基于北斗农机作业云智能共享系统开发*

万其号，布库，邢植

(中国农业科学院草原研究所，呼和浩特市，010010)

0 引言

中国是农业大国，耕地面积世界排名第三。但是在耕种和收获方式上依然保持着传统的耕作方式，地块比较分散，大型机械化耕、种、收程度还有待于进一步提高，这不仅使我国大型农业机械的发展受到限制，而且还造成了严重的资源浪费[1]。在国内方面山东财经大学吕太科[2]以农业机械装备的融资租赁问题进行了深入研究；安徽农业大学经济管理学院和巢湖学院经济管理学院朱文涛等[3]基于农村闲置的农场、私家院落、农机具等进行了共享经济视角下农村闲置资源利用问题的研究；兰州大学冯丽梅[4]针对农村的农机具租赁问题进行了融资租赁模式的研究；国外(如美国等)发达国家大型农机具发展迅速，相关技术非常成熟，但是大多为农场主模式，因此不需要农机具共享。随着我国乡村振兴脚步加快、土地流转及整合的实施，我国农业机械化将是大农业发展的方向，开发基于北斗平台的云智能农机具共享系统符合农机智能化发展方向。本文主要研究基于北斗的农机具共享系统的开发与应用，对基于北斗农机作业云智能共享系统开发目标、开发组成及软硬件、工作程序、主要技术参数等进行介绍。

1 云智能系统

涉农问题充分应用计算机与网络、物联网、音视频、3S、无线通信、云计算、人工智能及无人驾驶等现代信息技术成果，实现农业机具远程诊断可视化、远程控制自动化、智能化[5]是发展趋势，而云智能系统是现代技术重要组成部分。云智能系统的关键是云计算，其核心本质是计算、储存、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化，因此云计算在虚拟化、数据存储、数据管理、编程模式等方面具有自身独特的技术[6-7]。

云计算的关键技术主要包括虚拟化技术、分布式数据存储与管理技术及分布式编程与计算技术等。虚拟化技术可以将软件应用与底层硬件相隔离，虚拟化技术实现了物理资源的逻辑抽象和统一表示，其目的是通过虚拟机让更多的操作人员借助终端设备使用计算系统，以充分利用相对昂贵的硬件资源，在实际发展过程中虚拟化技术有很多种定义[8-10]。分布式数据存储与管理通过冗余存储技术来对海量、异构、非确定性数据进行处理，满足大批量用户的服务需求，提高数据存储的可靠性，保证位于云中的数据具有更高的可用性及可靠性。分布式编程与计算技术能够让用户利用编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，可将一个应用程序表示成一个有向无环图，顶点表示计算，顶点之间的边表示用来传输数据的通道，可以采用文件、共享内存的FIFO或TCP管道等传输机制[11-13]。

2 基于北斗农机作业云智能共享系统开发目标

基于北斗农机作业云智能共享系统研究目标主要是使农机作业更加智能化、智慧化，降低农民作业的劳动、提高作业效率，使农机作业更加便捷，其开发基于北斗农机作业云智能共享系统的目标主要有以下几个方面。

2)基于北斗农机作业云智能共享系统实现农机云报障报检功能。云智能共享系统依靠北斗定位+物联通讯+实时作业面积统计的云计算系统，通过庞大的卫星通讯系统及地面云数据管理平台，实现农机车辆的定位管理、追踪防盗、行驶状况、紧急救援处置、车辆自动报障诊断，并将车辆和作业区块信息通过共享平台实时传送给农机主、农场主以及第三方监控者，进而实现农机具的高效管理和使用。

3)基于北斗农机作业云智能共享系统实现不同阶段农机作业计划。云智能共享系统通过安装在农机上的北斗云智能一体机，获取农业机械工况与位置、作物即时产量、目标图像等信息，通过移动通信网络向云平台实时报送农机获取的相关信息，云平台根据作物生长情况，编制不同阶段农机作业计划，对农机的工作状态进行远程监测，进行绩效分析、费用结算等统计工作，平台向主管部门和第三方提供信息服务接口，并可接入其他农用设备。

4)基于北斗农机作业云智能共享系统实现农机与农户的融合。以北斗农机作业云智能共享系统、手机APP、支付宝等为基础平台，通过北斗云智能一体机将作业的相关数据全部上报系统平台，同时农机主和农户可以分享信息，通过北斗农机作业云智能共享系统平台的信息共享和发布需求可有效解决各自的需求。

3 基于北斗农机作业云智能共享系统开发组成及软硬件

3.1 基于北斗农机作业云智能共享系统开发组成

开发的北斗农机作业云智能共享系统主要有北斗云智能一体机系统，北斗农机作业云智能共享平台以及应用程序组成，如图1所示。

图1 北斗农机作业云智能共享系统组成Fig.1 Composition of Beidou agricultural machinery operation cloud intelligent sharing system

在手机应用程序中，农场主、农户根据自己生产的需求，如：耕作、播种、田间管理、收获等，即时发送作业订单到共享平台，平台根据规则，发送订单信息到最近的农机主手机中，农机主可根据路程的远近进行抢单或平台自动派单给农机主。农机主点击接单后，应用软件就自动跳转出导航地图界面，并导航到农户指定土地的位置去，直接开始作业，一直到作业完成后，由农户在应用软件上点击确认作业数据后，此时系统后台就自动将作业的款项从农户账号扣除，并支付给与农机主利益相关的云支付账户内。

利用共识机制和分布式记账技术，结合支付宝、银联等手机第三方云支付平台，结合国家和地方政府对农机设备的补贴政策，建立起安全、高效、全封闭的支付平台和独立运营的金融租赁服务和可信任的征信体系，配合银行、地方财政、国家金融机构扶持的中国特色乡村发展战略，面向农村、农民和农业相关环节提供金融服务保障，支持农业走上健康、高效的信息化发展道路。

3.2 系统硬件设计

北斗农机作业云智能共享系统的硬件主要由测量仪、电路板(图2)和固定外壳构成，包含了由测量仪物联终端、云端数据接入服务、核心数据库、移动端手机程序4部分，其系统架构如图3所示。

论古诗地名使用的同一性和差异性——以唐诗中的“清湘”与“清淮”为中心……………………………………李德辉（128）

(a)主控板原理图

图3 系统架构图Fig.3 System architecture diagram

测量仪集成了高精度的北斗定位系统、精确的面积计算方法和智能化的后台管理系统，能实现不规则面积的实时测试、动态图形显示和数据智能化处理和储存，一次测量可同时获得测量面积、周长、距离、坡度等数据，可随时调用测量的面积图形和所有测量数据，便于档案保存。

电路板由主控板和定位板组成。主控板和定位板之间通过排针焊接在一起，方便生产的同时也提高了抗震动能力。主控板采用车规级ARM处理器作为主控IC，通过外设接口UART链接4G模块，通过SPI接口链接FLASH，通过I2C接口链接运动传感器等，另外主控板还包含了电源管理单元及锂电池充电管理单元，可分别实现车载供电防浪涌保护及温度过冷时禁止充电保护功能，提高系统安全性，主控板原理图如图2(a)所示。定位板主要由GPS及北斗双频定位模块、大尺寸陶瓷天线、电源电路等组成，大尺寸陶瓷天线的使用提高信号接受灵敏度，实现精度更高的位置服务，定位板原理图如图2(b)所示。

3.3 系统软件设计

硬件终端通过4G Cat.1并使用定制的TCP/IP协议实现与云端数据接入服务对接。Cat.1的全称是LTEUE-Category1，是低速4G，可为物联网中的物提供连接服务。UE为用户设备，是LTE网络下用户终端设备的无线性能的分类，根据3GPP的定义，UE类别以1～15分为15个等级。Cat.1的最终目标是服务于物联网并实现低功耗和低成本LTE连接的目的，这对物联网的发展具有重要意义。

云端接入服务使用微软.Net技术开发，以TCP长链接方式接收硬件终端上报的数据。常用的传统进程通信模式一般是client调用server的服务，等待server的响应，但是为防止在网络情况不好或者在server需要较长处理时间的时导致client的调用失败或超，项目通过设置一个轻量级消息队列，用于处理大量硬件终端接入场景下产生的报文数据并发问题，提高硬件终端与云端接入服务之间的数据交换效率。

在开发手机端应用程序时，考虑到多端兼容并为提高开发效率，选择目前流行的uni-app框架。uni-app是一个使用Vue.js开发所有前端应用的框架，开发者编写一套代码，可发布到iOS、Android、Web(响应式)、以及各种小程序(微信/支付宝/百度/头条/QQ/钉钉/淘宝)、快应用等多个平台。手机端应用与云端服务通过RESTFUL设计风格和开发方式，基于HTTP协议并以JSON格式进行通信。软件交互流程如图4所示。

图4 软件交互流程图Fig.4 Software interaction flow chart

4 北斗农机作业云智能共享系统主要工作程序

北斗农机作业云智能共享系统可以实现农户、农机手以及农机主的交互操作，可完成注册、登录并在系统中实时监控生成数据报表，其详细流程如下所示。

1)农户注册：用户下载APP→注册(用户提交资料)→系统认证→充值→完成注册；

2)农户登录：农户打开APP后进行登录如图5(a)所示，可在需求发布栏内选择要作业的项目(犁地、收割、播种等)，如填写土地面积、作业项目接受单价、作业时间、土地位置、联系人填写好后点击发布。

(a)农户登录界面

3)农机手注册：用户下载APP→注册(用户提交资料)→系统认证→充值→完成注册；

4)农机手登录：农机手打开APP后进行登录如图5(b)所示，点击出车，等待后台根据最近的农户发布的土地作业信息可选择后台自动派单和农户发布后农机主根据自己的需求抢单的方式接单，点击接单后APP自动进入导航系统，农机主根据导航到作业现场进行作业，作业完成后点击完成，此时后台会根据定位终端将面积测量仪计算出准确的实际作业面积如图6所示，与提前设定好的单价得出总的作业面积和总的价格发送到农机主和农户的手机APP上，系统将自动结算。

图6 北斗云智能一体机面积计算Fig.6 Area calculation of Beidou cloud intelligent all-in-one machine

5)后台系统登录：农机主通过登录账号，进行信息的绑定，包括车牌号、IMEI号等车辆信息，如图7(a)所示。

6)后台系统报表：方便对用户的多种信息进行系统的维护，实时的更新，如图7(b)所示。

7)前台监控及各统计报表：进行车辆的实时跟踪，对需要的工作信息进行数据的归纳、存储、调取等，如图8(a)所示。

8)车辆监控：车辆监控可以实现大数据下的车辆作业情况的实时观测，避免因车辆聚集造成资源的浪费，还可以进行故障车辆的定位等，如图8(b)所示。

9)运营管理系统：用户注册审核及银行信息审核(与银行或相关付款渠道关联)、车辆身份信息管理(车架号，二维码，SIM卡一一并唯一对应)、收款管理(与关联付款渠道对接)、车辆动态全局显示，车辆定位追踪、车辆运营区域设置、车辆出界报警、车辆丢失报警、任意时段单车统计数据、任意时段单车用户使用统计、车辆综合统计、用户行为综合统计、对违规车辆发送报警提示或直接远程锁定。系统功能机参数如表1所示。

(a)后台系统登录

(a)前台监控及各统计报表

表1 系统功能机参数表Tab.1 Parameter table of system function machine

5 结论

1)本文结合中国农牧业发展实际需要开发了一种基于北斗平台的云智能农机具共享系统，该系统通过云智能软件实现了手机程序与服务器的交互，利用TCP/IP协议的方式保证硬件终端与服务器的通信，从而保证软硬件间的实时交互。

2)基于北斗卫星平台、物联网技术、智能终端联合技术开发出来的云智能共享系统可实现农场主与农机主之间的信息互通，进行实时下单、接单、抢单，通过物联网的定位技术实时定位农机具和作业农场的位置，并规划导航路线、实时统计作业区域的面积、工时和作业价格。系统还可实现在线作业订单的实时结算和支付、农机具的在线故障诊断和应急救援服务、农业机械、农机配件以及农业材料的在线销售、农机手和农场主间的在线信息沟通等功能。