農業機械自動化作業系統集成技術與設計

劉禹博

(大連理工大學,遼寧 大連 116024)

0 引言

傳統人力勞動在農業生產中存在勞動強度大、效率低下以及對人力資源產生依賴性等問題。隨著現代農業快速發展和科技不斷進步,農業機械自動化作業系統集成與優化技術成為農業生產的重要發展方向,此項技術可以顯著提高農作物的生產效率和質量。

農業機械自動化作業系統集成與優化旨在將各種農業機械設備、傳感器、監測系統以及信息技術相互融合,實現農業作業的智能化和自動化[1-3]。通過傳感器技術的應用,農業機械能夠實時感知農田的土壤狀態、氣象信息等關鍵數據,從而精確地進行施肥、灌溉、植保等作業操作[4-5]。農業機械基于監測系統可以保證其根據預設的參數和算法進行自主決策和調整,實現高效的作業控制和資源利用。綜上所述,信息技術的應用則提供了數據收集、存儲和分析能力,為農業生產決策提供科學依據。

本文重點探討農業機械自動化作業系統的集成與優化,全面探討關鍵技術和方法,通過實際案例展示其在現代農業中的應用。通過對農業機械自動化作業系統的深入研究和推廣應用有望推動農業現代化進程,實現農業的高質量發展。

1 傳感器技術在農業機械自動化作業中的應用

傳感器技術是農業機械自動化作業的基礎,同時也是農業監測系統及決策系統的基本條件,主要由傳感器網絡節點、匯聚節點及任務管理節點組成。傳感器網絡節點通常被部署在農田中,用于收集農業生產過程中的關鍵數據,如土壤濕度、溫度、光照強度等,匯聚節點負責接收傳感器節點發送的數據,并進行數據的聚合、壓縮和存儲,最后任務管理節點負責對傳感器節點進行任務的分配和管理,調度傳感器節點的工作時間和工作方式,最大化數據采集效率和準確性[6]。本章節將系統闡明傳感器網絡特性及需求,探討傳感器網絡模型的設計與構建,在此基礎上以農業物聯網傳感器網絡系統的構建為例,詳細分析其架構和功能。

1.1 傳感器網絡特性與需求

農業機械自動化作業對傳感器網絡有特定的特性和需求,主要體現在以下幾個方面。

1)低功耗和長壽命。農業機械自動化作業通常需要長時間運行,因此傳感器節點應具有低功耗的設計,以延長電池壽命,減少更換電池的頻率,從而減少維護成本。

2)大規模部署和自組織性。傳感器節點應具備自組織性,能夠自動配置和重新組織網絡,適應農田中不斷變化的環境條件,保持網絡的穩定性和可靠性。

3)高傳輸速率和實時性。農業機械自動化作業需要實時獲取傳感器數據,以支持決策和監測系統的實時調整。因此,傳感器網絡應該具備較高的傳輸速率,能夠快速、可靠地傳輸大量數據,并保證數據的實時性和準確性。

4)數據安全和隱私保護。農業數據具有商業價值和隱私性,傳感器網絡應具備可靠的數據加密和訪問控制機制,確保農業數據的機密性和完整性,防止數據泄露和惡意攻擊[7]。

5)抗干擾和可靠性。農業機械自動化作業往往發生在復雜的農田環境中,存在各種干擾源,如電磁干擾、多徑衰落等,因此,傳感器網絡應具備抗干擾能力,能夠在復雜的環境條件下可靠地傳輸數據,保證數據的完整性和可靠性。

1.2 傳感器網絡模型設計

假設傳感器由N個無線傳感器節點組成,被部署在一個有限的作業區域進行周期性采集參數,其網絡模型設計主要包括以下流程。

1.2.1 傳感器網絡規模

在傳感器網絡中,傳感器節點的規模應該保持在較小范圍內,通常建議不超過300個節點[8]。為了確保數據的可靠傳輸和及時處理,數據匯聚節點應該在監測區域中進行部署,縮短數據傳輸距離,減少數據傳輸延遲,有助于提高數據的傳輸效率和可靠性,減少中間節點的依賴。

1.2.2 傳感器網絡通信成功率

在傳感器網絡中,節點之間進行通信時,通信成功率可以服從公式(1),若網絡中存在一條路徑為h跳,第i跳的距離為di,節點通信半徑為r

(1)

1.2.3 傳感器網絡耗能模型

無線通信過程中的耗能模型服從自由空間模型和多路衰減模型,即當收發節點間的距離d

(2)

Erx(k)=kEelec

(3)

式中,Etr表示節點當前剩余能量,J;Eelec表示網絡平均能量,J;εfs表示加權因子,可以根據網絡節點規模和節點密度進行在線調整d0表示參考距離或參考距離常數,m。

1.3 農業傳感器網絡應用系統的開發

傳感器網絡是獲取田間信息的設備依托,同時也是實現各類農業機械自動化作業的基礎條件,傳感器網絡的基本結構組成如圖1所示,主要包括傳感器硬件平臺、軟件系統、網關節點硬件平臺、SQLite數據庫和網關管理平臺。

圖1 傳感器網絡結構

1)傳感器硬件平臺。傳感器硬件平臺是傳感器網絡中的節點設備,用于感知和采集田間環境信息。這些傳感器節點通常包含各種傳感器模塊,如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等,用于測量田間的各種參數。

2)軟件系統。軟件系統是傳感器網絡的核心部分,用于管理和控制傳感器節點的工作,主要包括嵌入式軟件和上層應用軟件。嵌入式軟件運行在傳感器節點上,負責數據采集、處理和通信等任務。上層應用軟件用于數據分析、決策支持和遠程監控等功能。

3)網關節點硬件平臺。網關節點是傳感器網絡與外部網絡(如互聯網)進行連接的橋梁,負責接收傳感器節點采集的數據,通過無線通信或有線連接將數據傳輸給上層系統,支持更復雜的數據處理和網絡管理任務。

4)SQLite數據庫。SQLite數據庫用于存儲和管理傳感器節點采集的數據,為用戶提供數據存儲、查詢和分析等功能,可以支持對歷史數據的回溯和對實時數據的監測。數據庫可以根據需要選擇不同的類型,如關系型數據庫或時序數據庫,以滿足數據存儲和查詢的需求。

5)網關管理平臺。用于監控和管理傳感器網絡中的網關節點,實時監測網關節點的狀態、數據傳輸情況和能量消耗等信息。網關管理平臺可以提供對網關節點的配置、調度和故障診斷等功能,以確保傳感器網絡的正常運行。

2 農業信息技術及監測系統的實現

傳感器網絡設計完成后,為了實現對田間傳感器信息的實時監測,需要設計一個農業信息監測系統。本章節將重點探討農業信息監測系統的總體結構及設計,通過有效的監測系統設計,可實現對田間傳感器信息準確、及時的監測和分析,為農業機械自動化作業提供重要決策支持。

2.1 嵌入式網關系統設計

嵌入式網關是農業信息監測系統的中樞部分,起著連接田間傳感器網絡和上層系統的重要作用。

2.1.1 開發環境

為了方便快速地搭建開發環境,本文選擇使用開源的Linux系統,并從網上下載適用于ARM架構的Linux版本(ARM-Linux)[9]。同時,為了進行交叉編譯,本文還下載了版本為gcc-4.4.3的交叉編譯工具。通過使用開源的Linux系統,可以充分利用其豐富的軟件資源和開發工具,提高開發效率和靈活性。基本流程如下。

1)下載交叉編譯工具鏈。使用以下命令從官方網站下載適用于ARM架構的交叉編譯工具鏈

$ wget http://www.example.com/arm-linux-gcc.tar.gz

$ tar -zxvf arm-linux-gcc.tar.gz

2)設置環境變量。將交叉編譯工具鏈的路徑添加到系統的環境變量中。在～/.bashrc文件中添加以下行

export PATH=$PATH:/path/to/arm-linux-gcc/bin

3)配置交叉編譯工具鏈。進入交叉編譯工具鏈的目錄,并進行配置

$ cd /path/to/arm-linux-gcc/bin

$ ./configure --target=arm-linux --prefix=/path/to/install

$ make

$ make install

4)測試編譯環境。創建一個C程序,如hello.c

#include

int main() {

printf("Hello, World!n");

return 0;

}

$ arm-linux-gcc hello.c -o hello

2.1.2 建立Linux系統平臺

建立Linux系統平臺的步驟包括選擇合適的Linux發行版,下載相應的鏡像文件并創建安裝媒介,通過安裝向導進行系統安裝,配置和更新系統,安裝所需軟件包進行系統調優和安全性配置,以及定期進行系統維護。

2.1.3 加載配置文件

加載配置文件的過程包括確定配置文件位置、選擇配置文件格式,加載配置文件,解析配置文件,存儲配置參數,應用配置參數,以及處理錯誤和容錯機制。通過此過程,應用程序能夠讀取和解析配置文件,提取出配置參數(圖2),并將其應用到適當的功能和模塊中,以滿足應用程序的需求。同時考慮異常情況和錯誤處理,確保應用程序能夠正常運行并給出適當的反饋[10]。

圖2 加載配置文件部分程序代碼

2.2 服務器端設計

服務器端總體設計,主要包括圖形界面層、控制層、服務層和底層。

1)圖形界面層。圖形界面層負責與用戶進行交互,提供友好的用戶界面,主要包括網頁前端、桌面應用程序或移動應用程序,用于顯示數據、接收用戶輸入并向控制層發送請求。

2)控制層。控制層是服務器端的核心模塊,負責處理用戶請求、協調各個模塊之間的交互和控制流程,通過接收來自圖形界面層的請求,并根據請求的類型進行相應的處理和響應。控制層可以包括路由器、控制器、中間件等組件,用于處理請求、驗證用戶身份、調用服務層提供的功能等。

3)服務層。提供業務邏輯的處理、數據操作、算法計算等功能,負責對接控制層的請求、執行相應操作、返回處理結果。服務層可以包括業務邏輯組件、數據訪問對象、服務接口等[11]。

4)底層。底層是服務器端的基礎設施層,提供底層支持和資源管理,主要包括數據庫管理、文件系統操作、網絡通信等,提供必要的資源和服務給上層模塊使用。

2.3 客戶端的設計與實現

客戶端主要實現用戶身份登錄,進而進入監測系統實現實時監測。用戶通過客戶端登錄可以方便地進行身份驗證并進入實時監測服務,以獲取和展示相關的田間信息,并根據需要進行操作和分析。基于人機交互原理開展客戶端登錄界面的設計如圖3所示。

圖3 基于人機交互下客戶端登錄界面的設計

3 農業機械自動化作業系統發展趨勢

3.1 多機器協作與協同作業

多臺農業機械設備通過相互傳遞信息進行任務分配,不同設備可以明確其他設備的位置和任務,避免產生沖突或重復作業[12]。例如,在田間作業中,設備可以通過通信系統相互交流位置信息,避免相互碰撞,并根據當前任務情況進行作業路徑規劃,通過互相傳遞信息和任務分配,實現更高效的作業效果[13-14]。

3.2 機器人技術的應用

隨著機器人技術的不斷進步,農業機械自動化作業系統中機器人的應用將逐漸增多[15]。機器人能夠實現更復雜的農業作業任務,機器人系統通過視覺識別和智能算法,準確識別并開展田間任務,如果實采摘、剪枝、病蟲害監測等,減輕人力勞動壓力,提高作業效率和精度。

3.3 環境友好與可持續發展

農業機械自動化作業系統將越來越注重環境友好和可持續發展,減少農藥和化肥使用量,采用更加環保的作業方式與技術,降低對土壤、水源和生態環境的影響[16-17]。同時,系統還將積極采用可再生能源和能源節約技術,降低能源消耗和碳排放,實現綠色農業的目標。

4 結論

農業機械自動化作業系統的集成與優化是推動農業現代化的重要方向。本文從傳感器網絡、農業信息監測系統進行了探討,主要得到以下結論。

1)傳感器網絡是農業機械自動化作業的基礎,通過傳感器節點、匯聚節點和任務管理的組合,實現對田間信息的采集和監測。同時,傳感器網絡的規模應保持在較小范圍內,以確保通信的成功率。

2)農業信息監測系統是傳感器網絡的重要組成部分,通過嵌入式網關和相應的操作系統,實現對傳感器信息的實時監測和數據處理。通過配置文件的加載和管理,靈活地對系統進行配置和調整。

3)未來農業機械自動化作業應逐步實現多機協同作業,將機器人技術引進農業生產中,以實現復雜的農業作業任務,實現農業生產智能化、高效化和可持續發展。