基于北斗导航、百度地图的采棉机监控系统设计

李丹阳++李彬++李江全

摘要：针对采棉机田间作业的管理需求，采用北斗卫星导航（BDS）、百度地图API技术建立了采棉机监控系统。系统制定了车载终端与监控服务中心的通信协议，实现了对采棉机工况参数、位置、时间等信息数据的采集和解析；搭建了数据库，对采棉机地理信息及状态信息等数据进行统计管理，并实时显示在百度地图上。经实际应用，系统实现了预定功能，达到了预期目标，为采棉机公司对设备的维护和管理提供了有效途径。

关键词：北斗导航；百度地图API；采棉机；监控系统

中图分类号： TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0455-03

棉花是新疆生产建设兵团的支柱产业之一[1]，随着现代农业机械化不断发展，新疆生产建设兵团正大力推广机采棉作业，仅八师2013年采棉机数量就有400多台。针对新疆机采棉分布地域广、采棉机数量多的特点，采棉机公司对于如何有效减少管理成本、提高采收效率有迫切需求。因此，建立采棉机监控系统对采棉机的信息化管理具有十分重要的意义。本研究设计了基于北斗卫星导航、百度地图API的采棉机监控系统，对采棉机进行跟踪服务，以期保证采棉机的安全，便于采棉机公司对设备的维护和管理，为公司提高经济效益提供有效的技术支持[2]。

1系统总体设计

采棉机监控系统在.NET环境下开发，采用C#语言编写，后台数据库选用SQL Server 2010，应用北斗导航、地理信息及无线通信技术，通过调用Baidu Maps API，结合JavaScript语言实现采棉机基本信息管理、定位监控、工作状态实时显示等功能。

系统主要包括采棉机车载终端、监控服务中心两大部分，系统整体结构如图1所示。采棉机车载终端的主要功能是：利用内置北斗导航模块，定位采棉机位置信息和当前日期、时间，及时准确地获取采棉机工况参数，包括棉箱翻转状态、采摘头升降状态、发动机转速、风机转速、润滑脂加注和油耗等关键设备运行状态信息；通过内置GPRS模块，以GPRS流量方式将数据回传至监控服务中心[3]。

监控服务中心接收到采棉机车载终端无线传输的数据后，经过通信协议的转换和解析，将数据存储至监控服务中心数据库，完成对数据库的访问，并在监控系统电子地图上显示采棉机当前位置和工况，实现采棉机的实时定位和路径导航。当采棉机状态信息异常时，监控服务中心的工作人员能够及时通知驾驶员采取措施，以保证采棉机正常工作。

监控服务中心的WebGIS平台采用百度地图API技术构建。Baidu Map作为一种电子地图服务，多数应用于Web应用程序中，百度允许开发者不建立自己的地图服务器，而通过网页将百度地图数据嵌入网站中；对于桌面应用程序，百度地图可通过WebBrowser控件模仿IE的功能对其进行访问[4]。与传统的WebGIS地图同步交互手段相比，百度地图的前端开发技术采用AJAX的异步通信方式，在保留其他地图信息的同时，服务器直接对客户端请求作出响应，并将用户需要的信息反馈至客户端。

2状态信息采集

2.1通信协议的制定

通信协议包括应用层协议、网络层的TCP/IP协议，其中应用层分为加密层、应用协议层、高级应用层，其作用是规范采棉机车载终端和监控服务中心之间的通信行为，不仅能支持现有采棉机车载终端，还可预留足够的协议接口以保证系统的可扩展性。表1是通信协议字段的含义。

表1车载终端应用层协议

字段内容（字符形式）字段标志（协议帧头SH厂家标示1234终端号dd数据帧长度HHMMSSUTC时间（时分秒）A定位有效性标识DDDD.DDDDN纬度值DDDDD.DDDDE经度值DDMMYYUTC日期VV车速（km/h）FFFF车载电平信号状态值DD风机1转速值（r/min）DD风机2转速值（r/min）RRRR当前采收面积RRRRRRRR采收总面积DDDD行驶距离FF预留*协议帧校验和）帧结束标志

采棉机车载终端与监控中心通信格式（字符形式）如下：（SH 1234 dd HHMMSS A DDDD.DDDDN DDDDD.DDDDE DDMMYY VV FFFF DD DD RRRR RRRRRRRR DDDD FF*）。其中字符串“1234”作为当前终端特有标识，依据此部分可以辨别车号，将设备编号及相关数据存入数据库；定位标识“A”表示北斗导航已定位，则服务器可接收到采棉机终端传来的数据；采棉机工作状态由车载电平信号状态值“FFFF”的前2位表示，转换为二进制值后，具体含义如表2所示。

表2采棉机状态位定义

位序状态值（bit）部件状态01ACC开11右侧采头下降21左侧采头下降31采收41棉箱翻转51润滑脂61异常作业报警71保留

采棉机车载终端釆集的数据按照通信协议格式封装后传输到监控服务中心，只有符合协议的数据才能解析入库[5]。若数据格式不相符，系统返回错误提示；反之返回确认消息。

2.2数据采集

车载终端采集的主要信息有：采摘头状态、棉箱状态、风机转速、作业面积等。

2.2.1采摘头状态信息采棉机车载终端设计了9个通道的开关量输入端口，若输入电压信号Vin为高电平输入，表示采摘头下降；反之，采摘头上升。根据每个开关的状态划分，采头控制开关可分右升降、左升降、整体升降3种[6]。车载终端通过采摘头手柄按钮获取采摘头升降状态信息。为防止采棉机车载终端对采摘头状态误判，系统在采摘头下降、上升时采用延时方式判断其状态。

2.2.2棉箱状态信息采棉机棉箱底部设有压力传感器，用于检测棉箱载荷。当到达设定值时，表明棉箱已满。在实际操作时，存在棉箱未满需打开侧边门翻转棉箱卸棉的情况，系统采用棉箱翻转与侧边门信号相结合的方式获取棉箱状态信息[7]。endprint

2.2.3风机转速信息采棉机运行状态不同时，对风机转速的要求也有所区别。在采棉机采收作业期间，为防止风道堵塞，风机转速应大于或等于设定阈值3 000 r/min。

2.2.4作业面积信息采棉机作业面积由工作幅宽乘以采棉机在棉田中行驶的作业距离得出。作业距离是通过轮胎每转1圈时变速箱输出的脉冲数、采棉机轮距、整个作业过程变速箱输出脉冲数计算得出的。

2.3数据的解析

（3）16进制数“30 34 30 33”转换为字符串为“0403”，换算为2进制编码为“0100 0011”。其中0位字节为1，表示ACC开，即采棉机处于启动状态；第1位字节为1，表示右采头下降；第6位字节为1，表示采棉机处于异常作业状态。

3数据库设计

数据库主要对采棉机、机手、车载终端3个实体对象及联系进行存储管理。通过SQL结构化查询语言，对数据库表中的数据进行增加、修改以及删除操作，完成对采棉机管理服务系统中信息的管理。图2为系统主要实体-联系（Entity-Relationship，E-R）图。

系统搭建1个名为VETOM的数据库，以图2为依据主要设计以下4个数据表：（1）人事信息表（PERSONNELINFO）：用于储存人事信息，它有序号（ID）、所属单位、姓名、身份证号码、人员编号、所属部门、职务、联系方式、更新时间及备注等属性，ID为唯一标志；（2）采棉机信息表（VEHICLEINFO）：用于更新采棉机信息，它有序号（ID）、所属单位、采棉机编号、采棉机车牌号、采棉机厂家、采棉机型号、生产日期、购买日期、车辆状态（机损）等属性，采棉机编号和采棉机车牌号为唯一标志；（3）车载终端信息表（TERMINALINFO）：用于储存采棉机与车载终端的绑定信息，包括序号（ID）、采棉机车牌号、IMEI号、终端SIM卡号、终端类型、更新时间、备注等属性，其中ID、终端SIM卡号为唯一标志；（4）机具作业信息表（WORKINFO）：用于存储采棉机采收数据，如采棉机历史位置、时间以及工作状态；采棉机车牌号、作业日期、作业类型、初采作业有效时间、初采作业面积、完成初采订单、复采作业有效时间、复采作业面积、报警时间、报警内容、处理情况等属性，其中作业有效时间由程序时钟累加，序号ID为唯一标志。

4地图显示

地图显示是对采棉机地理信息最直观的展示，并且采棉机的大量信息显示在地图中，以便于用户进行操作与查看[8]。

系统利用Baidu Maps API v1.5所提供的Marker类、Label类、Polyline类等，创建静态的HTML页面，在该页面中添加系统所需的Baidu Maps API应用，实现对电子地图的加载，通过WebBrowser控件在桌面应用程序中浏览创建的HTML页面，为用户提供可视化操作。

在Baidu Maps API 中，地图的加载是通过对BMap（）对象的初始化来实现的，其实现过程如下：（1）在HTML文件的头文件中导入百度地图API类库；在页面上定义1个装载地图的元素，指定宽度、高度；（2）页面加载事件实现地图加载和关闭，避免浏览器因内存泄露而导致崩溃；（3）创建BMap（）对象，用于创建和控制地图；设定地图中心坐标并显示地图；（4）使用Baidu Maps API中提供的类定制在地图上添加标记、折线等。

百度地图的定位、标注都是由JavaScript脚本语言实现的。监控中心可以从数据库中读取采棉机的地理坐标信息以及相应的实时状态信息和预警信息等数据，通过WebBrowser控件传递到JavaScript网页脚本中，使用Baidu Maps API的自定义标注对象将实时信息动态标注于百度地图上。

5结语

本研究基于北斗卫星、百度地图API技术，设计了采棉机监控服务系统。系统人机界面友好、功能完善、使用方便，具有采棉机实时定位、状态信息监测、作业面积统计、历史轨迹回放等功能。经在新疆生产建设兵团第八师银力机采棉公司2013年采收季实际应用中，系统达到预期目标。系统的设计为研究基于百度地图API的采棉机远程监控系统的建立提供一定的参考和借鉴，也为新疆生产建设兵团农机作业的实时监控应用智能化的发展提供了相应的技术支持。

参考文献：

[1]夏新燕，石来斌. 科技创新基础上兵团棉花生产率变动分析[J]. 新疆农垦经济，2009（10）：28-32.

[2]王玉巍，贺浩，李江全. 基于GIS和GPS的采棉机跨区作业调度与服务系统设计[J]. 农机化研究，2012，34（7）：135-138.

[3]刘新霞，刘国锦. GPS车辆监控管理系统的设计与实现[J]. 信息化研究，2009，35（8）：19-21.

[4]张磊. 基于GIS和GPS的车辆实时监控系统的设计与实现[D]. 苏州：苏州大学，2013.

[5]刘荣，张帆. 采棉机监控终端的研制及作业面积算法[J]. 江苏农业科学，2013，41（11）：400-403.

[6]竟静静. 基于多信息传输的采棉机车载监控终端设计与研究[D]. 石河子：石河子大学，2013.

[7]吴肖，彭璇，朱明磊. 基于Google Map API的校园电子地图开发[J]. 测绘工程，2010，19（3）：35-38.

[8]杨帆，张彩丽. 桌面应用程序嵌入Google Map及其交互方法研究[J].endprint