農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

呂玉英

（青島市技師學(xué)院，山東 青島 266000）

針對(duì)目前農(nóng)場(chǎng)管理中存在的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)測(cè)信息化程度較低、作業(yè)面積計(jì)算的準(zhǔn)確性較差、管理模式與監(jiān)測(cè)方法難以滿足不同農(nóng)場(chǎng)多樣化需求等問(wèn)題，農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等應(yīng)用到農(nóng)場(chǎng)管理中，能夠獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)信息以及土壤、氣候的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，為農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)決策提供了精確的信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)的全過(guò)程可視化監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)場(chǎng)信息化發(fā)展，有效提高了農(nóng)業(yè)質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求分析

1.1 系統(tǒng)功能需求

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要獲取作業(yè)中農(nóng)機(jī)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、人員以及地塊的基本信息，需要將農(nóng)機(jī)的作業(yè)點(diǎn)、作業(yè)軌跡等相關(guān)信息展示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示器上。因此，系統(tǒng)需要支持農(nóng)機(jī)作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的回放、查看及導(dǎo)出功能，以便作業(yè)者能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)情況。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要擁有強(qiáng)大的分析功能，能夠?qū)r(nóng)機(jī)的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，并支持按照作業(yè)時(shí)間、作業(yè)區(qū)域等屬性，查詢農(nóng)機(jī)的各項(xiàng)作業(yè)數(shù)據(jù)[2]。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要同時(shí)開(kāi)發(fā)個(gè)性化功能模塊，以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和農(nóng)場(chǎng)管理的統(tǒng)一性。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)由基本信息和設(shè)備信息組成，管理員負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)錄入基本信息，包括車(chē)輛、機(jī)具、監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端等，監(jiān)測(cè)終端與農(nóng)機(jī)綁定就可以將車(chē)輛的作業(yè)信息上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足可靠性、安全性、快速性及可拓展性等非功能性需求。可靠性是指當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或意外斷電時(shí)，要確保先前保存的信息不會(huì)丟失，同時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)或異常操作給予一定的提示。安全性是指系統(tǒng)需要在用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)備份等方面確保數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)安全性[3]。快速性是指監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需要有較快的響應(yīng)速度，尤其是在農(nóng)機(jī)同時(shí)作業(yè)的季節(jié)，需要滿足較大體量的機(jī)械監(jiān)測(cè)工作。可拓展性是指監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要盡可能去滿足不同農(nóng)場(chǎng)的不同需求[4]。

1.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可使用的服務(wù)器包括Linux、UNIX等，可選擇開(kāi)源免費(fèi)且擁有較高安全性和穩(wěn)定性的Linux系統(tǒng)，選用云服務(wù)器，可以提高云計(jì)算平臺(tái)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份、儲(chǔ)存與計(jì)算等功能，且維護(hù)成本較低[5]。選擇Java語(yǔ)言進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)通信中能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端和服務(wù)端之間的通信，通過(guò)JDK NIO的通信框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用啟動(dòng)端口與傳感器數(shù)據(jù)端口一致的線程，創(chuàng)建兩個(gè)線程組用于客戶端接收、注冊(cè)以及客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的處理，創(chuàng)建輔助工具類(lèi)ServerBootstrap對(duì)象及用于數(shù)據(jù)處理類(lèi)的ChaannelInitializer，最終綁定端口[6]。由于農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要建立在地理空間要素分析的基礎(chǔ)上，所以選擇PostgreSQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)PostGIS插件實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)空間操作功能。

2 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工作的各項(xiàng)需求，可將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及展示層。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感知層對(duì)安裝在農(nóng)機(jī)上的傳感器中的作業(yè)信息進(jìn)行采集和傳輸；網(wǎng)絡(luò)層獲取感知層發(fā)送的信息并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)層在其中起到對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和管理的作用；應(yīng)用層根據(jù)管理人員提出的業(yè)務(wù)需求，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理接口；展示層向管理人員展示系統(tǒng)界面，顯示農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡、油耗情況等相關(guān)信息，支持通過(guò)地圖、表格等多種形式顯示圖像和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并能夠?yàn)楣芾砣藛T提供數(shù)據(jù)操作功能。農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊

1）基本信息模塊。基本信息模塊具有顯示人員管理、物品管理以及其他管理的相關(guān)功能。人員管理記錄農(nóng)機(jī)作業(yè)員的相關(guān)信息，物品管理包括農(nóng)機(jī)管理、地塊管理、出入庫(kù)管理、終端綁定等，其他管理模塊為管理人員提供農(nóng)機(jī)的維修、加油等記錄[7]。

2）任務(wù)管理模塊。任務(wù)管理模塊中能夠顯示作業(yè)任務(wù)，提供農(nóng)機(jī)、地塊、任務(wù)的信息查找功能。

3）作業(yè)管理模塊。作業(yè)管理模塊能夠向管理人員展示農(nóng)機(jī)作業(yè)的具體情況以及作業(yè)軌跡，統(tǒng)計(jì)農(nóng)機(jī)作業(yè)的面積，并支持在地圖上查看和回放作業(yè)軌跡，顯示先前作業(yè)的軌跡和區(qū)域，避免重復(fù)作業(yè)。

4）統(tǒng)計(jì)分析模塊。統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)車(chē)輛作業(yè)情況、出入庫(kù)情況、溫濕度、油耗情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)建立管理員系統(tǒng)，并對(duì)農(nóng)場(chǎng)中不同角色的作業(yè)人員匹配相應(yīng)的權(quán)限，同時(shí)管理傳感器、攝像頭等第三方設(shè)備。傳感器分為深度傳感器和輔助傳感器兩類(lèi)，其工作流程分別如圖2、圖3所示。

圖2 深度傳感器工作流程圖

圖3 輔助傳感器工作流程圖

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

采用主從數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，建立備用數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)主數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器訪問(wèn)失敗時(shí)，自動(dòng)切換至備用數(shù)據(jù)庫(kù)工作。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)表，包括農(nóng)場(chǎng)表、人員表、登錄用戶表、角色功能模塊關(guān)系表、農(nóng)機(jī)表、監(jiān)測(cè)終端表、綁定的設(shè)備表、地塊表、任務(wù)表、農(nóng)機(jī)作業(yè)日?qǐng)?bào)表、農(nóng)機(jī)出入庫(kù)表、油耗信息表、第三方傳感器表、溫濕度信息表等。

3 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為系統(tǒng)的功能測(cè)試以及性能測(cè)試，確保系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性和完善性、系統(tǒng)響應(yīng)速度的高效性和系統(tǒng)的健壯性。農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，部署在阿里云服務(wù)器端，進(jìn)行操作系統(tǒng)、內(nèi)存、硬盤(pán)、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器的系統(tǒng)配置。

1）系統(tǒng)功能測(cè)試，在測(cè)試條件下，對(duì)查詢、刪除等接觸操作進(jìn)行測(cè)試，判斷測(cè)試結(jié)果和預(yù)期期望是否存在差別；在一定測(cè)試條件下展示作業(yè)軌跡，進(jìn)行作業(yè)面積計(jì)算，判斷測(cè)試結(jié)果是否符合期望。

2）健壯性測(cè)試，需要在系統(tǒng)中輸入異常數(shù)據(jù)或進(jìn)行異常操作，對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)性進(jìn)行驗(yàn)證，看系統(tǒng)是否會(huì)給出異常提示，或是否會(huì)因異常操作出現(xiàn)崩潰；強(qiáng)制性使系統(tǒng)發(fā)生故障，重新啟動(dòng)后查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否存在丟失情況，是否能夠盡快修復(fù)數(shù)據(jù)。

3）響應(yīng)速度測(cè)試，需要不斷增加并發(fā)送請(qǐng)求以分析系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間和最長(zhǎng)、最短的響應(yīng)時(shí)間的變化，當(dāng)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間小于10 s時(shí)，則表示系統(tǒng)響應(yīng)速度良好。

4 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1.1 基本信息功能的實(shí)現(xiàn)

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)場(chǎng)作業(yè)中農(nóng)機(jī)、人員、地塊的信息進(jìn)行管理，用戶能夠通過(guò)基本信息功能模塊對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行查找、修改等操作。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查詢農(nóng)機(jī)作業(yè)速度、作業(yè)面積、作業(yè)效果等，實(shí)現(xiàn)作業(yè)情況的遠(yuǎn)程可視化，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的農(nóng)場(chǎng)地塊信息，了解地塊的編號(hào)、面積、類(lèi)型等，綁定機(jī)具、監(jiān)測(cè)設(shè)備以及車(chē)輛[8]。同時(shí)，可以通過(guò)農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)管理功能發(fā)布農(nóng)場(chǎng)中的作業(yè)任務(wù)，交換農(nóng)機(jī)、車(chē)輛與農(nóng)機(jī)手等信息。此外，管理人員能夠通過(guò)任務(wù)管理界面進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，查看任務(wù)分配的農(nóng)機(jī)以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)終端，管理人員能夠獲取農(nóng)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，農(nóng)機(jī)手也能夠通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查看勞務(wù)消息。

4.1.2 作業(yè)管理

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠每隔數(shù)秒采集一次車(chē)輛的軌跡信息，當(dāng)機(jī)具的監(jiān)測(cè)終端開(kāi)機(jī)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始記錄軌跡并計(jì)算作業(yè)面積，生成作業(yè)日?qǐng)?bào)。農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ψ鳂I(yè)中的所有車(chē)輛進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)終端的采集號(hào)識(shí)別機(jī)具，采集監(jiān)測(cè)終端上傳的信息并分析判斷機(jī)具的作業(yè)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)所有工作中的車(chē)輛，獲取車(chē)輛的作業(yè)時(shí)間、軌跡信息以及在不同時(shí)間點(diǎn)的作業(yè)面積，生成作業(yè)報(bào)告并發(fā)送給農(nóng)機(jī)手，每日更新作業(yè)日?qǐng)?bào)中的作業(yè)面積。次日0點(diǎn)前生成前日的作業(yè)日?qǐng)?bào)，可通過(guò)日?qǐng)?bào)中的“軌跡”按鈕，獲取車(chē)輛的歷史作業(yè)軌跡，并支持作業(yè)軌跡的回放功能。

4.1.3 統(tǒng)計(jì)分析

農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析包括對(duì)機(jī)具的出入庫(kù)信息、地塊溫濕度、農(nóng)機(jī)油耗情況以及人員和車(chē)輛的分析。提取作業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括某范圍內(nèi)的作業(yè)面積和作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，支持分類(lèi)搜索的功能，管理人員與農(nóng)機(jī)手能夠根據(jù)“監(jiān)測(cè)設(shè)備”“作業(yè)季”等不同條件搜索農(nóng)機(jī)的作業(yè)情況，查看當(dāng)日的作業(yè)面積和作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，并獲取相關(guān)信息的條形圖、折線圖等統(tǒng)計(jì)圖表[9]。農(nóng)機(jī)油耗統(tǒng)計(jì)能對(duì)農(nóng)機(jī)在當(dāng)前時(shí)間內(nèi)的總耗油量、順勢(shì)耗油量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠提供作業(yè)面積和耗油量的對(duì)比功能，幫助農(nóng)機(jī)手及時(shí)判斷農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中是否存在故障問(wèn)題，并為農(nóng)機(jī)故障維修等工作提供故障判斷的數(shù)據(jù)。溫濕度趨勢(shì)表采集土地和空氣的溫濕度，根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)可以更科學(xué)、合理地進(jìn)行灌溉和施肥作業(yè)[10]。

4.2 農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.2.1 內(nèi)蒙古某農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用

內(nèi)蒙古某農(nóng)場(chǎng)以小麥、大豆作為主要種植作物，除了農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的基本信息、系統(tǒng)分析等功能需求外，該農(nóng)場(chǎng)還需獲取田間作業(yè)的畫(huà)面。在原監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的基礎(chǔ)上，在農(nóng)機(jī)以及田間安裝攝像頭，通過(guò)云平臺(tái)能夠控制攝像頭的角度以及顯示畫(huà)面的大小。

4.2.2 廣東某農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用

廣東某農(nóng)場(chǎng)以甘蔗生產(chǎn)為主，提供甘蔗全程機(jī)械化生產(chǎn)服務(wù)，使用的農(nóng)機(jī)數(shù)量多，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上，著重設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)的配件管理功能，系統(tǒng)可自動(dòng)生成農(nóng)機(jī)的出入庫(kù)情況，管理人員可通過(guò)多種農(nóng)機(jī)的屬性查找農(nóng)機(jī)的工作地點(diǎn)和工作面積。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)了研究，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)傳感器、攝像頭等設(shè)備，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成對(duì)作業(yè)信息的傳輸，系統(tǒng)利用Java語(yǔ)言和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)的作業(yè)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，有效調(diào)動(dòng)了監(jiān)測(cè)設(shè)備、農(nóng)機(jī)、農(nóng)機(jī)手、管理人員、地塊等多個(gè)實(shí)體，滿足了農(nóng)場(chǎng)的現(xiàn)代化管理需求，并提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與生產(chǎn)狀況的適應(yīng)性，促進(jìn)了農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步。