农机作业监测系统的开发与设计

王辉，金 吉，张轩翊，江荣祯，高菊玲，姬丽雯

（江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容 212400）

0 引言

随着农业机械化和信息化水平的不断提高，其发展过程中的缺点与不足也暴露出来。针对农机作业质量监测与调控手段缺乏、作业过程难以监管等问题，农机领域的科研人员相继开发了多种智能监测系统[1-4]，冯小川等[5]开发的农机监测终端可实现农机管理、定位、作业发布等功能。杨俊茹等[6]利用LabVIEW软件设计开发了收割机液压部件监测系统，实现对液压部件工作性能的模糊综合评价。

结合江苏农博园农机作业实训基地实际情况，设计开发一套农机作业监测系统，实现农机作业质量在线监测、作业面积自动测算、作业质量在线评价等。

1 系统总体设计

农机作业监测系统由硬件系统与软件系统两部分组成。其中硬件系统由嵌入式DTU网关、触摸屏、摄像头、GPS基站、作业参数检测终端、角度传感器等组成；软件系统由云服务器、WEB端平台与小程序终端三部分组成。拖拉机作业监测系统框架图如图1所示。

图1 拖拉机作业监测系统框架图

系统工作时，操作人员通过安装在拖拉机上的触摸屏进行网络配置、运行参数和作业任务配置、农机类型和编号配置等操作，触摸屏参数配置页面如图2所示。

图2 触摸屏参数配置页面

完成系统参数后启动机具进行作业，系统将数据通过4G远程通讯模块将机具当前的经纬度、行驶速度、作业面积、耕深等参数将发送至云服务器，可通过WEB端平台、手机小程序在线对作业质量进行监测，等作业结束后，系统可形成作业轨迹和作业质量分布图。

2 硬件设计

2.1 作业参数检测终端设计

系统硬件由采集和分析处理两部分组成，其中采集部分由作业参数检测终端、GPS基站、角度传感器等组成；分析处理部分由嵌入式DTU、触摸屏、摄像头等组成。

作业参数检测终端使用STM32F103RBT6单片机芯片作为控制核心，共设计有2路485通道、1路232通道、8路模拟量通道和1路CAN总线通道，作业参数检测终端电路原理图如图3所示。终端实时采集角度传感器、移动基站等检测类传感器的数据，解析处理完成后发送至嵌入式DTU中。由嵌入式DTU进行下一步的分析处理，然后通过触摸屏实时显示，同时通过4G远程将数据发送至云服务器。

图3 作业参数检测终端电路原理图

2.2 嵌入式DTU功能设计

嵌入式DTU采用飞凌嵌入式的FCU2401型嵌入式控制单元，该控制器采用全志的A04i四核处理器，具有高性能、低功耗、高可靠性等特点。嵌入式DTU实物图如图4所示。

图4 嵌入式DTU实物图

具体功能有：一是GPS定位：通过外接GPS定位终端，实现农机高精度定位；二是数据采集：通过RS485与农机作业参数检测终端建立通讯，实时采集耕深等数据；三是作业参数设置：嵌入式DTU与触摸屏通过标准DVI-I通讯线连接，可通过触摸屏实现系统参数、运行参数、农机绑定、作业扫描等功能，并在工作监视界面，对通信状态、采集数据等实时监测；四是远程监测：嵌入式DTU支持4G、以太网、WIFI等方式进行网络通信，当选择使用4G网络通信时，需要插入标准SIM卡，并将4G天线与DTU连接，即可实现本地数据与云服务远程交互。

3 软件设计

3.1 WEB端平台设计

系统软件由本地的触摸屏、WEB端平台与小程序平台三部分组成。其中触摸屏主要用于系统运行前的参数设定、作业参数监测、报文打印等功能；WEB端平台可实现农事发布与作业调度、田间作业全程监测、作业质量在线分析及作业效果效率在线评价等功能；小程序平台主要为了方便用户实际使用，其功能与WEB平台类似。

WEB端平台首页面如图5所示，用户通过浏览器进入平台，在首页可通过可视化地图管理地块，对农机作业面积、作业次数进行统计分析，查看待办任务等，左侧导航栏可以实现作业管理、配置管理、平台管理、维修保养、遥感监测等功能，通过安装在田块的气象站对局部区域的温度、湿度、光照强度、风速、风向等参数进行实时采集。

图5 WEB端首页面

点击进入作业监控界面可以在作业状态一栏查询农机作业时长、设备地址、设备状态等参数，实时数据一栏可以查询农机当前实时行驶速度、作业面积、作业效果等，可视化的地图可以查看农机作业轨迹，其中蓝色代表合格作业，红色代表不合格作业，能够更好地反映农机作业效果，作业监控页面如图6所示。

图6 作业监控页面

3.2 微信小程序端设计

在实际生产使用过程中，为了使用快捷，同时开发设计了基于微信小程序的农机作业监测系统，实现了对农场、地块、农机、设备等管理，微信小程序页面如图7所示。用户通过系统预先分配的账号进入系统中，在首页可查看农场局域环境参数、待办任务等，在任务页面中可以查看未开始、进行中、已结束三种状态下的作业任务，在作业页面中可查看农机作业轨迹、作业参数等信息，在保证作业效果的同时，提高了农机作业效率。

图7 微信小程序页面

4 结论

农机作业质量监测系统支持对拖拉机、插秧机、植保机、收割机等多类型农机进行作业监测，具有定位、轨迹查询、耕深监测、面积测算等功能。能够满足不同作物连续作业要求，符合农业生产要求。但其作业监测内容需进一步完善，加强系统适用场景。