能終端

此類終端僅僅具備定位、傳感器信息采集及無線傳輸功能，其決策功能由上級管理中心和管理平臺實(shí)現(xiàn)，在國內(nèi)應(yīng)用較多。農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化，往往在現(xiàn)有農(nóng)機(jī)裝備上安裝此類終端，實(shí)現(xiàn)單體農(nóng)機(jī)位置、作業(yè)信息的收集和傳輸。單體農(nóng)機(jī)的信息上傳到管理平臺后，由平臺進(jìn)行評估和分析，最終實(shí)現(xiàn)單體農(nóng)機(jī)作業(yè)情況和設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)，并完成區(qū)域農(nóng)機(jī)的調(diào)度工作。王春山等[18]指出，農(nóng)機(jī)調(diào)配管理平臺功能與機(jī)載采集單元功能類似。王喜恩等[19]開發(fā)了一種基于嵌入式web服務(wù)器的農(nóng)機(jī)車載終端，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，滿足了低成本數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制要求，并根據(jù)用戶功能需求，實(shí)現(xiàn)了車載終端的硬件封裝。

3.2 具備人機(jī)交互功能的智能終端

此類智能終端又可以分為虛擬終端、工業(yè)計(jì)算機(jī)及移動設(shè)備。

虛擬終端往往具備傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲及處理功能，顯示虛擬設(shè)備的工作狀態(tài)，下達(dá)設(shè)備工作指令，具備動力和農(nóng)機(jī)具的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等多種功能。這一類終端屬于智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，是高端農(nóng)機(jī)裝備必不可少的組成部分。虛擬終端和管理平臺共同完成農(nóng)機(jī)調(diào)度等工作。當(dāng)所在區(qū)域沒有管理平臺，僅由駕駛員單獨(dú)操作農(nóng)機(jī)時，這類終端也可以單獨(dú)使用，用于操控農(nóng)機(jī)裝備，監(jiān)測顯示作業(yè)狀況和農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)。該類智能終端的應(yīng)用多見于國內(nèi)外大型智能農(nóng)機(jī)具[11，13]。劉曉光等[20]以ARM9處理器及觸摸屏為核心，采用Windows CE操作系統(tǒng)基于CAN總線完成了農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的研制。

以工業(yè)計(jì)算機(jī)或者車載計(jì)算機(jī)作為核心處理模塊，可高效完成數(shù)據(jù)通信與處理，顯示作業(yè)狀態(tài)。王新忠等[21]設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的拖拉機(jī)車載智能終端，可以用于大型拖拉機(jī)的作業(yè)監(jiān)測。車載智能終端集車載計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件編程等技術(shù)為一體，通過軟件和硬件配置，超越傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)儀表的功能，具有圖形及數(shù)字混合顯示、虛擬儀表及操作方便等特點(diǎn)。

基于移動設(shè)備(智能手機(jī)、各類PAD)的智能終端，在實(shí)際應(yīng)用中占有非常大的比例[3，10，22-24]。智能手機(jī)和各類PAD功能強(qiáng)大，且隨著技術(shù)的成熟而成為人們的日常用品?；谥悄苁謾C(jī)或者智能移動終端IPAD而開發(fā)的APP或者微信小程序，都可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的位置信息和作業(yè)信息的采集和傳輸，方便快捷。吳才聰?shù)萚3]基于Windows平板電腦和Google Map地圖組件，開發(fā)了便攜式農(nóng)機(jī)管理調(diào)度原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了位置報(bào)告、機(jī)具監(jiān)控、中心導(dǎo)航和移動指揮等功能。

4 智能終端硬件結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的主要功能包括虛擬作業(yè)顯示、監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)、動力和機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測、定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)存儲與查詢、防止拆卸。

為實(shí)現(xiàn)智能終端的功能和作用，智能終端的硬件構(gòu)成有衛(wèi)星定位、無線傳輸、電源、人機(jī)交互、核心控制、數(shù)據(jù)接口(CAN通訊、RS232或485)、存儲、身份識別、視頻/聲頻模塊、USB接口、傳感器等模塊。

結(jié)合Android和嵌入式控制技術(shù)，田雪蓮[25]設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)，智能終端包含的模塊有車輛信息采集、GPS、GPRS通信、屏幕顯示、語音設(shè)備、APP、MPU6050M(內(nèi)部集成了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器及數(shù)字運(yùn)動處理器)、SDRAM、時鐘、電源等。詹新生等[26]也進(jìn)行了類似的設(shè)計(jì)和終端研制?？悼档萚27]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的移動式農(nóng)機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括以單片機(jī)為核心的底層終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心2個部分，二者之間利用移動無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用GPS/BDS雙模定位獲取農(nóng)機(jī)地理位置信息，編程控制拖拉機(jī)行駛路徑，同時在監(jiān)控中心繪制路徑，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田作業(yè)面積、地理位置、運(yùn)動參數(shù)和農(nóng)田環(huán)境等參數(shù)的采集。馮小川等[28]設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測終端由微控制器、衛(wèi)星定位模塊、無線通信傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源處理模塊、顯示報(bào)警裝置、機(jī)具識別裝置、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測裝置、圖像采集裝置、衛(wèi)星定位天線、無線通信天線組成。

智能終端的硬件往往與上位平臺中一些軟硬件相互融合、相互作用，處于承上啟下的地位。上位平臺包括單純的信息采集系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)監(jiān)管服務(wù)平臺或調(diào)度系統(tǒng)[29-40]。

5 結(jié)論

(1)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備和農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢。新時期，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備與這些技術(shù)的融合也呈現(xiàn)質(zhì)的飛躍。鑒于上述技術(shù)飛速發(fā)展和學(xué)科交叉及相互融合，為智能農(nóng)機(jī)和農(nóng)機(jī)智能化的研發(fā)、推廣、普及、產(chǎn)業(yè)升級等提供了技術(shù)基礎(chǔ)和機(jī)遇。長期以來，黨中央和各級政府制定了許多推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)機(jī)的政策，這些政策都有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化、自動化及農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。

(2)智能終端目前發(fā)展良莠不齊，部分產(chǎn)品穩(wěn)定性差，挫傷了農(nóng)民使用的積極性。此外，高端產(chǎn)品成本較高，不利于在已有農(nóng)機(jī)產(chǎn)品實(shí)施智能化推廣。所幸的是，智能終端逐步進(jìn)入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼范圍，必將有利于全國范圍內(nèi)的智能終端推廣。

(3)目前智能終端的生產(chǎn)、研制和應(yīng)用呈現(xiàn)百花齊放、百家爭鳴的態(tài)勢。智能終端的接口和功能不盡相同。為了提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平，從整體上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化和現(xiàn)代化，管理部門應(yīng)該制定相應(yīng)的智能終端國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于推廣型或者進(jìn)入國家平臺的終端，應(yīng)確保接口、功能及界面的標(biāo)準(zhǔn)化，提高互換性，實(shí)現(xiàn)不同企業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械、不同企業(yè)的農(nóng)機(jī)具、不同配套廠商的終端設(shè)備的互聯(lián)互通，促進(jìn)智能終端企業(yè)的有序競爭，利于產(chǎn)業(yè)升級，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)水平的不斷提高。