農(nóng)機深松作業(yè)智能監(jiān)測系統(tǒng)車載終端設(shè)計

吳瑞聰

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

實施農(nóng)機作業(yè)智能化監(jiān)控，為農(nóng)機作業(yè)補貼政策的實施提供了強有力的技術(shù)支持，為各級政府提供了補貼和結(jié)算的定量資料，確保了政府對農(nóng)機補貼的直接投入，提高了農(nóng)業(yè)的整體生產(chǎn)能力。同時，也可以推動農(nóng)機裝備行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，刺激農(nóng)機智能監(jiān)測設(shè)備企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)更多智能化信息化設(shè)備，更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通過對農(nóng)機作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)面積、作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)測，極大地降低了農(nóng)機作業(yè)調(diào)度和統(tǒng)計工作的難度，減輕了農(nóng)機作業(yè)的管理壓力。

1 深松和秸稈還田的技術(shù)條件

玉米秸稈機械化收割后，將秸稈直接粉碎還田，碾壓深度為5 cm~10 cm，并在地面上均勻撒播。若收割玉米秸稈，應(yīng)使用滅茬器在10 cm~12 cm深度的范圍內(nèi)進行滅茬。

深翻深度為25 cm~30 cm，扣垡緊密，不留溝槽；翻土后，地面平整、破碎，10 m以內(nèi)的高度偏差不大于10 cm，表面殘茬不大于10%。

深松的原則是要打破耕層，耕層厚度不得小于30 cm，每一行的深度偏差不得超過2 cm。在播種過程中，秸稈不拖沓、深淺均勻、不輕不漏，保證地表平整、土壤細碎，達到“上實下虛”的“待播狀態(tài)”[1]。

智能化監(jiān)控技術(shù)的實現(xiàn)，需要將農(nóng)機作業(yè)信息、衛(wèi)星定位信息、作業(yè)狀態(tài)信息等，由農(nóng)機作業(yè)智能監(jiān)控終端進行分析；通過計算、分析作業(yè)質(zhì)量，統(tǒng)計面積，儲存資料，精確監(jiān)控機械作業(yè)狀況和作業(yè)面積。

2 農(nóng)機深松作業(yè)智能監(jiān)測系統(tǒng)車載終端的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)于20世紀90年代，迄今為止，經(jīng)過約30年的發(fā)展，其已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的一個重要部分。物聯(lián)網(wǎng)是利用多種通信技術(shù)將不同的應(yīng)用對象形成一個網(wǎng)絡(luò)，通過不同的應(yīng)用對象進行信息交流，使其能夠在各種情況下進行不同的應(yīng)用，從而實現(xiàn)智能識別與控制等功能。物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)、對象信息采集、通信技術(shù)等為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以真正做到萬物互聯(lián)[2]。通過對物聯(lián)網(wǎng)的通信目標和過程的分析，可以歸納為信息感知、安全傳輸?shù)忍攸c。

傳感器技術(shù)是信息感知的重要組成部分，利用射頻識別技術(shù)、二維碼技術(shù)以及大量的智能感應(yīng)器等實現(xiàn)多種形式的信息采集，再利用現(xiàn)代通信技術(shù)，對所采集的目標信息進行安全、可靠的傳輸[3]。通過與互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)能夠準確、高速地傳輸所感知到的數(shù)據(jù)信息。智能化處理是利用大數(shù)據(jù)、云計算等多種智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析、處理，并給出智能分析的方法，從而實現(xiàn)智能監(jiān)控。

在現(xiàn)實生活中，物聯(lián)網(wǎng)具有明顯的層次結(jié)構(gòu)。一是位于最下層的數(shù)據(jù)感知層，它的主要功能是通過多種信息收集裝置對外部目標進行識別，并獲取目標的基本信息。二是位于中間的網(wǎng)絡(luò)傳輸層，它的主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)感知層中的目標進行識別和收集，并通過通信網(wǎng)絡(luò)進行安全、有效地傳送[4]。三是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用決策層，其主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)感知層中的信息進行及時的處理，對其進行科學(xué)的管理，并在必要時對其進行調(diào)用，以達到對目標對象的實時控制與智能管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的特點，結(jié)合典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對深松作業(yè)進行了智能化監(jiān)控。該系統(tǒng)通過感知層上的感測裝置，獲得農(nóng)機深松作業(yè)的相關(guān)信息，然后由網(wǎng)絡(luò)層將采集到的資料安全、有效地傳送，最終在應(yīng)用層進行作業(yè)區(qū)域的處理。

2.2 GPS導(dǎo)航技術(shù)

GNSS技術(shù)是一種利用GNSS衛(wèi)星進行解算而獲得坐標系統(tǒng)中絕對定位坐標的一種技術(shù)，它能為使用者在地表或近地空間中的任意位置提供全天候的三維坐標和速度信息，導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理就是利用測距原理來確定方位點的坐標。在農(nóng)機具上裝載車載終端進行深松作業(yè)的時候，人造衛(wèi)星不斷地向農(nóng)機具發(fā)射信號，每次發(fā)射都有一段發(fā)射時間[5]，農(nóng)用機械設(shè)備在收到信號后又會有一段接收時間。發(fā)射時間與接收時間的差值即為信號在發(fā)射時所耗費的時間，衛(wèi)星在整個發(fā)射過程中的傳播速率為s，利用兩個時差與衛(wèi)星信號的傳播速率之積來確定農(nóng)機與衛(wèi)星的距離。假定農(nóng)田上的農(nóng)業(yè)機械的坐標是(x,y,z)，理論上，只需要三個衛(wèi)星組成3個方程式，就可以得到3個坐標，但由于信號在實際傳輸?shù)臅r候會通過電離層造成延遲，所以實際的距離要小于光速與時差的乘積。因此，在進行農(nóng)業(yè)機械的空間坐標計算時，必須考慮到“鐘差”。因此，需要四顆衛(wèi)星，才能得到真正的衛(wèi)星位置。這是一種常見的定位方法，即偽距離定位。假定在農(nóng)機作業(yè)中，4個衛(wèi)星的空間坐標是(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，四顆衛(wèi)星與農(nóng)機的間距分別用a、b、c、d來表示。因此，可以用以下方式來表達偽距位置方程式：

上面的公式中a、b、c、d是被測得的偽距離，t是在傳輸過程中的時間差，四個衛(wèi)星的位置都是已知的，通過解此方程，即可得到農(nóng)業(yè)機械的三維空間坐標。

全球主要的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)是北斗BDS、美國GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 GALILEO等。GPS（Global Positioning System）是目前應(yīng)用最廣的一種，GPS使用24個網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星和4個備用衛(wèi)星，它的覆蓋范圍達到98%，能夠為全世界的使用者提供24 h的準確地理位置、行駛速度和準確的時間信息[6]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年正式投入使用，標志著我國北斗系統(tǒng)的全面成熟，其定位精度也得到了極大地提高，在與基站的差動定位中實現(xiàn)了毫米級的精確定位[7]。由于北斗導(dǎo)航已在國內(nèi)及周圍區(qū)域廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)深松作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)采用了GPS和北斗兩種模式的定位模塊。

2.3 無線通信技術(shù)

無線通信是一種利用電磁信號在自由空間中的傳播特征來實現(xiàn)信息交流的方法，它以其獨特的優(yōu)勢在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，該通信技術(shù)不依賴于工業(yè)環(huán)境，無需現(xiàn)場布線，具有很高的靈活性。按照距離的不同，可以將其分成兩種類型，其中最常用的是ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi、UWB（NFC）等。由于該監(jiān)控系統(tǒng)是在農(nóng)田進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，必須將資料上傳至服務(wù)器，因此必須使用遠程無線技術(shù)。

長距離的無線通信方式也是五花八門，比較常用的有數(shù)傳電臺、GPRS等。本文從傳輸距離、傳輸安全性、應(yīng)用領(lǐng)域等幾個方面對傳輸技術(shù)進行了分析，并對其傳輸技術(shù)進行了研究。最后，從通信距離、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸安全性、模塊費用等幾個方面綜合考慮，采用GPRS無線傳輸技術(shù)。GPRS（GSM）是中國移動公司在GSM網(wǎng)絡(luò)上運行的一項技術(shù)，這種方法是通過分組交換來實現(xiàn)的，即把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成若干個單獨的分組，將包裹編號的資料包，按照之前的順序，依次傳送。本文之所以選擇 GPRS技術(shù)，主要理由如下：

1）覆蓋范圍廣泛。近年來，由于手機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，幾乎覆蓋了國內(nèi)大部分地區(qū)，任何手機信號都能連接到手機上。

2）即時聯(lián)機。GPRS網(wǎng)絡(luò)啟動后，所有的服務(wù)都將繼續(xù)運行。由于不占用通道， GPRS會在缺省狀態(tài)下永遠處于聯(lián)機狀態(tài)，不會占用任何路由。

3）按數(shù)量計價。GPRS網(wǎng)絡(luò)是按收發(fā)的字節(jié)數(shù)收費，只有在有數(shù)據(jù)交互的情況下，才會占用帶寬，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的使用效率。

4）傳送速率。GPRS采用GSM通信，采用包交換技術(shù)，使GPRS的傳輸速率比GSM快。最大的傳輸速度是171.2 Kb/s。實際使用時，通常為56 Kb/s~1 142 Kb/s，能很好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在對該系統(tǒng)功能要求進行分析的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，給出了能在惡劣工作條件下進行農(nóng)業(yè)機械深松作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并給出了各模塊的主要功能。該系統(tǒng)由三大模塊組成：服務(wù)器、車載終端和監(jiān)控終端[8]。服務(wù)器、車載終端和監(jiān)控終端的主要功能如下。

3.1 服務(wù)器

服務(wù)器的功能是對多臺作業(yè)車終端進行統(tǒng)一的管理，將終端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C和手機上。在監(jiān)控系統(tǒng)中，服務(wù)器是應(yīng)用層，僅需與車載終端通信即可。結(jié)合深松作業(yè)流程，服務(wù)器的主要工作是對車載終端進行角度和非工作角度、圖像采集等指令的發(fā)布。同時，當(dāng)服務(wù)器接收到了來自車載終端的工作軌道坐標信息后，需要進行數(shù)據(jù)運算，并將其發(fā)送給終端，并通過車載終端將獲取的現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)進行解壓，從而實現(xiàn)實時顯示。

3.2 車載終端

作為整個系統(tǒng)的中樞，車載終端的功能是采集、存儲和上傳農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)了服務(wù)器、車載終端和監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)交互。車載終端首先對農(nóng)用機械的經(jīng)緯數(shù)據(jù)進行初步的坐標解析和時間解析。其次，將監(jiān)控終端采集到的數(shù)據(jù)進行集成和封裝，并以特定的格式進行備份。最終，將所封裝的資料以無線方式傳送至伺服器。

3.3 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端由角度信息采集、圖像采集和身份識別三部分組成。角度信息采集模塊主要是對農(nóng)機作業(yè)狀況的判定和對耕地深度的測定；圖像信息采集模塊是對牽引車和耕作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，能夠拍攝到拖拉機深松的全過程；該系統(tǒng)的功能是將各種犁體的基本資料和工作角度等信息進行存儲。

通過服務(wù)器、車載終端和監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)交互，可以實時地獲取和監(jiān)控農(nóng)機深松作業(yè)中的作業(yè)信息，并通過故障自診斷、斷點續(xù)發(fā)等措施，有效地防止了無效率操作。定位監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 定位監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

4 小結(jié)

本文在農(nóng)業(yè)智能化農(nóng)業(yè)云平臺的基礎(chǔ)上，首先，對深松作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的功能進行了調(diào)查；其次，對其功能要求進行了分析，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、GPS、無線通信等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入探討；最后，根據(jù)農(nóng)機深松作業(yè)過程中的工作流程，給出了一套智能化的農(nóng)機深松監(jiān)控系統(tǒng)，為智能農(nóng)機的發(fā)展貢獻了一份力量。