基于物聯網的移動式農機設備監控系統

康 康，陳忠國，王林鳳，湯自強，蔣 猛

(1.西南大學工程技術學院，重慶 400715；2.貴州省遵義市播州區農牧局，貴州遵義 563100)

物聯網又被稱為“傳感網”，是指將各種信息傳感設備如射頻設備、紅外線設備、全球定位裝置、激光掃描裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大的物物相連網絡[1-2]。武洪峰提出了物聯網技術主要實現對農機作業遠程監控和調度[3]，只提出了理論構思且功能單一，無法滿足當代精準農業的要求，同時也沒有搭建系統試驗平臺進行驗證。測量農田面積是農業生產管理的一項必不可少的工作，也是判斷農機作業效率的重要依據[4-5]。農機故障自診斷系統是未來農機故障診斷的發展方向，目前汽車自診斷系統廣泛應用基于車載診斷系統(on-board diagnostics，簡稱OBD)的外部配套設備，用來讀取汽車參數和故障碼，實現對汽車的故障精確判斷[6]。本研究提出應用OBD-Ⅱ系統自診斷農機故障，實現遠程監控農機故障并自動顯示其故障信息。

本研究提出的基于物聯網的移動式農機設備監控系統可實現2個主要功能：一是作業面積、土壤溫濕度、農機運行參數和地理位置等信息的采集，并上傳到監控中心實時進行監控顯示；二是應用OBD-Ⅱ系統依據采集的數據信息自診斷農機故障信息，遠程監控中心依據故障信息派遣維修人員，同時管理人員可依據農機設備分布狀況下發調度命令。

1 移動式農機設備監控系統總體結構設計

基于物聯網的移動式農機設備監控系統可分為底層終端系統、遠程監控中心2個主要部分，二者之間以手機為應用終端利用移動無線通信網絡傳輸數據，實現底層終端與遠程監控中心的雙向通信，系統結構原理如圖1所示。

遠程監控終端包括服務器、云計算機、終端用戶等。底層終端除以單片機為核心的微控制以外，還包括故障診斷模塊、發動機轉速傳感器、行駛速度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、藍牙模塊、全球定位系統(global positioning system，簡稱GPS)/北斗雙模定位模塊和地理信息系統(geographic information system，簡稱GIS)等。應用GPS/北斗雙模定位模塊和GIS實現對移動農機設備的定位和地理位置信息的采集功能。GPS/北斗雙模定位模塊與單片機控制器之間應用串口接口通信，應用OBD-Ⅱ標準接口實現控制器與移動式農機設備的連接，二者之間應用控制器局域網絡2.0(controller area network 2.0，簡稱CAN 2.0)總線通信協議。單片機控制器將采集回來的各種數據，經無線傳輸網絡送至服務器處理分析后，在遠程監控中心用戶終端顯示作業面積、地理位置、農田環境信息和農機運行參數等信息，同時依據農機分布狀況下發調用農機設備的命令。

2 底層終端系統和數據傳輸網絡

2.1 底層終端系統

在移動式農機設備上安裝底層終端系統，該系統主要包括底層硬件平臺、GPS/北斗雙模定位模塊、數據采集模塊和藍牙模塊(圖2)。數據采集模塊包括采集田間環境的溫度傳感器、濕度傳感器、行駛速度傳感器、發動機轉速傳感器和故障診斷儀等；底層硬件平臺包括由我國推出的STC12C5A60S2核心電路，分別處理來自各傳感器收集的移動式農機設備及環境的相關信息、GPS/北斗雙模定位信息、獲取的作業面積和地理位置信息；同時依據移動式農機設備的工作參數和故障診斷儀對農機設備進行故障診斷，判斷農機設備是否發生故障；底層終端單片機控制器利用藍牙無線通信與智能手機通信獲取以上的信息，然后通過移動無線通信網絡傳輸到遠程監控中心。管理人員登錄遠程監控中心管理系統可以查詢相關信息，同時可以依據接收到的信息數據發送相應的指令。

2.2 農機設備定位和定位原理

本底層終端應用可以實現對農機設備的自動定位，安裝在移動式農機設備的GPS/北斗雙模定位的接受器，實時接受衛星發射器的信號同時獲取農機設備的經度和緯度信息[7-9]，依據GIS地理位置信息系統顯示農機設備的地理位置信息。本系統分別應用GPS全球定位和北斗具有短報文通信、雙向通信的優點[10-11]，采用WGS-84坐標系、BJ-54坐標系和建立偽距方程以精確獲取農機設備的地理位置信息。

由圖3可見，建立偽距方程，假設接收機的坐標為B、L、H(分別表示該點的經度、緯度和高度坐標)，接收機時鐘與北斗系統的時間基準(beidou time，簡稱BDT)，GPS系統的時間基準(GPS time，簡稱GPST)的偏移分別為tu1、tu2。衛星信號接收機接收到第i顆衛星的偽距，t時刻時，試點P到衛星s1、s2、s3、s4、…、si的距離為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、…、ρi，通過衛星發送的導航電文解譯出衛星的三維坐標(xi，yi，zi)，i=1，2，3，…，n，則單點定位求解的三維坐標的方程為：

(1)

式中：x、y、z為三維空間坐標；c為光速，m/s；δ為接收機鐘差，雙系統采用4顆衛星，接收機采用雙系統四星定位進行定位求解方程如下：

(2)

式中：ρi表示BDS衛星到接收機的偽距；ρj表示GPS衛星到接收機的偽距，i+j=4。

(3)

式中：tBDS表示BDS的系統時鐘；tGPS表示GPS的系統時鐘；tR表示接收時鐘。在采用雙系統四星定位時，聯立方程(2)、(3)，利用最小二乘法求解方程組，獲得接收機位置的坐標。

2.3 無線數據傳輸網絡

由圖4可見，農業物聯網在信息傳輸過程中要經過1個或多個不同架構的網絡才能完成通信。底層終端設備上采集的作業面積、地理位置、工作狀況等信息數據經過壓縮后，通過藍牙無線通信傳送至智能手機應用終端，再通過手機的3G或4G無線網絡系統將上述信息數據上傳至Internet有線網絡系統，最后被傳送至監控中心[12-14]。上述有線網絡和無線通信網絡融合共同完成視頻和監控數據的可靠傳輸。無線數據傳輸是雙向的，既可以實現數據的上傳，又可以下發控制指令。

3 遠程監控系統設計

3.1 農機作業面積

主要應用GPS/北斗雙模定位接收器采集移動農機設備的地理位置信息，將移動式農機設備繞農田邊界行駛1周，接收器不斷接收衛星的信號，實時記錄其經、緯度坐標數據，按照公式(4)，將GPS/北斗雙模定位接收器采集的經、緯度坐標轉換為大地坐標，然后上傳至監控中心進行分析和處理，利用公式(5)編程計算多邊形面積，可以得到農機耕作面積。

(4)

s=∑yi×(xi+1-xi-1)。

(5)

式中：地球半徑(R)取值為6 371 116 m；B為經度，°；L為緯度，°；x、y分表示大地坐標的橫軸、縱軸；s為多邊形農田面積，m2。

3.2 通信協議

本系統應用CAN 2.0的OBD-Ⅱ故障診斷接口，包括數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀等4種不同類型的幀[15]。CAN 2.0中主要有標準幀和擴展幀2種不同的幀格式。前者有11位標志符，后者有29位標志符。將相應傳感器采集的故障診斷參數應用J1939協議CAN擴展幀進行傳輸。將19位SPN(service principal name)用來存放標示電控單元特殊部件、部件或參數編號，每個參數有確定的狀態量或者測量值。狀態量包括發動機啟動和移動設備開啟，測量數據包括拖拉機的發動機轉速、油溫度等，系統讀取故障診斷代碼自動診斷故障信息，幀格式如表1所示。

3.3 農機設備調度

基于物聯網的移動式農機設備監控系統中移動無線通信網絡是雙向的，除了底層終端能向監控中心傳輸數據以外，管理人員還可以登入此管理系統讀取獲得的農機分布狀況信息和移動農機設備的故障信息，依據以上信息調度農機設備以及派遣維修人員及時處理農機故障。

表1 J1939幀格式

3.4 農機設備故障診斷

用標準的OBD-Ⅱ接口連接移動式農機設備和汽車故障診斷儀讀取故障診斷碼，控制中心分析處理后上傳監控中心反饋部件故障信息以便及時維修農機設備。故障碼由2個字節二進制數表示，故障碼是由字母和數字混合組成的5個字符，如“P0300”。根據16位OBD-Ⅱ故障碼可以獲取移動農機設備的動力系統、車體、底盤、通信等四大故障。OBD-Ⅱ與移動式農機設備控制器之間的通信協議為CAN 2.0，運行有9種故障診斷模式。單片機控制依據監控傳感器上傳的數值信息，判斷電控部件和執行部件能否正常工作，對故障解碼后分析處理以判別故障類別和故障部位并轉換為文本格式再傳送至監控中心。

3.5 農田環境監控

農田的溫度和濕度對農作物生產具有重要的影響，溫度傳感器采用美國進口的數字溫度傳感器18B20，精度高達±2%，濕度傳感器直接選用土壤溫度傳感器。在耕種的田間中安裝多個基于ZigBee無線收發模塊，每個采集點的溫、濕度信息通過串口與微控制器連接，這就構成1個基于ZigBee無線采集節點，N個節點共同構成1個無線網絡[16]。ZigBee無線傳感器執行網路有1個協調器控制與底層終端控制器進行數據傳輸。節點和傳感器通電后，自動采集相應數據信息，并把物理地址和監控的數據發送給協調器，協調器把節點的地址信息和監控的數據通過串口發送給處理器并存儲起來，最終在遠程監控中心顯示出來。

4 系統試驗測試

4.1 定位精度測試

在一塊空曠的農田中分別測試安裝有GPS、北斗衛星導航系統(beidou navigation satellite system，簡稱BDS)、GPS/BDS雙模定位接受器的移動式農機設備位置信息，5 min內采集300個樣點的經度、緯度坐標并將其轉換為大地坐標。分別計算這300個點的平均值、均方差、偏差，以獲取3種定位方式的精度。由表2可知，GPS/北斗雙模定位精度明顯高于GPS和單獨定位BDS模式，且定位穩定性最高，因此本系統設計選擇BDS+GPS雙模定位模式。

表2 3種模型定位精度

4.2 作業路徑測試

應用VC編程控制拖拉機按照規定的路徑行駛，預測路徑為5 m×30 m的平行線行駛。在平坦農田中進行試驗，將本系統安裝在拖拉機上開啟自動導航模式，以10 km/h速度行駛，在監控中心繪制移動農機設備的運動路徑，如圖5所示。測試試驗表明，拖拉機能按規定路徑行駛，實現自動掉頭、直線行駛。但是預測路徑和實際行走路徑存在誤差，最大誤差為0.3 m，控制精度還須要進一步提高，控制算法須不斷改進。

4.3 現場試驗

將本系統安裝在農用拖拉機上，在重慶市南川區大觀鎮進行田間試驗，將拖拉機繞農田邊界行駛1周。數據采集端實時采集農機設備的地理位置、農田環境和農機運行參數等信息；單片機控制通過藍牙將以上信息送至手機終端，手機將信息送至Internet網絡，最終送至遠程監控中心；監控中心接收到終端采集回來的數據進行分析處理后將其顯示出來(圖6)，作業面積為3.25 hm2，采集當地農田溫度為 24.5 ℃，土壤濕度為35.0%，拖拉機行駛速度為50 km/h，發動機轉速為1 500 r/min，當地的經度、緯度分別為29.10°、107.50°，誤差為0.05%。實際作業面積為3.363 hm2，誤差為3.40%。

5 結論

本研究提出1種基于物聯網的移動式農機設備監控系統，以推進農業生產科學化管理和現代化發展。本系統數據傳輸網絡以手機為中介，無須專門的數據傳輸網絡，雙向傳輸相關信息大大降低了應用成本。選擇GPS/北斗雙模定位利用四星定位原理，精確獲得農機的地理位置信息。實現底層終端實時向監控中心上傳農田環境、農機運行參數、地理位置和作業面積等信息并自診斷移動式農機設備故障，同時管理人員登錄遠程監控中心下發調度農機設備和派遣維修人員的命令。

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