基于Android平臺開發(fā)的無人插秧機監(jiān)控系統(tǒng)

張 勇，趙德安

(江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

國外較早開始對插秧機的研究[1]，如日本農業(yè)總研究中心利用RTK-GPS技術研制了無人駕駛插秧機[2]，定位精度可達到2cm，定位信息和傾角信息通過串口發(fā)送至計算機，由計算機對插秧機傾角信息進行修正后產生控制參數(shù)下發(fā)給插秧機，實現(xiàn)對插秧機的操作控制。國內研究起步較晚，但也取得了一定成就。張方明等[3]研發(fā)了無人駕駛插秧機，利用GPS導航定位實現(xiàn)了自動直線跟蹤與轉彎功能，且插秧機不受光線干擾，白天晚上均可高效工作。

針對目前對插秧機的研究方式大多在固定場所使用計算機進行監(jiān)控，且工作站成本高、不易便攜以及監(jiān)控功能簡單等問題，本文提出使用Android移動開發(fā)技術實現(xiàn)無人插秧機監(jiān)控。安卓手機因具有靈活的人機交互、多個網絡連接模式和強大的數(shù)據(jù)處理功能而使用普遍[4]。在無人插秧機監(jiān)控系統(tǒng)中充分利用手機資源可降低系統(tǒng)成本(如不再需要LCD顯示模塊系統(tǒng))，為用戶提供方便的觸屏操作和實用多樣的數(shù)據(jù)顯示模式，還可自由設定系統(tǒng)狀態(tài)，收集當前和歷史數(shù)據(jù)視圖，因此降低了產品成本和功耗，提高了系統(tǒng)可操作性、可擴展性，完善了系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)整體設計

為了滿足功能需求、降低開發(fā)成本，設計基于Android平臺的無人插秧機監(jiān)控系統(tǒng)，主要由車載信息采集系統(tǒng)、Android智能手機和中央控制服務器等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成

當插秧機工作時，可以對相關信息進行采集、處理和分析，并顯示出來，達到遠程監(jiān)控和與用戶交互的功能，大大提高便利性。最終，用戶通過該系統(tǒng)的Android客戶端就能在可視化界面上觀察無人插秧機工況信息，并且可對某一工況參數(shù)數(shù)據(jù)進行歷史查詢，憑此實時判斷插秧機運行狀況是否一直處于正常狀態(tài)。

2 Android客戶端功能需求

Android客戶端能夠實時顯示插秧機工作數(shù)據(jù)，當其連接到服務器后，服務器再將插秧機上傳的作業(yè)數(shù)據(jù)轉發(fā)給Android客戶端，當客戶端獲得服務器轉發(fā)的數(shù)據(jù)時，能夠不斷刷新、緩存且在監(jiān)控客戶端更新數(shù)據(jù)，還能將數(shù)據(jù)以曲線圖形式實時、直觀地展示，使用戶可以更加方便地對插秧機工作狀況進行觀察。同時可以對插秧機在地圖上進行實時跟蹤監(jiān)控，搜索插秧機位置以及顯示插秧機位置坐標，并進行地圖放大、漫游等操作，還可將秧苗栽植質量的標注信息在地圖上以不同顏色和數(shù)字直接顯示出來，對插秧機已上傳的數(shù)據(jù)進行保存，以便查詢。用戶可通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，觀察插秧機工作狀態(tài)變化，以便分析插秧機可能出現(xiàn)的故障并給出相應解決方案，也可根據(jù)時間間隔在地圖上顯示歷史數(shù)據(jù)，以便觀察插秧機工作軌跡。系統(tǒng)在插秧機出現(xiàn)故障或作業(yè)發(fā)生越界時，會觸動報警裝置，Android客戶端同時出現(xiàn)系統(tǒng)故障報警提示，使用戶及時發(fā)現(xiàn)故障并停止插秧機工作。當插秧機進行簡單的人工干預作業(yè)時，用戶也可通過Android客戶端對插秧機進行遠程操控。

3 功能結構設計

綜合以上對監(jiān)控系統(tǒng)的Android客戶端功能需求分析，將Android監(jiān)控客戶端分為數(shù)據(jù)管理模塊、GIS功能實現(xiàn)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊3部分。 Android監(jiān)控客戶端功能結構如圖2所示。

圖2 Android監(jiān)控客戶端功能結構

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

將Android客戶端監(jiān)控的信息中心部分劃分為數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊實現(xiàn)用戶注冊、登錄、信息管理以及實時工況信息顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。為防止非法人員登陸軟件對遠程作業(yè)的無人插秧機進行監(jiān)控操作，設計APP登錄注冊。無人插秧機監(jiān)控系統(tǒng)需要分別進行工況信息實時顯示、各項數(shù)據(jù)與預先設定的各個參數(shù)理想區(qū)間值對比，以便發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控的參數(shù)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，判斷當前插秧機是否處于正常工作狀態(tài)。歷史作業(yè)數(shù)據(jù)查詢功能指對用戶下發(fā)的命令和插秧機各類工況數(shù)據(jù)以及警報記錄等進行查詢。用戶信息管理功能指為了時刻保持用戶信息管理的安全可靠，需要對用戶信息進行安全設置，以防非法人員訪問監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)各項基本信息設置需要經系統(tǒng)設置模塊完成，比如被監(jiān)控的插秧機編號、數(shù)量、各項功能執(zhí)行數(shù)據(jù)和用戶幫助信息等，為插秧機的穩(wěn)定運行提供可靠保障。

3.2 GIS功能實現(xiàn)模塊

為實現(xiàn)對作業(yè)無人插秧機的遠程監(jiān)控和作業(yè)區(qū)域周邊環(huán)境的監(jiān)控，利用GPS定位信息[5]與GIS地圖數(shù)據(jù)[6-7]相互匹配，在Android移動客戶端不僅可以實時顯示插秧機的坐標位置信息，還可提供眾多應用程序函數(shù)接口，以便用戶端開發(fā)地圖瀏覽設置，如縮放、漫游操作和支持多點觸控以及地圖屬性的設置，如固定比例尺、地圖疊加。地圖顯示控制指在插秧機監(jiān)控系統(tǒng)客戶端可視化地圖的操作中，Android客戶端能對衛(wèi)星地圖實現(xiàn)圖層控制、自由縮放、漫游和加載顯示等基本功能，以便用戶掌握插秧機位置的詳細信息。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

監(jiān)控客戶端通過Socket套接字[8]和服務器建立數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)庫訪問和命令下發(fā)，通過和管理員建立通信，可在機載終端出現(xiàn)秧庫缺秧、機械故障等情況時以短信的方式向管理員發(fā)送報警信息，提醒管理員進行及時處理。插秧機通過獲取監(jiān)控服務器中儲存的插秧機當前坐標實現(xiàn)實時定位。監(jiān)控客戶端對數(shù)據(jù)庫訪問，指Android客戶端的用戶訪問數(shù)據(jù)庫時，客戶端向服務器發(fā)送訪問請求命令，只有在服務器授予權限后客戶端才能進行相應操作，為監(jiān)控客戶端獲取數(shù)據(jù)提供了安全保障。機載PC機遠程控制指對機載PC機的遠距離控制可提高用戶對插秧機遠程工作的干預能力，其操作需要借助4G通信網絡[9]及機載PC機監(jiān)控軟件的協(xié)助。插秧機監(jiān)控系統(tǒng)具有報警功能，能在插秧機出現(xiàn)問題時進行報警提示。當監(jiān)控客戶端實時顯示的工況數(shù)據(jù)出現(xiàn)了與設定閾值有較大偏差或其它異常，如通過地圖檢測到插秧機在作業(yè)區(qū)域中出現(xiàn)了較多漂秧和漏秧時，監(jiān)控端報警并發(fā)送信息提醒用戶進行處理。

4 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)通過4G網絡完成機載PC機和遠程服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集即對無人插秧機工作數(shù)據(jù)實時檢測和對秧苗圖像及定位信息及時獲取，需要借助機載PC機和GPS定位接收器模塊、工業(yè)攝像機和4G通信模塊及傳感器檢測模塊完成。處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，然后依照自定義的通信協(xié)議形式封裝處理過的信息，再將封裝好的數(shù)據(jù)信息借助4G通信網絡發(fā)送到遠程服務器上。從Android監(jiān)控客戶端發(fā)送的點火、熄火、轉向等操控指令由機載終端PC機接收，然后終端依據(jù)已設定的程序模塊執(zhí)行相應操作。

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要依靠遠程監(jiān)控中心服務器，因為服務器能夠接收并解析機載PC機終端各類數(shù)據(jù)，并對經過解析后得出的有效數(shù)據(jù)進行分類，將其存儲到與之相應的數(shù)據(jù)庫表中，同時傳送至Android監(jiān)控客戶端[10-11]。客戶端采用數(shù)據(jù)和曲線的方式，實時動態(tài)地顯示由中心服務器傳來的實時工況信息，將插秧機位置信息和秧苗栽植狀況標注信息顯示到地圖相應位置，完成對無人插秧機的遠程監(jiān)控[12-13]。當用戶向機載PC機終端下發(fā)控制命令時，中心服務器首先接收Android客戶端發(fā)送的操作請求，此時服務器授予權限，然后客戶端下發(fā)的指令被寫入服務器數(shù)據(jù)庫中，同時命令標志位在系統(tǒng)中發(fā)生更改。同樣地，命令標志位在客戶端中被實時檢測查詢，當其發(fā)生更改時，服務器依照通信協(xié)議封裝即將下達的指令，最終傳送至機載PC機終端。

5 Android客戶端監(jiān)控軟件調試

人機界面使用戶可以便捷地查看插秧機現(xiàn)場工作情況并對其進行控制，用戶進入監(jiān)控系統(tǒng)需身份驗證，只有合法的用戶才能進入監(jiān)控系統(tǒng)，并進行相關人機界面操作[14-15]。在實驗室模擬環(huán)境下，可展示監(jiān)控軟件實驗功能效果圖，圖3為監(jiān)控系統(tǒng)運行的主界面，圖4為插秧機歷史軌跡回放查詢。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖4 插秧機軌跡回放

6 結語

本文以插秧機為對象，研究了無人插秧機遠程監(jiān)控系統(tǒng)[16]，Android客戶端監(jiān)控軟件實現(xiàn)了良好的人機交互[17-18]，選用4G網絡模塊進行數(shù)據(jù)通信，極大提高了傳輸效率，基本滿足了系統(tǒng)實時性要求。該監(jiān)控系統(tǒng)對插秧機工況參數(shù)實時監(jiān)測，可以對插秧機可能發(fā)生的狀況作出預測和處理，保障插秧機高效、長時間地工作，減輕了管理者工作負擔。手持式設備[19-20]監(jiān)控終端可適用多種場合，具有很好的發(fā)展前景，是未來發(fā)展方向和下一步研究重點。