基于OneNet的農機物聯網定位和監控系統設計

呂舒宏，路來聰，朱書慧

（山東英才學院工學院，山東濟南，250000）

0 引言

在農業領域，智能化技術正通過各式各樣的產品和服務，使得整個農業從生產到消費發生巨大變化。在這其中，自然有智能化農業機械的身影。在農機領域，智能化技術正在使得農機從形態到功能發生翻天覆地的變化，無人機、自動插秧機、農機作業精細化管理平臺等，既有單個的智能農機產品，也有農業智能化系統和平臺[1]。本項目就以衛星定位為切入點開始研究，逐步實現并打造新時代下的農業智能物聯網系統。

1 數據采集端硬件設計

數據采集端基于中科微第四代定位模塊，采集端裝置主要包括主控制器、衛星定位模塊、GSM模塊、有源天線、供電電源等。

主控制器采用ArduionUNO加MC20模塊，該模塊基于MT2503D芯片平臺開發的GSM/GPRS/GPS/Beidou多功能模塊，并采用LCC主流封裝。MT2503D平臺是GSM平臺MT6261和GNSS平臺MT3333的組合體。其在面積縮小40%、功能大大增加的同時，很大程度的提高了性能，ArduionUNO主要負責通過AT指令控制MC20模塊、獲取衛星定位數據、調用GSM/GPRS模塊轉發定位數據。MC20是一款集成LCC封裝、四頻段GSM/GPRS和先進的算法GNSS引擎于一體的全功能通信模塊具有超小體積、低功耗、反應塊等優勢，還集成了包括北斗、GPS、QZSS在內的多星座衛星系統，所以能提供精準導航定位功能和無線通訊功能[2]。MC20支持秒定，一種在線輔助定位（Online AGPS）功能?；贓PO數據，秒定功能額外支持NTP/NITZ時間同步，并能提供參考位置信息，實現4.5秒的冷啟動定位耗時[3]。

圖1 芯片模塊

2 農機定位軟件程序設計

ArduionUNO采用代碼簡潔、具有較好可移植性的C語言編程，ArduionUNO主要作用是發送AT指令調用MC20模塊去搜索衛星型號并且通過串口獲取到經緯度數據，再通過ArduinoUNO解析，數據在ArduinoUNO端短暫的停留后則按照預定好的協議、通過GPRS技術轉發到中國移動OneNet物聯網平臺的服務器上。

首先是程序初始化，然后ArduionUNO發送AT指令詢問MC20是否初始化成功；如果初始化成功，那么繼續發送AT指令獲取到GPS數據；如果獲取到GPS數據信息，先詢問GPS數據是否有效，如果數據有效那么開始解析GPS數據把GPS數據掐頭去尾，獲取UTC時間，獲取緯度信息，獲取經度度信息；解析完GPS數據之后，按照預定的傳輸協議制作Json串格式報文；然后ArduionUNO開始調用MC 20的GSM模塊，ArduionUNO訪問中國移動one net物聯網服務平臺服務器；通過GPRS輸出解析后的數據包，發送到one net服務器；這里為了方便看到是否發送成功，我們這里給主板設置一個LED指示燈，由程序控制，數據每發送一次，LED電平翻轉一次，到這里便完成了一次數據的發送，程序返回開頭重新執行進行下一次循環，每一個循環分別設置if語句來保證數據格式和內容的完整性。

在中國移動OneNet物聯網平臺后臺就可以看到我們的location數據流，并且可以打開地圖查看定位地圖，手機端也可下載中國移動OneNet物聯網平臺手機端APP，可隨時隨地查看實時定位數據。

3 繼電器單元模塊設計

設計繼電器單元模塊是為了用電路板的微弱電流來控制車輛的一些電器負載設備。繼電器是一種電控制器件，是當輸入激勵量的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統和被控制系統之間的互動關系。在這里實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

4 通信方式

通過GPRS技術進行數據采集端與中國移動OneNet物聯網平臺的服務器進行通訊；GPRS技術經過多年的發展和技術錘煉沉淀，已經成為覆蓋面最為廣泛的無線網絡通訊系統，GPRS技術有可再次利用可再開發的優點，加上5G技術的投入運用，大大拓寬了無線設備可接入平臺的接口，此系統GSM部分內嵌TCP/UDP、PPP、HTTP和FTP等數據傳輸協議，可實現短信電話通信以備在網絡情況較差的2G網絡情況和一些其他情況下應急通訊[5]。

為什么選用GPRS技術而不用其傳輸技術呢？這里是有考慮的，GPRS擁有以下技術特點。

（1）傳輸速率快

傳輸速率是做通信最先要考慮的，因為傳輸速率會影響整個系統的性能；GPRS技術較高的傳輸速率得益于他的通信原理，在傳輸數據時它能準確的利用無線帶寬的八個空隙，現階段可完美達72.1kb/s，能夠滿足該系統使用要求。

（2）費用較低

按流量計算費用是GPRS的計費方式，顧名思義按流量的使用情況計費，最關鍵的一點是，該技術支持客戶長期在線，即使是幾乎沒有數據交互的情況，這就大大節省了用戶的使用成本。

（3）方便使用

系統的數據采集端采用GPRS技術的通訊方式不需要復雜的傳輸協議，設備冷啟動聯網時間在1～3s，可以理解為設備在極短的時間內就可以接入到互聯網，快捷方便。即可以節省人力物力財力，又達到了傳輸數據的目的。

5 傳輸協議

數據傳輸采用構建在TCP/IP協議之上的基于發布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的輕量級通訊協議MQTT協議，即消息隊列遙測傳輸協議。MQTT基于異步發布/訂閱的實現解耦了消息發布者和訂閱者，其實現節省了存儲空間及流量歸因于基于二進制，MQTT也擁有更優秀的消息處理機制，不僅可代替TCP Socket部分場景的應用，而且對于XMPP和HTTP，MQTT可以選擇數據格式，解析復雜程度較低，值得一提的是MQTT也可作用于手機推送等移動通訊領域。MQTT協議的特點如下：

（1）發布/訂閱模式

不需要發布者和訂閱者之間直接建立聯系，因為發布/訂閱模式解耦了發布消息的發布者與訂閱消息的客戶訂閱者之間的關系。發布/訂閱模式有著以下優點：發布者與訂閱者只需要知道同一個消息代理即可；發布者和訂閱者不用直接交互；發布者和訂閱者不要求同時在線；支持雙向通訊，MQTT支持服務端反向控制設備，設備可以訂閱某個主題，然后發布者對該主題發布消息，設備收到消息后再進行一系列操作。

（2）二進制格式

MQTT基于二進制實現而不是字符串，MQTT固定報文頭僅有兩字節，所以與其他傳輸協議相比較，使用MQTT協議發送一條消息最省流量。

（3）MQTT的安全

由于MQTT運行于TCP層之上并以明文方式傳輸，這就相當于HTTP的明文傳輸，使用Wireshark可以完全看到MQTT發送的所有消息，消息指令一覽無遺。

MQTT還支持兩種層次的認證：應用層：MQTT支持客戶標識、用戶名和密碼認證；傳輸層：傳輸層可以使用TLS，除了加密通訊，還可以使用X509證書來認證設備。

6 結語

隨著智能化技術通過多種方式影響農機和農業，一場全新的；農業革命正被掀起。然而，所有的農機智能化都離不開機器的衛星定位，無論是邁入智能化行列的水稻直播機、安裝上北斗導航系統的拖拉機還是噴灑農藥的無人機，都離不開衛星定位的技術支持；相信在不久的將來，拖拉機在北斗導航的指引下，在5G網絡的支持下能夠自己進行大面積全天候耕作，而操作上千臺拖拉機的將是一個由年輕人組成的團隊[3]。