農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

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(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和信息化水平的不斷提高，其發(fā)展過(guò)程中的缺點(diǎn)與不足也暴露出來(lái)。針對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與調(diào)控手段缺乏、作業(yè)過(guò)程難以監(jiān)管等問(wèn)題，農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的科研人員相繼開(kāi)發(fā)了多種智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-4]，馮小川等[5]開(kāi)發(fā)的農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)終端可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)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(jì)開(kāi)發(fā)了收割機(jī)液壓部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓部件工作性能的模糊綜合評(píng)價(jià)。

結(jié)合江蘇農(nóng)博園農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)訓(xùn)基地實(shí)際情況，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、作業(yè)面積自動(dòng)測(cè)算、作業(yè)質(zhì)量在線評(píng)價(jià)等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)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(cè)終端、角度傳感器等組成；軟件系統(tǒng)由云服務(wù)器、WEB端平臺(tái)與小程序終端三部分組成。拖拉機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員通過(guò)安裝在拖拉機(jī)上的觸摸屏進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置、運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)任務(wù)配置、農(nóng)機(jī)類型和編號(hào)配置等操作，觸摸屏參數(shù)配置頁(yè)面如圖2所示。

圖2 觸摸屏參數(shù)配置頁(yè)面

完成系統(tǒng)參數(shù)后啟動(dòng)機(jī)具進(jìn)行作業(yè)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過(guò)4G遠(yuǎn)程通訊模塊將機(jī)具當(dāng)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(wù)器，可通過(guò)WEB端平臺(tái)、手機(jī)小程序在線對(duì)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(jì)

2.1 作業(yè)參數(shù)檢測(cè)終端設(shè)計(jì)

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(cè)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(cè)終端使用STM32F103RBT6單片機(jī)芯片作為控制核心，共設(shè)計(jì)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(cè)終端電路原理圖如圖3所示。終端實(shí)時(shí)采集角度傳感器、移動(dòng)基站等檢測(cè)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(jìn)行下一步的分析處理，然后通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過(guò)4G遠(yuǎn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。

圖3 作業(yè)參數(shù)檢測(cè)終端電路原理圖

2.2 嵌入式DTU功能設(shè)計(jì)

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(diǎn)。嵌入式DTU實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 嵌入式DTU實(shí)物圖

具體功能有：一是GPS定位：通過(guò)外接GPS定位終端，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)高精度定位；二是數(shù)據(jù)采集：通過(guò)RS485與農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)檢測(cè)終端建立通訊，實(shí)時(shí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)DVI-I通訊線連接，可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、農(nóng)機(jī)綁定、作業(yè)掃描等功能，并在工作監(jiān)視界面，對(duì)通信狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；四是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)：嵌入式DTU支持4G、以太網(wǎng)、WIFI等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)選擇使用4G網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，需要插入標(biāo)準(zhǔn)SIM卡，并將4G天線與DTU連接，即可實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)與云服務(wù)遠(yuǎn)程交互。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 WEB端平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由本地的觸摸屏、WEB端平臺(tái)與小程序平臺(tái)三部分組成。其中觸摸屏主要用于系統(tǒng)運(yùn)行前的參數(shù)設(shè)定、作業(yè)參數(shù)監(jiān)測(cè)、報(bào)文打印等功能；WEB端平臺(tái)可實(shí)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(cè)、作業(yè)質(zhì)量在線分析及作業(yè)效果效率在線評(píng)價(jià)等功能；小程序平臺(tái)主要為了方便用戶實(shí)際使用，其功能與WEB平臺(tái)類似。

WEB端平臺(tái)首頁(yè)面如圖5所示，用戶通過(guò)瀏覽器進(jìn)入平臺(tái)，在首頁(yè)可通過(guò)可視化地圖管理地塊，對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)面積、作業(yè)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，查看待辦任務(wù)等，左側(cè)導(dǎo)航欄可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)管理、配置管理、平臺(tái)管理、維修保養(yǎng)、遙感監(jiān)測(cè)等功能，通過(guò)安裝在田塊的氣象站對(duì)局部區(qū)域的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

圖5 WEB端首頁(yè)面

點(diǎn)擊進(jìn)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(jī)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、設(shè)備地址、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一欄可以查詢農(nóng)機(jī)當(dāng)前實(shí)時(shí)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(jī)作業(yè)軌跡，其中藍(lán)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(jī)作業(yè)效果，作業(yè)監(jiān)控頁(yè)面如圖6所示。

圖6 作業(yè)監(jiān)控頁(yè)面

3.2 微信小程序端設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)使用過(guò)程中，為了使用快捷，同時(shí)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于微信小程序的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)場(chǎng)、地塊、農(nóng)機(jī)、設(shè)備等管理，微信小程序頁(yè)面如圖7所示。用戶通過(guò)系統(tǒng)預(yù)先分配的賬號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)中，在首頁(yè)可查看農(nóng)場(chǎng)局域環(huán)境參數(shù)、待辦任務(wù)等，在任務(wù)頁(yè)面中可以查看未開(kāi)始、進(jìn)行中、已結(jié)束三種狀態(tài)下的作業(yè)任務(wù)，在作業(yè)頁(yè)面中可查看農(nóng)機(jī)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(shí)，提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)效率。

圖7 微信小程序頁(yè)面

4 結(jié)論

農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持對(duì)拖拉機(jī)、插秧機(jī)、植保機(jī)、收割機(jī)等多類型農(nóng)機(jī)進(jìn)行作業(yè)監(jiān)測(cè)，具有定位、軌跡查詢、耕深監(jiān)測(cè)、面積測(cè)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(cè)內(nèi)容需進(jìn)一步完善，加強(qiáng)系統(tǒng)適用場(chǎng)景。