張 勇，趙德安

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

國外較早開始對(duì)插秧機(jī)的研究[1]，如日本農(nóng)業(yè)總研究中心利用RTK-GPS技術(shù)研制了無人駕駛插秧機(jī)[2]，定位精度可達(dá)到2cm，定位信息和傾角信息通過串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)插秧機(jī)傾角信息進(jìn)行修正后產(chǎn)生控制參數(shù)下發(fā)給插秧機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)插秧機(jī)的操作控制。國內(nèi)研究起步較晚，但也取得了一定成就。張方明等[3]研發(fā)了無人駕駛插秧機(jī)，利用GPS導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)直線跟蹤與轉(zhuǎn)彎功能，且插秧機(jī)不受光線干擾，白天晚上均可高效工作。

針對(duì)目前對(duì)插秧機(jī)的研究方式大多在固定場所使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，且工作站成本高、不易便攜以及監(jiān)控功能簡單等問題，本文提出使用Android移動(dòng)開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人插秧機(jī)監(jiān)控。安卓手機(jī)因具有靈活的人機(jī)交互、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接模式和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能而使用普遍[4]。在無人插秧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中充分利用手機(jī)資源可降低系統(tǒng)成本(如不再需要LCD顯示模塊系統(tǒng))，為用戶提供方便的觸屏操作和實(shí)用多樣的數(shù)據(jù)顯示模式，還可自由設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)，收集當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)視圖，因此降低了產(chǎn)品成本和功耗，提高了系統(tǒng)可操作性、可擴(kuò)展性，完善了系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了滿足功能需求、降低開發(fā)成本，設(shè)計(jì)基于Android平臺(tái)的無人插秧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由車載信息采集系統(tǒng)、Android智能手機(jī)和中央控制服務(wù)器等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成

當(dāng)插秧機(jī)工作時(shí)，可以對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行采集、處理和分析，并顯示出來，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和與用戶交互的功能，大大提高便利性。最終，用戶通過該系統(tǒng)的Android客戶端就能在可視化界面上觀察無人插秧機(jī)工況信息，并且可對(duì)某一工況參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢，憑此實(shí)時(shí)判斷插秧機(jī)運(yùn)行狀況是否一直處于正常狀態(tài)。

2 Android客戶端功能需求

Android客戶端能夠?qū)崟r(shí)顯示插秧機(jī)工作數(shù)據(jù)，當(dāng)其連接到服務(wù)器后，服務(wù)器再將插秧機(jī)上傳的作業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Android客戶端，當(dāng)客戶端獲得服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)時(shí)，能夠不斷刷新、緩存且在監(jiān)控客戶端更新數(shù)據(jù)，還能將數(shù)據(jù)以曲線圖形式實(shí)時(shí)、直觀地展示，使用戶可以更加方便地對(duì)插秧機(jī)工作狀況進(jìn)行觀察。同時(shí)可以對(duì)插秧機(jī)在地圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，搜索插秧機(jī)位置以及顯示插秧機(jī)位置坐標(biāo)，并進(jìn)行地圖放大、漫游等操作，還可將秧苗栽植質(zhì)量的標(biāo)注信息在地圖上以不同顏色和數(shù)字直接顯示出來，對(duì)插秧機(jī)已上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便查詢。用戶可通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，觀察插秧機(jī)工作狀態(tài)變化，以便分析插秧機(jī)可能出現(xiàn)的故障并給出相應(yīng)解決方案，也可根據(jù)時(shí)間間隔在地圖上顯示歷史數(shù)據(jù)，以便觀察插秧機(jī)工作軌跡。系統(tǒng)在插秧機(jī)出現(xiàn)故障或作業(yè)發(fā)生越界時(shí)，會(huì)觸動(dòng)報(bào)警裝置，Android客戶端同時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)故障報(bào)警提示，使用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并停止插秧機(jī)工作。當(dāng)插秧機(jī)進(jìn)行簡單的人工干預(yù)作業(yè)時(shí)，用戶也可通過Android客戶端對(duì)插秧機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

3 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合以上對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的Android客戶端功能需求分析，將Android監(jiān)控客戶端分為數(shù)據(jù)管理模塊、GIS功能實(shí)現(xiàn)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊3部分。 Android監(jiān)控客戶端功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Android監(jiān)控客戶端功能結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

將Android客戶端監(jiān)控的信息中心部分劃分為數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)、登錄、信息管理以及實(shí)時(shí)工況信息顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。為防止非法人員登陸軟件對(duì)遠(yuǎn)程作業(yè)的無人插秧機(jī)進(jìn)行監(jiān)控操作，設(shè)計(jì)APP登錄注冊(cè)。無人插秧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要分別進(jìn)行工況信息實(shí)時(shí)顯示、各項(xiàng)數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的各個(gè)參數(shù)理想?yún)^(qū)間值對(duì)比，以便發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控的參數(shù)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，判斷當(dāng)前插秧機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)。歷史作業(yè)數(shù)據(jù)查詢功能指對(duì)用戶下發(fā)的命令和插秧機(jī)各類工況數(shù)據(jù)以及警報(bào)記錄等進(jìn)行查詢。用戶信息管理功能指為了時(shí)刻保持用戶信息管理的安全可靠，需要對(duì)用戶信息進(jìn)行安全設(shè)置，以防非法人員訪問監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)各項(xiàng)基本信息設(shè)置需要經(jīng)系統(tǒng)設(shè)置模塊完成，比如被監(jiān)控的插秧機(jī)編號(hào)、數(shù)量、各項(xiàng)功能執(zhí)行數(shù)據(jù)和用戶幫助信息等，為插秧機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

3.2 GIS功能實(shí)現(xiàn)模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)無人插秧機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和作業(yè)區(qū)域周邊環(huán)境的監(jiān)控，利用GPS定位信息[5]與GIS地圖數(shù)據(jù)[6-7]相互匹配，在Android移動(dòng)客戶端不僅可以實(shí)時(shí)顯示插秧機(jī)的坐標(biāo)位置信息，還可提供眾多應(yīng)用程序函數(shù)接口，以便用戶端開發(fā)地圖瀏覽設(shè)置，如縮放、漫游操作和支持多點(diǎn)觸控以及地圖屬性的設(shè)置，如固定比例尺、地圖疊加。地圖顯示控制指在插秧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)客戶端可視化地圖的操作中，Android客戶端能對(duì)衛(wèi)星地圖實(shí)現(xiàn)圖層控制、自由縮放、漫游和加載顯示等基本功能，以便用戶掌握插秧機(jī)位置的詳細(xì)信息。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

監(jiān)控客戶端通過Socket套接字[8]和服務(wù)器建立數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)庫訪問和命令下發(fā)，通過和管理員建立通信，可在機(jī)載終端出現(xiàn)秧庫缺秧、機(jī)械故障等情況時(shí)以短信的方式向管理員發(fā)送報(bào)警信息，提醒管理員進(jìn)行及時(shí)處理。插秧機(jī)通過獲取監(jiān)控服務(wù)器中儲(chǔ)存的插秧機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。監(jiān)控客戶端對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問，指Android客戶端的用戶訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)，客戶端向服務(wù)器發(fā)送訪問請(qǐng)求命令，只有在服務(wù)器授予權(quán)限后客戶端才能進(jìn)行相應(yīng)操作，為監(jiān)控客戶端獲取數(shù)據(jù)提供了安全保障。機(jī)載PC機(jī)遠(yuǎn)程控制指對(duì)機(jī)載PC機(jī)的遠(yuǎn)距離控制可提高用戶對(duì)插秧機(jī)遠(yuǎn)程工作的干預(yù)能力，其操作需要借助4G通信網(wǎng)絡(luò)[9]及機(jī)載PC機(jī)監(jiān)控軟件的協(xié)助。插秧機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有報(bào)警功能，能在插秧機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。當(dāng)監(jiān)控客戶端實(shí)時(shí)顯示的工況數(shù)據(jù)出現(xiàn)了與設(shè)定閾值有較大偏差或其它異常，如通過地圖檢測到插秧機(jī)在作業(yè)區(qū)域中出現(xiàn)了較多漂秧和漏秧時(shí)，監(jiān)控端報(bào)警并發(fā)送信息提醒用戶進(jìn)行處理。

4 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)完成機(jī)載PC機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集即對(duì)無人插秧機(jī)工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測和對(duì)秧苗圖像及定位信息及時(shí)獲取，需要借助機(jī)載PC機(jī)和GPS定位接收器模塊、工業(yè)攝像機(jī)和4G通信模塊及傳感器檢測模塊完成。處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后依照自定義的通信協(xié)議形式封裝處理過的信息，再將封裝好的數(shù)據(jù)信息借助4G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。從Android監(jiān)控客戶端發(fā)送的點(diǎn)火、熄火、轉(zhuǎn)向等操控指令由機(jī)載終端PC機(jī)接收，然后終端依據(jù)已設(shè)定的程序模塊執(zhí)行相應(yīng)操作。

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器，因?yàn)榉?wù)器能夠接收并解析機(jī)載PC機(jī)終端各類數(shù)據(jù)，并對(duì)經(jīng)過解析后得出的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將其存儲(chǔ)到與之相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，同時(shí)傳送至Android監(jiān)控客戶端[10-11]?？蛻舳瞬捎脭?shù)據(jù)和曲線的方式，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示由中心服務(wù)器傳來的實(shí)時(shí)工況信息，將插秧機(jī)位置信息和秧苗栽植狀況標(biāo)注信息顯示到地圖相應(yīng)位置，完成對(duì)無人插秧機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[12-13]。當(dāng)用戶向機(jī)載PC機(jī)終端下發(fā)控制命令時(shí)，中心服務(wù)器首先接收Android客戶端發(fā)送的操作請(qǐng)求，此時(shí)服務(wù)器授予權(quán)限，然后客戶端下發(fā)的指令被寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)命令標(biāo)志位在系統(tǒng)中發(fā)生更改。同樣地，命令標(biāo)志位在客戶端中被實(shí)時(shí)檢測查詢，當(dāng)其發(fā)生更改時(shí)，服務(wù)器依照通信協(xié)議封裝即將下達(dá)的指令，最終傳送至機(jī)載PC機(jī)終端。

5 Android客戶端監(jiān)控軟件調(diào)試

人機(jī)界面使用戶可以便捷地查看插秧機(jī)現(xiàn)場工作情況并對(duì)其進(jìn)行控制，用戶進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)需身份驗(yàn)證，只有合法的用戶才能進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)人機(jī)界面操作[14-15]。在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下，可展示監(jiān)控軟件實(shí)驗(yàn)功能效果圖，圖3為監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的主界面，圖4為插秧機(jī)歷史軌跡回放查詢。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖4 插秧機(jī)軌跡回放

6 結(jié)語

本文以插秧機(jī)為對(duì)象，研究了無人插秧機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[16]，Android客戶端監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互[17-18]，選用4G網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大提高了傳輸效率，基本滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。該監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)插秧機(jī)工況參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以對(duì)插秧機(jī)可能發(fā)生的狀況作出預(yù)測和處理，保障插秧機(jī)高效、長時(shí)間地工作，減輕了管理者工作負(fù)擔(dān)。手持式設(shè)備[19-20]監(jiān)控終端可適用多種場合，具有很好的發(fā)展前景，是未來發(fā)展方向和下一步研究重點(diǎn)。