农业机械装备智能终端发展现状

高江永，侯永胜，张桐林，史海玲，翟学迪，李军叶

(中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083)

0 引言

农业机械化与信息化是农业现代化的重要体现，是实施乡村振兴战略的重要支撑。随着信息技术、传感器技术、大数据及物联网等技术在农业和农机行业的不断结合、应用与普及，智能化农机装备不断更新换代，并源源不断地应用于农业生产、农业管理及农业服务中。

农业机械智能终端是智能农机必不可少的组成部分，也是实现农业机械智能化、信息化过程中为农机配套安装的前端装备。鉴于智能终端在农机智能化过程中的重要作用，本文从智能终端的功能、类型、硬件构成等角度，对智能终端的研究和应用现状进行深入阐述与分析，并给出智能终端发展和应用的建议。

1 农业机械智能化

农业机械装备服务于农业生产各个环节，涵盖耕整地、播种、收获、收获后秸秆还田离田、植保、施肥及灌溉等环节。这些环节中常见的农业机械装备包括拖拉机、耕整地机械、深松机、喷药机、喷灌机、联合收割机、植保无人机、插秧机、采棉机等。

农业机械智能化是农业现代化、精准化及农业信息化的必然要求和发展趋势。从技术角度来讲，农业机械装备的智能化是农业机械装备与互联网/物联网、5G技术、传感器技术、电子技术、大数据等技术的深度融合。

目前，智能化农机可用于远程监控、自动导航、作业路径规划、工作状态监测、农事作业监测、农机无人驾驶和辅助驾驶、多机协同作业、农机补贴申报与办理、农业机械调度与调配，以及农业多领域信息化管理。实现农业机械化装备智能化的主要思路是在现有农机装备上加装用于感知机外工作环境和农机机器状态的传感器，并通过一定的数据采集模块与传输模块将农机的工作状态、作业情况及环境情况等信息传输至管理云平台，以此实现农机的信息化状态监控与管理调度。

随着各类新技术的突破和应用，农业机械的智能化、安装智能终端的应用和研究已经成为热点。在湖北省，基于北斗的智能终端主要安装在拖拉机、收割机、插秧机、农用无人机4类作业机具上，作业监测覆盖耕整地、播种、植保、收获、秸秆还田离田5个主要作业环节，解决了农业补贴资金因数据不精准带来的管理风险[1]。冯小川等[2]研究了广东省农机信息化服务平台建设与推广应用情况，其农机信息化服务平台涵盖播种、插秧、植保、收割、深松等多种农业作业机具，作业机具需安装远程监测终端，该终端用于农机作业参数信息的获取和传输，可适配多种不同的传感器以便于实现农机作业数据采集。借助依托于远程监测终端的信息化服务平台，管理部门可以实现作业机具的精准定位、状态检测、作业统计、信息管理、调度、报表统计等功能，用户或农机驾驶员可以通过手机APP、微信公众号和电脑客户端等多类型客户端使用该平台，查询有效作业面积、农机实时定位和轨迹，完全实现了高效率的农机和农机驾驶员的调度管理。

农机自动导航和自动驾驶、各类作业监控、联合调度也有诸多学者开展研究[3-10]。

2 智能终端功能

智能农业装备集复杂农业机械、智能感知/智能决策/智能控制、大数据/云平台/物联网等技术为一体，可自主、高效、安全、可靠地完成农业作业任务[11]。

智能终端属于农业机械装备中控制装置的一部分。监控终端是一个状态监控系统，可实时显示农机的运行状态，国际标准ISO11783是农业、森林机械的总线标准，其对监控终端的功能、界面布局等做了详细规定[12]。目前，我国行业内的智能终端不仅限于ISO11783给出的定义，往往还从农机物联网或者农业物联网的角度出发，宽泛地把能反映农机及其工作环境的信息模块都称为智能终端。

智能终端在农业物联网中的作用有感知外界信息、传递所感知的信息或指令、显示工作或环境的信息、人机交互指令和信息等。在智能农机或者农机智能化的应用和研究中，智能终端的主要功能为虚拟作业显示功能、监控作业状态、动力和机具运转状态监测、定位、数据采集、数据传输、故障诊断、远程控制、数据处理与分析、数据存储与查询、防止拆卸。

智能终端生产企业有两类：一类是农机企业，生产的智能终端直接配套自己生产的农机产品，农机功能和智能终端无缝衔接，完成农机的控制与监控；另一类是智能终端配套厂家，可以为不同农机企业配套生产智能终端，或者生产通用的智能终端。

农机具种类非常多，增加智能终端的目的和需求有所不同，因此，智能终端的功能也不尽相同。在国际高端农机产品中，虚拟作业显示、监控作业状态、动力和机具运转状态及故障诊断等功能比较常见。高端农机具配备的智能终端通常由显示区和控制区组成，显示区可显示不同农具(犁、旋耕机、播种机、收获机、喷药机等)的工作过程参数。使用这些智能终端，显著提高了机具驾驶人员的驾驶舒适性和控制灵活性；同时，由于其拥有良好的人机交互功能，也提高了农机具的操控性。刘成良等[11]对比了国内外的终端设备，特别是全面综述了一些大型农机公司和终端配套公司的虚拟终端产品现状。张明柱等[12]研制了基于ISO11783标准的农业机械虚拟终端，该终端具备虚拟作业显示功能。崔明明[13]以ISO11783标准中的虚拟终端作为研究对象，针对电子控制单元(ECU)通过虚拟终端表达人机界面的工作组对象池设计，研究了对象池在虚拟终端中解析与显示等问题。

国内的智能终端产品主要功能集中在卫星定位、无线数据传输、数据采集，特别是在因涉及农机补贴而配装的北斗智能终端中，这种情况表现得更为明显。苏仁忠[1]报道，在农机深松作业监测中，通过北斗信息化手段对作业面积、作业质量、作业效果进行在线监控和审核。由于农业部门对深松作业的相关政策要求，这方面的研究数量比较多[7，14-17]。

3 智能终端类型

3.1 不具备人机交互功能的智能终端

此类终端仅仅具备定位、传感器信息采集及无线传输功能，其决策功能由上级管理中心和管理平台实现，在国内应用较多。农业机械的智能化，往往在现有农机装备上安装此类终端，实现单体农机位置、作业信息的收集和传输。单体农机的信息上传到管理平台后，由平台进行评估和分析，最终实现单体农机作业情况和设备状态的统计，并完成区域农机的调度工作。王春山等[18]指出，农机调配管理平台功能与机载采集单元功能类似。王喜恩等[19]开发了一种基于嵌入式web服务器的农机车载终端，实现了对农机运行参数的远程在线监测，满足了低成本数据远程传输和控制要求，并根据用户功能需求，实现了车载终端的硬件封装。

3.2 具备人机交互功能的智能终端

此类智能终端又可以分为虚拟终端、工业计算机及移动设备。

虚拟终端往往具备传感器数据采集、存储及处理功能，显示虚拟设备的工作状态，下达设备工作指令，具备动力和农机具的状态监测与故障诊断等多种功能。这一类终端属于智能农业机械装备，是高端农机装备必不可少的组成部分。虚拟终端和管理平台共同完成农机调度等工作。当所在区域没有管理平台，仅由驾驶员单独操作农机时，这类终端也可以单独使用，用于操控农机装备，监测显示作业状况和农机工作状态。该类智能终端的应用多见于国内外大型智能农机具[11，13]。刘晓光等[20]以ARM9处理器及触摸屏为核心，采用Windows CE操作系统基于CAN总线完成了农机导航控制系统终端的硬件系统和软件系统的研制。

以工业计算机或者车载计算机作为核心处理模块，可高效完成数据通信与处理，显示作业状态。王新忠等[21]设计了一种基于CAN总线的拖拉机车载智能终端，可以用于大型拖拉机的作业监测。车载智能终端集车载计算机、网络通信、软件编程等技术为一体，通过软件和硬件配置，超越传统农机仪表的功能，具有图形及数字混合显示、虚拟仪表及操作方便等特点。

基于移动设备(智能手机、各类PAD)的智能终端，在实际应用中占有非常大的比例[3，10，22-24]。智能手机和各类PAD功能强大，且随着技术的成熟而成为人们的日常用品。基于智能手机或者智能移动终端IPAD而开发的APP或者微信小程序，都可以实现农机的位置信息和作业信息的采集和传输，方便快捷。吴才聪等[3]基于Windows平板电脑和Google Map地图组件，开发了便携式农机管理调度原型系统，实现了位置报告、机具监控、中心导航和移动指挥等功能。

4 智能终端硬件结构

农业机械智能化的主要功能包括虚拟作业显示、监控作业状态、动力和机具运转状态监测、定位、数据采集、数据传输、故障诊断、远程控制、数据处理与分析、数据存储与查询、防止拆卸。

为实现智能终端的功能和作用，智能终端的硬件构成有卫星定位、无线传输、电源、人机交互、核心控制、数据接口(CAN通讯、RS232或485)、存储、身份识别、视频/声频模块、USB接口、传感器等模块。

结合Android和嵌入式控制技术，田雪莲[25]设计了一套农业车辆智能终端控制系统，智能终端包含的模块有车辆信息采集、GPS、GPRS通信、屏幕显示、语音设备、APP、MPU6050M(内部集成了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器及数字运动处理器)、SDRAM、时钟、电源等。詹新生等[26]也进行了类似的设计和终端研制。康康等[27]提出一种基于物联网的移动式农机设备监控系统，主要包括以单片机为核心的底层终端和远程监控中心2个部分，二者之间利用移动无线通信网络进行数据传输。利用GPS/BDS双模定位获取农机地理位置信息，编程控制拖拉机行驶路径，同时在监控中心绘制路径，实现对农田作业面积、地理位置、运动参数和农田环境等参数的采集。冯小川等[28]设计的农机作业监测终端由微控制器、卫星定位模块、无线通信传输模块、数据存储模块、电源处理模块、显示报警装置、机具识别装置、作业状态监测装置、图像采集装置、卫星定位天线、无线通信天线组成。

智能终端的硬件往往与上位平台中一些软硬件相互融合、相互作用，处于承上启下的地位。上位平台包括单纯的信息采集系统、状态监测系统、故障诊断系统、远程监控系统、农机监管服务平台或调度系统[29-40]。

5 结论

(1)智能农业机械装备和农业机械的智能化是实现农业现代化的必然趋势。新时期，随着计算机、传感器、物联网、5G等技术的飞速发展，传统农机装备与这些技术的融合也呈现质的飞跃。鉴于上述技术飞速发展和学科交叉及相互融合，为智能农机和农机智能化的研发、推广、普及、产业升级等提供了技术基础和机遇。长期以来，党中央和各级政府制定了许多推进智慧农业、智能农机的政策，这些政策都有利于农业机械的智能化、自动化及农业信息化发展。

(2)智能终端目前发展良莠不齐，部分产品稳定性差，挫伤了农民使用的积极性。此外，高端产品成本较高，不利于在已有农机产品实施智能化推广。所幸的是，智能终端逐步进入农机补贴范围，必将有利于全国范围内的智能终端推广。

(3)目前智能终端的生产、研制和应用呈现百花齐放、百家争鸣的态势。智能终端的接口和功能不尽相同。为了提升农业机械的智能化水平，从整体上实现农业数字化和现代化，管理部门应该制定相应的智能终端国家或行业标准，对于推广型或者进入国家平台的终端，应确保接口、功能及界面的标准化，提高互换性，实现不同企业的农业机械、不同企业的农机具、不同配套厂商的终端设备的互联互通，促进智能终端企业的有序竞争，利于产业升级，促进行业技术水平的不断提高。