基于OneNet的农机物联网定位和监控系统设计

吕舒宏，路来聪，朱书慧

（山东英才学院工学院，山东济南，250000）

0 引言

在农业领域，智能化技术正通过各式各样的产品和服务，使得整个农业从生产到消费发生巨大变化。在这其中，自然有智能化农业机械的身影。在农机领域，智能化技术正在使得农机从形态到功能发生翻天覆地的变化，无人机、自动插秧机、农机作业精细化管理平台等，既有单个的智能农机产品，也有农业智能化系统和平台[1]。本项目就以卫星定位为切入点开始研究，逐步实现并打造新时代下的农业智能物联网系统。

1 数据采集端硬件设计

数据采集端基于中科微第四代定位模块，采集端装置主要包括主控制器、卫星定位模块、GSM模块、有源天线、供电电源等。

主控制器采用ArduionUNO加MC20模块，该模块基于MT2503D芯片平台开发的GSM/GPRS/GPS/Beidou多功能模块，并采用LCC主流封装。MT2503D平台是GSM平台MT6261和GNSS平台MT3333的组合体。其在面积缩小40%、功能大大增加的同时，很大程度的提高了性能，ArduionUNO主要负责通过AT指令控制MC20模块、获取卫星定位数据、调用GSM/GPRS模块转发定位数据。MC20是一款集成LCC封装、四频段GSM/GPRS和先进的算法GNSS引擎于一体的全功能通信模块具有超小体积、低功耗、反应块等优势，还集成了包括北斗、GPS、QZSS在内的多星座卫星系统，所以能提供精准导航定位功能和无线通讯功能[2]。MC20支持秒定，一种在线辅助定位（Online AGPS）功能。基于EPO数据，秒定功能额外支持NTP/NITZ时间同步，并能提供参考位置信息，实现4.5秒的冷启动定位耗时[3]。

图1 芯片模块

2 农机定位软件程序设计

ArduionUNO采用代码简洁、具有较好可移植性的C语言编程，ArduionUNO主要作用是发送AT指令调用MC20模块去搜索卫星型号并且通过串口获取到经纬度数据，再通过ArduinoUNO解析，数据在ArduinoUNO端短暂的停留后则按照预定好的协议、通过GPRS技术转发到中国移动OneNet物联网平台的服务器上。

首先是程序初始化，然后ArduionUNO发送AT指令询问MC20是否初始化成功；如果初始化成功，那么继续发送AT指令获取到GPS数据；如果获取到GPS数据信息，先询问GPS数据是否有效，如果数据有效那么开始解析GPS数据把GPS数据掐头去尾，获取UTC时间，获取纬度信息，获取经度度信息；解析完GPS数据之后，按照预定的传输协议制作Json串格式报文；然后ArduionUNO开始调用MC 20的GSM模块，ArduionUNO访问中国移动one net物联网服务平台服务器；通过GPRS输出解析后的数据包，发送到one net服务器；这里为了方便看到是否发送成功，我们这里给主板设置一个LED指示灯，由程序控制，数据每发送一次，LED电平翻转一次，到这里便完成了一次数据的发送，程序返回开头重新执行进行下一次循环，每一个循环分别设置if语句来保证数据格式和内容的完整性。

在中国移动OneNet物联网平台后台就可以看到我们的location数据流，并且可以打开地图查看定位地图，手机端也可下载中国移动OneNet物联网平台手机端APP，可随时随地查看实时定位数据。

3 继电器单元模块设计

设计继电器单元模块是为了用电路板的微弱电流来控制车辆的一些电器负载设备。继电器是一种电控制器件，是当输入激励量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。在这里实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

4 通信方式

通过GPRS技术进行数据采集端与中国移动OneNet物联网平台的服务器进行通讯；GPRS技术经过多年的发展和技术锤炼沉淀，已经成为覆盖面最为广泛的无线网络通讯系统，GPRS技术有可再次利用可再开发的优点，加上5G技术的投入运用，大大拓宽了无线设备可接入平台的接口，此系统GSM部分内嵌TCP/UDP、PPP、HTTP和FTP等数据传输协议，可实现短信电话通信以备在网络情况较差的2G网络情况和一些其他情况下应急通讯[5]。

为什么选用GPRS技术而不用其传输技术呢？这里是有考虑的，GPRS拥有以下技术特点。

（1）传输速率快

传输速率是做通信最先要考虑的，因为传输速率会影响整个系统的性能；GPRS技术较高的传输速率得益于他的通信原理，在传输数据时它能准确的利用无线带宽的八个空隙，现阶段可完美达72.1kb/s，能够满足该系统使用要求。

（2）费用较低

按流量计算费用是GPRS的计费方式，顾名思义按流量的使用情况计费，最关键的一点是，该技术支持客户长期在线，即使是几乎没有数据交互的情况，这就大大节省了用户的使用成本。

（3）方便使用

系统的数据采集端采用GPRS技术的通讯方式不需要复杂的传输协议，设备冷启动联网时间在1～3s，可以理解为设备在极短的时间内就可以接入到互联网，快捷方便。即可以节省人力物力财力，又达到了传输数据的目的。

5 传输协议

数据传输采用构建在TCP/IP协议之上的基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的轻量级通讯协议MQTT协议，即消息队列遥测传输协议。MQTT基于异步发布/订阅的实现解耦了消息发布者和订阅者，其实现节省了存储空间及流量归因于基于二进制，MQTT也拥有更优秀的消息处理机制，不仅可代替TCP Socket部分场景的应用，而且对于XMPP和HTTP，MQTT可以选择数据格式，解析复杂程度较低，值得一提的是MQTT也可作用于手机推送等移动通讯领域。MQTT协议的特点如下：

（1）发布/订阅模式

不需要发布者和订阅者之间直接建立联系，因为发布/订阅模式解耦了发布消息的发布者与订阅消息的客户订阅者之间的关系。发布/订阅模式有着以下优点：发布者与订阅者只需要知道同一个消息代理即可；发布者和订阅者不用直接交互；发布者和订阅者不要求同时在线；支持双向通讯，MQTT支持服务端反向控制设备，设备可以订阅某个主题，然后发布者对该主题发布消息，设备收到消息后再进行一系列操作。

（2）二进制格式

MQTT基于二进制实现而不是字符串，MQTT固定报文头仅有两字节，所以与其他传输协议相比较，使用MQTT协议发送一条消息最省流量。

（3）MQTT的安全

由于MQTT运行于TCP层之上并以明文方式传输，这就相当于HTTP的明文传输，使用Wireshark可以完全看到MQTT发送的所有消息，消息指令一览无遗。

MQTT还支持两种层次的认证：应用层：MQTT支持客户标识、用户名和密码认证；传输层：传输层可以使用TLS，除了加密通讯，还可以使用X509证书来认证设备。

6 结语

随着智能化技术通过多种方式影响农机和农业，一场全新的；农业革命正被掀起。然而，所有的农机智能化都离不开机器的卫星定位，无论是迈入智能化行列的水稻直播机、安装上北斗导航系统的拖拉机还是喷洒农药的无人机，都离不开卫星定位的技术支持；相信在不久的将来，拖拉机在北斗导航的指引下，在5G网络的支持下能够自己进行大面积全天候耕作，而操作上千台拖拉机的将是一个由年轻人组成的团队[3]。