農業機械裝備智能終端發展現狀

高江永，侯永勝，張桐林，史海玲，翟學迪，李軍葉

(中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083)

0 引言

農業機械化與信息化是農業現代化的重要體現，是實施鄉村振興戰略的重要支撐。隨著信息技術、傳感器技術、大數據及物聯網等技術在農業和農機行業的不斷結合、應用與普及，智能化農機裝備不斷更新換代，并源源不斷地應用于農業生產、農業管理及農業服務中。

農業機械智能終端是智能農機必不可少的組成部分，也是實現農業機械智能化、信息化過程中為農機配套安裝的前端裝備。鑒于智能終端在農機智能化過程中的重要作用，本文從智能終端的功能、類型、硬件構成等角度，對智能終端的研究和應用現狀進行深入闡述與分析，并給出智能終端發展和應用的建議。

1 農業機械智能化

農業機械裝備服務于農業生產各個環節，涵蓋耕整地、播種、收獲、收獲后秸稈還田離田、植保、施肥及灌溉等環節。這些環節中常見的農業機械裝備包括拖拉機、耕整地機械、深松機、噴藥機、噴灌機、聯合收割機、植保無人機、插秧機、采棉機等。

農業機械智能化是農業現代化、精準化及農業信息化的必然要求和發展趨勢。從技術角度來講，農業機械裝備的智能化是農業機械裝備與互聯網/物聯網、5G技術、傳感器技術、電子技術、大數據等技術的深度融合。

目前，智能化農機可用于遠程監控、自動導航、作業路徑規劃、工作狀態監測、農事作業監測、農機無人駕駛和輔助駕駛、多機協同作業、農機補貼申報與辦理、農業機械調度與調配，以及農業多領域信息化管理。實現農業機械化裝備智能化的主要思路是在現有農機裝備上加裝用于感知機外工作環境和農機機器狀態的傳感器，并通過一定的數據采集模塊與傳輸模塊將農機的工作狀態、作業情況及環境情況等信息傳輸至管理云平臺，以此實現農機的信息化狀態監控與管理調度。

隨著各類新技術的突破和應用，農業機械的智能化、安裝智能終端的應用和研究已經成為熱點。在湖北省，基于北斗的智能終端主要安裝在拖拉機、收割機、插秧機、農用無人機4類作業機具上，作業監測覆蓋耕整地、播種、植保、收獲、秸稈還田離田5個主要作業環節，解決了農業補貼資金因數據不精準帶來的管理風險[1]。馮小川等[2]研究了廣東省農機信息化服務平臺建設與推廣應用情況，其農機信息化服務平臺涵蓋播種、插秧、植保、收割、深松等多種農業作業機具，作業機具需安裝遠程監測終端，該終端用于農機作業參數信息的獲取和傳輸，可適配多種不同的傳感器以便于實現農機作業數據采集。借助依托于遠程監測終端的信息化服務平臺，管理部門可以實現作業機具的精準定位、狀態檢測、作業統計、信息管理、調度、報表統計等功能，用戶或農機駕駛員可以通過手機APP、微信公眾號和電腦客戶端等多類型客戶端使用該平臺，查詢有效作業面積、農機實時定位和軌跡，完全實現了高效率的農機和農機駕駛員的調度管理。

農機自動導航和自動駕駛、各類作業監控、聯合調度也有諸多學者開展研究[3-10]。

2 智能終端功能

智能農業裝備集復雜農業機械、智能感知/智能決策/智能控制、大數據/云平臺/物聯網等技術為一體，可自主、高效、安全、可靠地完成農業作業任務[11]。

智能終端屬于農業機械裝備中控制裝置的一部分。監控終端是一個狀態監控系統，可實時顯示農機的運行狀態，國際標準ISO11783是農業、森林機械的總線標準，其對監控終端的功能、界面布局等做了詳細規定[12]。目前，我國行業內的智能終端不僅限于ISO11783給出的定義，往往還從農機物聯網或者農業物聯網的角度出發，寬泛地把能反映農機及其工作環境的信息模塊都稱為智能終端。

智能終端在農業物聯網中的作用有感知外界信息、傳遞所感知的信息或指令、顯示工作或環境的信息、人機交互指令和信息等。在智能農機或者農機智能化的應用和研究中，智能終端的主要功能為虛擬作業顯示功能、監控作業狀態、動力和機具運轉狀態監測、定位、數據采集、數據傳輸、故障診斷、遠程控制、數據處理與分析、數據存儲與查詢、防止拆卸。

智能終端生產企業有兩類：一類是農機企業，生產的智能終端直接配套自己生產的農機產品，農機功能和智能終端無縫銜接，完成農機的控制與監控；另一類是智能終端配套廠家，可以為不同農機企業配套生產智能終端，或者生產通用的智能終端。

農機具種類非常多，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。在國際高端農機產品中，虛擬作業顯示、監控作業狀態、動力和機具運轉狀態及故障診斷等功能比較常見。高端農機具配備的智能終端通常由顯示區和控制區組成，顯示區可顯示不同農具(犁、旋耕機、播種機、收獲機、噴藥機等)的工作過程參數。使用這些智能終端，顯著提高了機具駕駛人員的駕駛舒適性和控制靈活性；同時，由于其擁有良好的人機交互功能，也提高了農機具的操控性。劉成良等[11]對比了國內外的終端設備，特別是全面綜述了一些大型農機公司和終端配套公司的虛擬終端產品現狀。張明柱等[12]研制了基于ISO11783標準的農業機械虛擬終端，該終端具備虛擬作業顯示功能。崔明明[13]以ISO11783標準中的虛擬終端作為研究對象，針對電子控制單元(ECU)通過虛擬終端表達人機界面的工作組對象池設計，研究了對象池在虛擬終端中解析與顯示等問題。

國內的智能終端產品主要功能集中在衛星定位、無線數據傳輸、數據采集，特別是在因涉及農機補貼而配裝的北斗智能終端中，這種情況表現得更為明顯。蘇仁忠[1]報道，在農機深松作業監測中，通過北斗信息化手段對作業面積、作業質量、作業效果進行在線監控和審核。由于農業部門對深松作業的相關政策要求，這方面的研究數量比較多[7，14-17]。

3 智能終端類型

3.1 不具備人機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現，在國內應用較多。農業機械的智能化，往往在現有農機裝備上安裝此類終端，實現單體農機位置、作業信息的收集和傳輸。單體農機的信息上傳到管理平臺后，由平臺進行評估和分析，最終實現單體農機作業情況和設備狀態的統計，并完成區域農機的調度工作。王春山等[18]指出，農機調配管理平臺功能與機載采集單元功能類似。王喜恩等[19]開發了一種基于嵌入式web服務器的農機車載終端，實現了對農機運行參數的遠程在線監測，滿足了低成本數據遠程傳輸和控制要求，并根據用戶功能需求，實現了車載終端的硬件封裝。

3.2 具備人機交互功能的智能終端

此類智能終端又可以分為虛擬終端、工業計算機及移動設備。

虛擬終端往往具備傳感器數據采集、存儲及處理功能，顯示虛擬設備的工作狀態，下達設備工作指令，具備動力和農機具的狀態監測與故障診斷等多種功能。這一類終端屬于智能農業機械裝備，是高端農機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機調度等工作。當所在區域沒有管理平臺，僅由駕駛員單獨操作農機時，這類終端也可以單獨使用，用于操控農機裝備，監測顯示作業狀況和農機工作狀態。該類智能終端的應用多見于國內外大型智能農機具[11，13]。劉曉光等[20]以ARM9處理器及觸摸屏為核心，采用Windows CE操作系統基于CAN總線完成了農機導航控制系統終端的硬件系統和軟件系統的研制。

以工業計算機或者車載計算機作為核心處理模塊，可高效完成數據通信與處理，顯示作業狀態。王新忠等[21]設計了一種基于CAN總線的拖拉機車載智能終端，可以用于大型拖拉機的作業監測。車載智能終端集車載計算機、網絡通信、軟件編程等技術為一體，通過軟件和硬件配置，超越傳統農機儀表的功能，具有圖形及數字混合顯示、虛擬儀表及操作方便等特點。

基于移動設備(智能手機、各類PAD)的智能終端，在實際應用中占有非常大的比例[3，10，22-24]。智能手機和各類PAD功能強大，且隨著技術的成熟而成為人們的日常用品?；谥悄苁謾C或者智能移動終端IPAD而開發的APP或者微信小程序，都可以實現農機的位置信息和作業信息的采集和傳輸，方便快捷。吳才聰等[3]基于Windows平板電腦和Google Map地圖組件，開發了便攜式農機管理調度原型系統，實現了位置報告、機具監控、中心導航和移動指揮等功能。

4 智能終端硬件結構

農業機械智能化的主要功能包括虛擬作業顯示、監控作業狀態、動力和機具運轉狀態監測、定位、數據采集、數據傳輸、故障診斷、遠程控制、數據處理與分析、數據存儲與查詢、防止拆卸。

為實現智能終端的功能和作用，智能終端的硬件構成有衛星定位、無線傳輸、電源、人機交互、核心控制、數據接口(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。

結合Android和嵌入式控制技術，田雪蓮[25]設計了一套農業車輛智能終端控制系統，智能終端包含的模塊有車輛信息采集、GPS、GPRS通信、屏幕顯示、語音設備、APP、MPU6050M(內部集成了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器及數字運動處理器)、SDRAM、時鐘、電源等。詹新生等[26]也進行了類似的設計和終端研制?？悼档萚27]提出一種基于物聯網的移動式農機設備監控系統，主要包括以單片機為核心的底層終端和遠程監控中心2個部分，二者之間利用移動無線通信網絡進行數據傳輸。利用GPS/BDS雙模定位獲取農機地理位置信息，編程控制拖拉機行駛路徑，同時在監控中心繪制路徑，實現對農田作業面積、地理位置、運動參數和農田環境等參數的采集。馮小川等[28]設計的農機作業監測終端由微控制器、衛星定位模塊、無線通信傳輸模塊、數據存儲模塊、電源處理模塊、顯示報警裝置、機具識別裝置、作業狀態監測裝置、圖像采集裝置、衛星定位天線、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、狀態監測系統、故障診斷系統、遠程監控系統、農機監管服務平臺或調度系統[29-40]。

5 結論

(1)智能農業機械裝備和農業機械的智能化是實現農業現代化的必然趨勢。新時期，隨著計算機、傳感器、物聯網、5G等技術的飛速發展，傳統農機裝備與這些技術的融合也呈現質的飛躍。鑒于上述技術飛速發展和學科交叉及相互融合，為智能農機和農機智能化的研發、推廣、普及、產業升級等提供了技術基礎和機遇。長期以來，黨中央和各級政府制定了許多推進智慧農業、智能農機的政策，這些政策都有利于農業機械的智能化、自動化及農業信息化發展。

(2)智能終端目前發展良莠不齊，部分產品穩定性差，挫傷了農民使用的積極性。此外，高端產品成本較高，不利于在已有農機產品實施智能化推廣。所幸的是，智能終端逐步進入農機補貼范圍，必將有利于全國范圍內的智能終端推廣。

(3)目前智能終端的生產、研制和應用呈現百花齊放、百家爭鳴的態勢。智能終端的接口和功能不盡相同。為了提升農業機械的智能化水平，從整體上實現農業數字化和現代化，管理部門應該制定相應的智能終端國家或行業標準，對于推廣型或者進入國家平臺的終端，應確保接口、功能及界面的標準化，提高互換性，實現不同企業的農業機械、不同企業的農機具、不同配套廠商的終端設備的互聯互通，促進智能終端企業的有序競爭，利于產業升級，促進行業技術水平的不斷提高。