農機作業監測系統的開發與設計

王輝，金 吉，張軒翊，江榮禎，高菊玲，姬麗雯

（江蘇農林職業技術學院機電工程學院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著農業機械化和信息化水平的不斷提高，其發展過程中的缺點與不足也暴露出來。針對農機作業質量監測與調控手段缺乏、作業過程難以監管等問題，農機領域的科研人員相繼開發了多種智能監測系統[1-4]，馮小川等[5]開發的農機監測終端可實現農機管理、定位、作業發布等功能。楊俊茹等[6]利用LabVIEW軟件設計開發了收割機液壓部件監測系統，實現對液壓部件工作性能的模糊綜合評價。

結合江蘇農博園農機作業實訓基地實際情況，設計開發一套農機作業監測系統，實現農機作業質量在線監測、作業面積自動測算、作業質量在線評價等。

1 系統總體設計

農機作業監測系統由硬件系統與軟件系統兩部分組成。其中硬件系統由嵌入式DTU網關、觸摸屏、攝像頭、GPS基站、作業參數檢測終端、角度傳感器等組成；軟件系統由云服務器、WEB端平臺與小程序終端三部分組成。拖拉機作業監測系統框架圖如圖1所示。

圖1 拖拉機作業監測系統框架圖

系統工作時，操作人員通過安裝在拖拉機上的觸摸屏進行網絡配置、運行參數和作業任務配置、農機類型和編號配置等操作，觸摸屏參數配置頁面如圖2所示。

圖2 觸摸屏參數配置頁面

完成系統參數后啟動機具進行作業，系統將數據通過4G遠程通訊模塊將機具當前的經緯度、行駛速度、作業面積、耕深等參數將發送至云服務器，可通過WEB端平臺、手機小程序在線對作業質量進行監測，等作業結束后，系統可形成作業軌跡和作業質量分布圖。

2 硬件設計

2.1 作業參數檢測終端設計

系統硬件由采集和分析處理兩部分組成，其中采集部分由作業參數檢測終端、GPS基站、角度傳感器等組成；分析處理部分由嵌入式DTU、觸摸屏、攝像頭等組成。

作業參數檢測終端使用STM32F103RBT6單片機芯片作為控制核心，共設計有2路485通道、1路232通道、8路模擬量通道和1路CAN總線通道，作業參數檢測終端電路原理圖如圖3所示。終端實時采集角度傳感器、移動基站等檢測類傳感器的數據，解析處理完成后發送至嵌入式DTU中。由嵌入式DTU進行下一步的分析處理，然后通過觸摸屏實時顯示，同時通過4G遠程將數據發送至云服務器。

圖3 作業參數檢測終端電路原理圖

2.2 嵌入式DTU功能設計

嵌入式DTU采用飛凌嵌入式的FCU2401型嵌入式控制單元，該控制器采用全志的A04i四核處理器，具有高性能、低功耗、高可靠性等特點。嵌入式DTU實物圖如圖4所示。

圖4 嵌入式DTU實物圖

具體功能有：一是GPS定位：通過外接GPS定位終端，實現農機高精度定位；二是數據采集：通過RS485與農機作業參數檢測終端建立通訊，實時采集耕深等數據；三是作業參數設置：嵌入式DTU與觸摸屏通過標準DVI-I通訊線連接，可通過觸摸屏實現系統參數、運行參數、農機綁定、作業掃描等功能，并在工作監視界面，對通信狀態、采集數據等實時監測；四是遠程監測：嵌入式DTU支持4G、以太網、WIFI等方式進行網絡通信，當選擇使用4G網絡通信時，需要插入標準SIM卡，并將4G天線與DTU連接，即可實現本地數據與云服務遠程交互。

3 軟件設計

3.1 WEB端平臺設計

系統軟件由本地的觸摸屏、WEB端平臺與小程序平臺三部分組成。其中觸摸屏主要用于系統運行前的參數設定、作業參數監測、報文打印等功能；WEB端平臺可實現農事發布與作業調度、田間作業全程監測、作業質量在線分析及作業效果效率在線評價等功能；小程序平臺主要為了方便用戶實際使用，其功能與WEB平臺類似。

WEB端平臺首頁面如圖5所示，用戶通過瀏覽器進入平臺，在首頁可通過可視化地圖管理地塊，對農機作業面積、作業次數進行統計分析，查看待辦任務等，左側導航欄可以實現作業管理、配置管理、平臺管理、維修保養、遙感監測等功能，通過安裝在田塊的氣象站對局部區域的溫度、濕度、光照強度、風速、風向等參數進行實時采集。

圖5 WEB端首頁面

點擊進入作業監控界面可以在作業狀態一欄查詢農機作業時長、設備地址、設備狀態等參數，實時數據一欄可以查詢農機當前實時行駛速度、作業面積、作業效果等，可視化的地圖可以查看農機作業軌跡，其中藍色代表合格作業，紅色代表不合格作業，能夠更好地反映農機作業效果，作業監控頁面如圖6所示。

圖6 作業監控頁面

3.2 微信小程序端設計

在實際生產使用過程中，為了使用快捷，同時開發設計了基于微信小程序的農機作業監測系統，實現了對農場、地塊、農機、設備等管理，微信小程序頁面如圖7所示。用戶通過系統預先分配的賬號進入系統中，在首頁可查看農場局域環境參數、待辦任務等，在任務頁面中可以查看未開始、進行中、已結束三種狀態下的作業任務，在作業頁面中可查看農機作業軌跡、作業參數等信息，在保證作業效果的同時，提高了農機作業效率。

圖7 微信小程序頁面

4 結論

農機作業質量監測系統支持對拖拉機、插秧機、植保機、收割機等多類型農機進行作業監測，具有定位、軌跡查詢、耕深監測、面積測算等功能。能夠滿足不同作物連續作業要求，符合農業生產要求。但其作業監測內容需進一步完善，加強系統適用場景。