基于物联网的移动式农机设备监控系统

康 康，陈忠国，王林凤，汤自强，蒋 猛

(1.西南大学工程技术学院，重庆 400715；2.贵州省遵义市播州区农牧局，贵州遵义 563100)

物联网又被称为“传感网”，是指将各种信息传感设备如射频设备、红外线设备、全球定位装置、激光扫描装置与互联网结合起来而形成的一个巨大的物物相连网络[1-2]。武洪峰提出了物联网技术主要实现对农机作业远程监控和调度[3]，只提出了理论构思且功能单一，无法满足当代精准农业的要求，同时也没有搭建系统试验平台进行验证。测量农田面积是农业生产管理的一项必不可少的工作，也是判断农机作业效率的重要依据[4-5]。农机故障自诊断系统是未来农机故障诊断的发展方向，目前汽车自诊断系统广泛应用基于车载诊断系统(on-board diagnostics，简称OBD)的外部配套设备，用来读取汽车参数和故障码，实现对汽车的故障精确判断[6]。本研究提出应用OBD-Ⅱ系统自诊断农机故障，实现远程监控农机故障并自动显示其故障信息。

本研究提出的基于物联网的移动式农机设备监控系统可实现2个主要功能：一是作业面积、土壤温湿度、农机运行参数和地理位置等信息的采集，并上传到监控中心实时进行监控显示；二是应用OBD-Ⅱ系统依据采集的数据信息自诊断农机故障信息，远程监控中心依据故障信息派遣维修人员，同时管理人员可依据农机设备分布状况下发调度命令。

1 移动式农机设备监控系统总体结构设计

基于物联网的移动式农机设备监控系统可分为底层终端系统、远程监控中心2个主要部分，二者之间以手机为应用终端利用移动无线通信网络传输数据，实现底层终端与远程监控中心的双向通信，系统结构原理如图1所示。

远程监控终端包括服务器、云计算机、终端用户等。底层终端除以单片机为核心的微控制以外，还包括故障诊断模块、发动机转速传感器、行驶速度传感器、湿度传感器、温度传感器、蓝牙模块、全球定位系统(global positioning system，简称GPS)/北斗双模定位模块和地理信息系统(geographic information system，简称GIS)等。应用GPS/北斗双模定位模块和GIS实现对移动农机设备的定位和地理位置信息的采集功能。GPS/北斗双模定位模块与单片机控制器之间应用串口接口通信，应用OBD-Ⅱ标准接口实现控制器与移动式农机设备的连接，二者之间应用控制器局域网络2.0(controller area network 2.0，简称CAN 2.0)总线通信协议。单片机控制器将采集回来的各种数据，经无线传输网络送至服务器处理分析后，在远程监控中心用户终端显示作业面积、地理位置、农田环境信息和农机运行参数等信息，同时依据农机分布状况下发调用农机设备的命令。

2 底层终端系统和数据传输网络

2.1 底层终端系统

在移动式农机设备上安装底层终端系统，该系统主要包括底层硬件平台、GPS/北斗双模定位模块、数据采集模块和蓝牙模块(图2)。数据采集模块包括采集田间环境的温度传感器、湿度传感器、行驶速度传感器、发动机转速传感器和故障诊断仪等；底层硬件平台包括由我国推出的STC12C5A60S2核心电路，分别处理来自各传感器收集的移动式农机设备及环境的相关信息、GPS/北斗双模定位信息、获取的作业面积和地理位置信息；同时依据移动式农机设备的工作参数和故障诊断仪对农机设备进行故障诊断，判断农机设备是否发生故障；底层终端单片机控制器利用蓝牙无线通信与智能手机通信获取以上的信息，然后通过移动无线通信网络传输到远程监控中心。管理人员登录远程监控中心管理系统可以查询相关信息，同时可以依据接收到的信息数据发送相应的指令。

2.2 农机设备定位和定位原理

本底层终端应用可以实现对农机设备的自动定位，安装在移动式农机设备的GPS/北斗双模定位的接受器，实时接受卫星发射器的信号同时获取农机设备的经度和纬度信息[7-9]，依据GIS地理位置信息系统显示农机设备的地理位置信息。本系统分别应用GPS全球定位和北斗具有短报文通信、双向通信的优点[10-11]，采用WGS-84坐标系、BJ-54坐标系和建立伪距方程以精确获取农机设备的地理位置信息。

由图3可见，建立伪距方程，假设接收机的坐标为B、L、H(分别表示该点的经度、纬度和高度坐标)，接收机时钟与北斗系统的时间基准(beidou time，简称BDT)，GPS系统的时间基准(GPS time，简称GPST)的偏移分别为tu1、tu2。卫星信号接收机接收到第i颗卫星的伪距，t时刻时，试点P到卫星s1、s2、s3、s4、…、si的距离为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、…、ρi，通过卫星发送的导航电文解译出卫星的三维坐标(xi，yi，zi)，i=1，2，3，…，n，则单点定位求解的三维坐标的方程为：

(1)

式中：x、y、z为三维空间坐标；c为光速，m/s；δ为接收机钟差，双系统采用4颗卫星，接收机采用双系统四星定位进行定位求解方程如下：

(2)

式中：ρi表示BDS卫星到接收机的伪距；ρj表示GPS卫星到接收机的伪距，i+j=4。

(3)

式中：tBDS表示BDS的系统时钟；tGPS表示GPS的系统时钟；tR表示接收时钟。在采用双系统四星定位时，联立方程(2)、(3)，利用最小二乘法求解方程组，获得接收机位置的坐标。

2.3 无线数据传输网络

由图4可见，农业物联网在信息传输过程中要经过1个或多个不同架构的网络才能完成通信。底层终端设备上采集的作业面积、地理位置、工作状况等信息数据经过压缩后，通过蓝牙无线通信传送至智能手机应用终端，再通过手机的3G或4G无线网络系统将上述信息数据上传至Internet有线网络系统，最后被传送至监控中心[12-14]。上述有线网络和无线通信网络融合共同完成视频和监控数据的可靠传输。无线数据传输是双向的，既可以实现数据的上传，又可以下发控制指令。

3 远程监控系统设计

3.1 农机作业面积

主要应用GPS/北斗双模定位接收器采集移动农机设备的地理位置信息，将移动式农机设备绕农田边界行驶1周，接收器不断接收卫星的信号，实时记录其经、纬度坐标数据，按照公式(4)，将GPS/北斗双模定位接收器采集的经、纬度坐标转换为大地坐标，然后上传至监控中心进行分析和处理，利用公式(5)编程计算多边形面积，可以得到农机耕作面积。

(4)

s=∑yi×(xi+1-xi-1)。

(5)

式中：地球半径(R)取值为6 371 116 m；B为经度，°；L为纬度，°；x、y分表示大地坐标的横轴、纵轴；s为多边形农田面积，m2。

3.2 通信协议

本系统应用CAN 2.0的OBD-Ⅱ故障诊断接口，包括数据帧、远程帧、错误帧和超载帧等4种不同类型的帧[15]。CAN 2.0中主要有标准帧和扩展帧2种不同的帧格式。前者有11位标志符，后者有29位标志符。将相应传感器采集的故障诊断参数应用J1939协议CAN扩展帧进行传输。将19位SPN(service principal name)用来存放标示电控单元特殊部件、部件或参数编号，每个参数有确定的状态量或者测量值。状态量包括发动机启动和移动设备开启，测量数据包括拖拉机的发动机转速、油温度等，系统读取故障诊断代码自动诊断故障信息，帧格式如表1所示。

3.3 农机设备调度

基于物联网的移动式农机设备监控系统中移动无线通信网络是双向的，除了底层终端能向监控中心传输数据以外，管理人员还可以登入此管理系统读取获得的农机分布状况信息和移动农机设备的故障信息，依据以上信息调度农机设备以及派遣维修人员及时处理农机故障。

表1 J1939帧格式

3.4 农机设备故障诊断

用标准的OBD-Ⅱ接口连接移动式农机设备和汽车故障诊断仪读取故障诊断码，控制中心分析处理后上传监控中心反馈部件故障信息以便及时维修农机设备。故障码由2个字节二进制数表示，故障码是由字母和数字混合组成的5个字符，如“P0300”。根据16位OBD-Ⅱ故障码可以获取移动农机设备的动力系统、车体、底盘、通信等四大故障。OBD-Ⅱ与移动式农机设备控制器之间的通信协议为CAN 2.0，运行有9种故障诊断模式。单片机控制依据监控传感器上传的数值信息，判断电控部件和执行部件能否正常工作，对故障解码后分析处理以判别故障类别和故障部位并转换为文本格式再传送至监控中心。

3.5 农田环境监控

农田的温度和湿度对农作物生产具有重要的影响，温度传感器采用美国进口的数字温度传感器18B20，精度高达±2%，湿度传感器直接选用土壤温度传感器。在耕种的田间中安装多个基于ZigBee无线收发模块，每个采集点的温、湿度信息通过串口与微控制器连接，这就构成1个基于ZigBee无线采集节点，N个节点共同构成1个无线网络[16]。ZigBee无线传感器执行网路有1个协调器控制与底层终端控制器进行数据传输。节点和传感器通电后，自动采集相应数据信息，并把物理地址和监控的数据发送给协调器，协调器把节点的地址信息和监控的数据通过串口发送给处理器并存储起来，最终在远程监控中心显示出来。

4 系统试验测试

4.1 定位精度测试

在一块空旷的农田中分别测试安装有GPS、北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system，简称BDS)、GPS/BDS双模定位接受器的移动式农机设备位置信息，5 min内采集300个样点的经度、纬度坐标并将其转换为大地坐标。分别计算这300个点的平均值、均方差、偏差，以获取3种定位方式的精度。由表2可知，GPS/北斗双模定位精度明显高于GPS和单独定位BDS模式，且定位稳定性最高，因此本系统设计选择BDS+GPS双模定位模式。

表2 3种模型定位精度

4.2 作业路径测试

应用VC编程控制拖拉机按照规定的路径行驶，预测路径为5 m×30 m的平行线行驶。在平坦农田中进行试验，将本系统安装在拖拉机上开启自动导航模式，以10 km/h速度行驶，在监控中心绘制移动农机设备的运动路径，如图5所示。测试试验表明，拖拉机能按规定路径行驶，实现自动掉头、直线行驶。但是预测路径和实际行走路径存在误差，最大误差为0.3 m，控制精度还须要进一步提高，控制算法须不断改进。

4.3 现场试验

将本系统安装在农用拖拉机上，在重庆市南川区大观镇进行田间试验，将拖拉机绕农田边界行驶1周。数据采集端实时采集农机设备的地理位置、农田环境和农机运行参数等信息；单片机控制通过蓝牙将以上信息送至手机终端，手机将信息送至Internet网络，最终送至远程监控中心；监控中心接收到终端采集回来的数据进行分析处理后将其显示出来(图6)，作业面积为3.25 hm2，采集当地农田温度为 24.5 ℃，土壤湿度为35.0%，拖拉机行驶速度为50 km/h，发动机转速为1 500 r/min，当地的经度、纬度分别为29.10°、107.50°，误差为0.05%。实际作业面积为3.363 hm2，误差为3.40%。

5 结论

本研究提出1种基于物联网的移动式农机设备监控系统，以推进农业生产科学化管理和现代化发展。本系统数据传输网络以手机为中介，无须专门的数据传输网络，双向传输相关信息大大降低了应用成本。选择GPS/北斗双模定位利用四星定位原理，精确获得农机的地理位置信息。实现底层终端实时向监控中心上传农田环境、农机运行参数、地理位置和作业面积等信息并自诊断移动式农机设备故障，同时管理人员登录远程监控中心下发调度农机设备和派遣维修人员的命令。

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