基于農機CAN總線的OneNet遠程監測系統研究*

溫鑫，王熙

(黑龍江八一農墾大學工程學院,黑龍江大慶，163319)

0 引言

2019年國務院發表關于加快推動農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見中明確指出：要推動智慧農業的應用與發展，促進物聯網、大數據等高新信息技術在農業機械和農機作業上的應用[1]。將信息技術與農業機械相結合，更是實現農業現代化的重要助力[2]。

隨著物聯網技術與農業機械的不斷結合，國內相關研究也越來越多：李建軍等[3]研究了一種用于圓捆機的遠程監控系統，實現了作業現場與遠程監控地點間的信息交互。杜志偉等[4]研發了一款基于物聯網技術用于監測農機狀態參數的系統，實現了農機位置信息和運行參數采集與上傳，并擁有較高的數據傳輸成功率。國家農業信息化工程技術研究中心將3S技術與物聯網技術相結合研發了一套用于遠程監控和指揮農業機械調度系統，有效避免了盲目農業機械調度，提高了農業機械調度效率[5]。

但總體上，我國目前農業機械智能化技術依然處于較低的水平，特別是缺乏將CAN總線技術與物聯網技術相結合的農業機械狀態參數在線監測設備[6]。

研究一種通過CAN總線技術采集并遠程實時上傳玉米中耕變量施肥機狀態參數的監測系統。通過嵌入式系統作為數據終端對施肥機的位置信息和狀態參數進行采集，借助數據終端上搭載的無線通信模塊實現了數據實時上傳，最后采用OneNet平臺對上傳至服務器的數據進行可視化的轉換，通過圖形化的交互界面供用戶實時查看。整套系統實現了玉米中耕變量施肥機位置和狀態參數實時監測，提高了農機使用效率和信息化水平，為農機大數據技術發展提供了有力的支撐。

1 系統整體架構研究

整個系統的組成可大致分為三大部分，即感知部分、網絡部分和應用部分[7]。用于施肥機位置信息和狀態參數采集的感知層，主要由農業機械上安裝的相關傳感器及遠程數據終端組成。負責信息傳輸的網絡層主要由無線通信模塊及運營商信號塔組成，負責數據展示與人機交互的應用層由智能化移動設備和PC端組成。系統的主要架構如圖1所示。

安裝于施肥機的定位系統與轉速傳感器等采集施肥機各項參數，通過施肥機上搭載的CAN通信線路發送至位于系統感知層的遠程數據終端，經終端中主控制器解析與轉化之后，數據借助于終端中的無線通信模塊發送至OneNet的云端服務器上，通過OneNet平臺PC端網頁與移動端APP對服務器內的數據進行處理與展示。

2 系統硬件研究

數傳終端主要采集當前施肥機位置、排肥軸實時轉速等狀態信息并發送至服務器，其主要由主控制器、無線通信模塊、調試電路、CAN通信電路等部分組成。遠程數據終端的主要硬件結構如圖2所示。

本文研究的數據終端主控制器選用型號為STM32F103VET6的32位微型處理器,支持在72 MHz的工作頻率和-40 ℃～85 ℃的工作環境下進行工作[8]。滿足農業機械田間作業信息采集的工作要求。

2.1 電源電路

考慮到農機作業的環境特殊性，終端采用輸出電壓為DC5 V的獨立電源供電，而主控制器工作電壓為DC3.3 V，故電源電路采用AMS1117-3.3正向低壓降穩壓器進行電壓轉換，該款LDO最大輸入電壓為15 V,工作溫度范圍-40 ℃～125 ℃，輸出電壓DC3.3 V，滿足工作需要。其結構如圖3所示。

圖3 電源轉換電路

為提升系統可靠性，無線通信模塊集成有單獨的降壓電路，電源為模塊直接輸入5 V的直流電壓，通過RT9193-3.3低壓差LDO電壓調整器進行電壓調節，其輸入電壓范圍為1.6～6.0 V，輸出電壓為DC3.3 V，工作溫度范圍為-40 ℃～125 ℃[9]，滿足工作需要。其結構如圖4所示。

圖4 無線通信模塊電源轉換電路

2.2 CAN通信電路

施肥機上安裝的傳感器通過CAN通信線路將數據發送至數據終端，終端通過集成于其上的CAN通信電路實現CAN信號的接收，CAN通信電路的通信芯片采用TJA1050高速CAN收發器，工作溫度范圍為-40 ℃～150 ℃，最高通信速率500 kbps，擁有高速模式和靜默模式兩種工作模式，本研究通過將芯片的8號引腳直接接地使其處于高速模式下工作[10]。其結構如圖5所示。

圖5 CAN通信電路

2.3 無線通信模塊研究

無線通信模塊核心選用的是LTE BC20 NB-IoT/GNSS模組，貼片式封裝，使用NB-IOT網絡進行數據傳輸，通過內置的AT指令配置好IP與端口號實現向云端服務器傳輸數據，系統優先使用農機上已安裝的定位系統數據，在未安裝農機定位系統或系統發生故障時，可以通過通信模塊上集成的GNSS天線實現北斗衛星定位系統定位，其結構如圖6所示。

圖6 BC20電路

模塊通過串行數據接口與主控制器通信，其結構如圖7所示。

圖7 BC20模塊接口電路

2.4 感知層傳感器

由于田間作業環境復雜，故傳感器的選擇應充分考慮其工作環境影響，需要有較高的可靠性、較小的體積以及較低的成本，經比較后轉速傳感器選用光電編碼器，只需將其套在軸上，軸轉動帶動其內部的光柵盤轉動，形成隨轉速變化的明暗交替，光電傳感器將這種明暗交替的光信號轉化為電信號，經處理后輸出可用信號[11]。其測量精度為1 r/min，可靠性好。

施肥機坐標數據與速度數據的采集通過型號為GN181270的GNSS接收機實現，通過GPS衛星定位系統獲取坐標數據與速度信息。其坐標數據精度為2.5 cm，測量的速度數據精度為0.001 km/h。

用于測量肥箱料位高度的傳感器選用的是以STC89C52為核心的料位高度傳感器，精度為3 mm。其原理為借助所測物體與空氣介電常數值的不同導致傳感器電容值變化這一規律，將電容值轉化為電信號，通過轉換電路形成CAN信號經CAN總線發出。

3 系統軟件研究

3.1 終端軟件研究

軟件負責實現終端的數據采集、數據轉換與封裝、數據上傳至云端等主要功能，系統上電后相關硬件初始化，向BC20模塊發送連接指令，通過返回值來判斷終端是否已連接至云端服務器，檢測到CAN信號后將采集到的CAN數據ID值與程序設定的ID值進行對比，ID完全吻合后通過軟件內算法進行數據解析，得到經緯度，速度等參數值，最后將解析好的數據按MQTT通訊協議的報文格式進行轉換、封包，通過OneNet平臺給出的固定IP上傳至平臺服務器。其流程如圖8所示。

圖8 軟件運行流程圖

施肥機與終端間數據傳輸通過CAN總線技術來實現，其通過兩根信號線間的電壓變化進行信息傳遞，結構簡單，可靠性好，可同時將多個單元連接至總線之中，并具備自動對錯誤進行判斷的功能，即自動隔離發生持續性錯誤的故障單元。系統中CAN通信格式遵循ISO11783標準。其報文格式如表1所示。

表1 CAN總線通信的報文格式

軟件中CAN數據接收部分使用中斷接收，這樣不僅可以保證系統對CAN信號做出第一時間的反應與處理，更大大提升了主控制器的運行效率，其流程如圖9所示。

圖9 CAN數據接收與解析流程圖

終端與云端服務器間的連接采用的是基于TCP的MQTT協議，其信息體結構由三個部分組成，即固定報頭，可變報頭與有效載荷[12]。其中可變報頭與有效載荷并不是每條信息都必須含有的，其結構如表2所示。

表2 MQTT協議的報文格式

系統上電后，終端向服務器發送一個連接報文，在服務器收到連接報文后會回復給終端一個連接請求確認報文，終端根據收到服務器回復的消息以確認是否已連接上服務器，向服務器發布消息后，服務器會向終端回復相應的發布收到報文，在終端長時間未發布消息時，終端會自動向服務器發送心跳請求報文以保證自己始終處于在線狀態。其報文類型如表3所示。

表3 MQTT協議的報文類型

3.2 OneNet平臺人機交互界面

將服務器端接收到的數據轉換為可視化的圖表，這一過程借助了OneNet平臺提供的應用編輯器模組，將系統給定固定樣式的模塊拖入空白畫布中，并在模塊詳情中對其對應展示的數據流和名稱等參數進行設定，最后將編輯好的應用保存并發布，這樣就可以通過OneNet平臺PC端網頁和移動端APP進行訪問與查看，移動端的數據查看主要通過OneNet平臺的官方APP實現。OneNet平臺的使用大大縮短了交互界面開發時間，降低了開發難度。人機交互界面可實時查看當前的坐標數據、轉速值、速度值、料位高度及過往的變化曲線，通過界面左上角的地圖可直觀的查看施肥機的實時位置，并且在右上角還會顯示系統的最后在線時間。用戶界面詳情如圖10所示。

圖10 OneNet人機交互界面

OneNet平臺會對用戶上傳的數據進行保存，容量不限，可免費存儲一年。通過數據流界面可對設定時間段的數據進行導出，方便用戶進行數據的進一步的處理與查看。

4 系統測試

將寫好的程序輸入單片機中，終端與寫入CAN記錄文件的CAN記錄回放儀連接，之后進行系統通電。通過CAN記錄回放儀的指示燈確認終端已接收到數據，登錄OneNet平臺進行查看，系統工作正常。

測試臺架由AC220 V轉DC12 V與DC5 V的雙輸出電源分別為CAN記錄回放儀和終端進行供電，CAN記錄回放儀中的記錄文件是2019年10月16日于趙光農場的施肥作業的CAN信號記錄，數據量充足，可以十分逼真的模擬實際田間作業時的數據環境。測試用臺架如圖11所示。

圖11 系統測試臺架

通過測試臺架對終端進行五次每次約6 h的系統測試后，系統感知層傳感器獲取的部分數據以及經其換算得到的瞬時施肥量數據如表4所示。記錄文件中共有21 997組有效目標數據。

表4 感知層采集參數表

終端串口打印CAN接收記錄、OneNet平臺導出的歷史數據與CAN回放儀中CAN記錄文件的對比得到以下數據：狀態數據CAN線路傳輸成功率最低為98.8%，無線模塊上傳成功率最低為95.11%，整體丟包率小于5%，平均延時為300 ms左右，如表5所示，滿足工作要求。

表5 數據傳輸上傳測試表

5 結論

1)研究一種用于監測玉米中耕變量施肥機實時位置與實時參數的物聯網監測系統。結合工作需求完成了終端電路的設計。

2)深入分析CAN通信協議及MQTT通信協議將兩者結合完成了軟件的編寫，并借助OneNet平臺完成了用戶界面開發與數據的保存與調用。

3)經測試，系統可以平穩運行，可靠性較高，傳感器每分鐘采集60組參數，并且整體丟包率小于5%，平均延時約為300 ms，滿足工作需要。

4)由于使用CAN總線技術，系統可接入多種設備，拓展性較好。