農(nóng)機條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計和實現(xiàn)

趙建國

（濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，山東 濰坊 261000）

條播作業(yè)，顧名思義就是作物播種的一種方式，即以長條的形狀一條條地播種，主要針對小麥、棉花等作物或者一些用作飼料的牧草等。播種方式經(jīng)歷了從手動撒播到借助人力或者畜力拉動耬車播種，再到現(xiàn)代拖拉機帶動標準化機械耬播種，目前發(fā)展到現(xiàn)代智能化條播、精播設(shè)備播種。每次技術(shù)的革新都提高了作業(yè)效率，解放了人力[1]。本文論述的條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可以高質(zhì)量地完成播種作業(yè)，把作業(yè)畝數(shù)、每畝種子用量、株距和行距、作業(yè)速度等信息統(tǒng)計出來并上傳國家平臺，以便于國家統(tǒng)計糧食種植面積和補貼的申請。這極大地提高了播種作業(yè)質(zhì)量和效率，有利于土地集約化管理。

1 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計和功能

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由6 大功能組成：1）播種量實時值監(jiān)測與統(tǒng)計量監(jiān)測（畝播量）的監(jiān)測功能；2）監(jiān)測漏播、堵塞情況并報警的報警功能；3）帶位置的定位功能；4）實時顯示作業(yè)信息的顯示及人機交互功能；5）終端出現(xiàn)故障時，能夠以聲、光、文字等方式向農(nóng)機駕駛員提示的報警功能；6）記錄作業(yè)數(shù)據(jù)、作業(yè)面積、作業(yè)軌跡、作業(yè)時長、播種量等數(shù)據(jù)，并將作業(yè)數(shù)據(jù)上傳平臺，由平臺繪制播量云圖，輔助分析作業(yè)質(zhì)量的云平臺功能。

農(nóng)機條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)包括作業(yè)面監(jiān)控終端、TBOX 控制器和農(nóng)機服務(wù)平臺。作業(yè)面監(jiān)控終端由監(jiān)控顯示屏、速度傳感器、種子傳感器、播種控制器組成[2]。

播種控制器是條播機的控制核心，接收來自速度傳感器和種子傳感器的信號，經(jīng)過邏輯計算精確控制種子播撒量。作業(yè)監(jiān)控顯示屏安裝于拖拉機駕駛室內(nèi)，方便駕駛?cè)穗S時觀察實時的作業(yè)狀態(tài)，讓駕駛?cè)丝梢愿鶕?jù)情況實時調(diào)整作業(yè)參數(shù)或者根據(jù)提示排除作業(yè)中的故障問題。TBOX控制器是連接服務(wù)平臺和作業(yè)面監(jiān)控終端的橋梁，TBOX 接收來自作業(yè)面監(jiān)控終端的信號，將其打包成一定格式通過4G 信號發(fā)送給遠程服務(wù)平臺[3]，遠程服務(wù)平臺可以接收來自TBOX的數(shù)據(jù)，根據(jù)提前擬定的數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)包。遠程服務(wù)平臺根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，可以記錄條播機的作業(yè)畝數(shù)、作業(yè)速度、種子消耗量、坐標位置、行駛軌跡等信息，能夠提供數(shù)據(jù)存儲、處理、查詢和打印功能，通過平臺分析可以優(yōu)化后續(xù)的作業(yè)方案，提高作業(yè)效率和質(zhì)量。條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 條播機實時監(jiān)控功能

1.2.1 條播作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺

條播機數(shù)據(jù)平臺是由企業(yè)或者國家搭建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，其目的主要是實時接收、處理和保存農(nóng)機的運行數(shù)據(jù)，包括拖拉機發(fā)動機和車身數(shù)據(jù)、農(nóng)機具作業(yè)數(shù)據(jù)、地理位置、TBOX 終端狀態(tài)等信息。

一般國家平臺主要為了統(tǒng)計農(nóng)業(yè)機械作業(yè)每年的收獲情況，根據(jù)實際作業(yè)量進行國家補貼，便于國家掌握準確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。企業(yè)平臺主要是為了服務(wù)用戶，為用戶提供可靠、人性化的服務(wù)體驗，提供實時上傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、處理及保存功能，在作業(yè)過程中通過車載監(jiān)控屏幕實時顯示數(shù)據(jù)，在作業(yè)完成后自動或根據(jù)需要生成任務(wù)報表，呈現(xiàn)整個作業(yè)過程信息，為用戶后續(xù)其他地塊作業(yè)的改進優(yōu)化提供依據(jù)，也可以為本地塊下次作業(yè)提供參考[4]。用戶可以使用手機端App 進行實時數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查閱，對作業(yè)中出現(xiàn)的問題可以及時通過手機端App 的人機交互界面進行干預(yù)，可以遠程控制作業(yè)狀態(tài)，提高了工作效率和靈活性。

圖1 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 條播作業(yè)定位、路徑生成及回放、計畝

條播作業(yè)過程中由TBOX 終端提供精準定位服務(wù)，TBOX 通過自身的定位模塊，根據(jù)作業(yè)狀態(tài)將定位坐標數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺。農(nóng)機具使用過程中有作業(yè)狀態(tài)和道路轉(zhuǎn)移狀態(tài)兩種，這兩種狀態(tài)下要求的定位點位數(shù)是不同的，作業(yè)狀態(tài)下要求精確點位，一般是每秒鐘采集1 個坐標點位信息；轉(zhuǎn)移狀態(tài)下由于沒有必要非常精確定位，通常10 s~20 s 采集一個點位信息[5]。每個定位點位與一個時刻的作業(yè)信息對應(yīng)，這樣在作業(yè)完成后，作業(yè)狀態(tài)分布信息就可以生成出來，比如播種量分布云圖。

條播控制器根據(jù)TBOX 終端提供的定位點位信息生成作業(yè)路徑軌跡或者行駛路徑軌跡，軌跡可以顯示在監(jiān)控屏幕上，便于用戶查看農(nóng)機運行軌跡，為優(yōu)化作業(yè)路徑提供了直觀依據(jù)。通過生成的路徑軌跡，結(jié)合計畝算法就可以比較準確地計算出作業(yè)地塊的畝數(shù)[6]。同時還提供軌跡回放功能，可以回看作業(yè)路徑軌跡，以此來分析作業(yè)過程，為后續(xù)優(yōu)化作業(yè)軌跡提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.3 條播作業(yè)人機交互和報警提示功能

監(jiān)控屏幕也是人機交互的一個界面，通過監(jiān)控屏幕可以設(shè)置條播機的作業(yè)參數(shù)，比如地輪直徑、播種幅寬、傳動比、測速齒數(shù)等[7]。人機交互還可以通過監(jiān)控云平臺下發(fā)指令對條播控制器進行控制和作業(yè)參數(shù)修改。這兩種人機交互手段提高了作業(yè)運行中的操作靈活性，為提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

監(jiān)控顯示屏界面能夠提示作業(yè)過程運行狀態(tài)是否正常，如衛(wèi)星信號狀態(tài)、4G 信號狀態(tài)、條播控制器通信狀態(tài)以及條播機每行作業(yè)的工作狀態(tài)。條播機每行作業(yè)狀態(tài)主要包括：各行播種是否正常，有無堵種、缺種等問題。如果出現(xiàn)異常問題，監(jiān)控界面會在對應(yīng)的區(qū)域顯示紅色故障報警提示。

2 條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)田間試驗分析

田間試驗主要是為了驗證設(shè)計的功能性及可靠穩(wěn)定性，試驗使用濰柴雷沃M2004 型拖拉機和自研條播機。其田間作業(yè)場景如圖2 所示。

圖2 條播機作業(yè)圖

2.1 云平臺功能測試

條播監(jiān)控云平臺上記錄著所有條播作業(yè)機械的數(shù)據(jù)，可以調(diào)取任何一臺條播機查看其實時和過去作業(yè)的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息以時間軸順序記錄，包括作業(yè)中整機狀態(tài)信息、定位信息、條播狀態(tài)信息等[8]。條播狀態(tài)信息包括作業(yè)地塊信息（需要提前設(shè)置）、作業(yè)面積、播種總量、畝播種量、作業(yè)幅寬、作業(yè)時長、車隊信息、機具型號、機手信息等。通過云平臺，以實景地圖的形式展現(xiàn)作業(yè)區(qū)域和作業(yè)軌跡，方便用戶查看車輛實時作業(yè)位置和運行軌跡。云平臺功能為大農(nóng)場集約化農(nóng)業(yè)作業(yè)管理帶來了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，為農(nóng)場管理人員提供了集管理、控制為一體的智能解決方案。云平臺界面如圖3所示。

2.2 人機交互、實時監(jiān)測和報警功能測試

條播機在作業(yè)過程中能夠通過監(jiān)控屏幕與現(xiàn)場農(nóng)機操作人員進行交互，監(jiān)控屏幕能夠顯示當(dāng)前條播機的作業(yè)狀態(tài)，并且能夠修改作業(yè)機具的參數(shù)配置[9]，顯示如當(dāng)前播種總量、畝播種量、每行播種狀態(tài)是否正常等情況。參數(shù)可以配置條播幅寬、測速齒數(shù)、傳動比等。條播控制器監(jiān)控屏幕顯示狀態(tài)如圖4所示，條播控制器參數(shù)設(shè)置界面如圖5 所示。

圖3 條播作業(yè)云平臺界面

圖4 條播控制器監(jiān)控屏幕

圖5 條播控制器參數(shù)設(shè)置

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計輸出

在作業(yè)完成后，監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)需要，輸出相關(guān)的作業(yè)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計表，如表1 所示。這是對整體作業(yè)情況的展示，便于對比不同地塊作業(yè)質(zhì)量，分析影響作業(yè)質(zhì)量的因素[10]。為了對比不同地塊中某個作業(yè)要素的變化規(guī)律，可以以地塊信息和需要觀察的作業(yè)要素為坐標軸生成二維折線圖，如圖6 所示，這樣可以直觀地查看作業(yè)要素的走勢和規(guī)律。

表1 條播機作業(yè)數(shù)據(jù)輸出統(tǒng)計表

圖6 不同地塊畝播種量走勢圖

3 結(jié)語

本農(nóng)機條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在山東區(qū)域幾個大農(nóng)場進行上萬畝農(nóng)田的作業(yè)測試試驗。充分驗證了條播機和條播作業(yè)監(jiān)控平臺的功能，作業(yè)面積、播種總量、單位播種量的精確度都達到了設(shè)計要求，友好的人機交互界面獲得了用戶的認可。作業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和分析功能、路徑生成和軌跡回放功能為后續(xù)更高效率、更高質(zhì)量的作業(yè)提供了有力的數(shù)據(jù)支持[11]。隨著本農(nóng)機條播作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的不斷推廣與應(yīng)用，其功能還將不斷優(yōu)化更新，以滿足不同用戶和不同應(yīng)用場景的使用需求。