农机移动监控与导航技术.doc

农机移动监控与导航技术mobile monitoring and navigation technology for agricultural machineryabstract: with the implementation of land transfer policy, agricultural mechanization and informatization advance continuously, agricultural cooperatives, agricultural trade associations, and other organizational forms emerge and grow gradually. as the strong timeliness and coherence of agricultural production, agricultural machineries need to be allocated, monitored, and scheduled rationally and effectively for wide range agricultural operations. the mobile monitoring and navigation technology system for agricultural machinery was designed and developed based on gnss, webgis, and mobile communications technology. the system includes three levels. the top layer faces to advanced commanders of the agricultural organizations, which can be used to monitor, command, and navigate all the agricultural machineries, as well as doing statistical analysis of the agricultural operations. the middle layer based on tablet pc faces to middle commanders, such as the group leader of the agricultural machineries unit, who should monitor, command, and navigate the unit anytime and anywhere. the bottom layer of the system faces to tractor drivers, which realizes position reporting, autonomous navigation, center navigation, voice calls, message exchange, and other functions through the gnss navigation and communication terminals equipped on the tractors. the system was experimented during the spring ploughing in pinggu and autumn harvest in shunyi. the results show that the three-level-system can improve the efficiency of agricultural management significantly.keywords: agricultural machinery; tablet pc; mobile monitoring; center navigation; webgis【摘要】随着我国土地流转政策的实施，农业机械化和信息化进程的持续推进，农机合作社、农机行业协会等组织形式不断涌现，并逐渐发展壮大。由于农业生产具有较强的时效性和连贯性，对于大范围的农机作业，需要对农机资源进行合理配置、移动监控和有效调度。本文基于gnss、webgis和移动通信等技术，设计并研发了农机移动监控与导航技术体系。体系包括上中下三个层次。高层面向农机组织的高层指挥人员，可对所有农机进行监控、指挥与导航，以及农机作业统计分析。中层面向中层指挥人员，如机组组长，以平板电脑为指挥平台，实现对机组随时随地的监控、指挥与导航。体系的末端是机手和农机，通过gnss导航通信终端，实现位置报告、自主导航、中心导航、语音通话、短信交互等功能。在北京市平谷区某农机协会和顺义区某农机专业合作社的春耕和秋收工作中，对本文提出的三级农机导航体系进行了试验，试验表明，该农机导航体系可显著提高农机管理效率。【关键词】农业机械；平板电脑；移动监控；中心导航；webgis1 引言资助信息：国家“863”计划课题（2012aa101902）;土壤植物机器系统技术国家重点实验室开放课题基金。随着土地流转政策的实施，农村劳动力的加速流失以及农业机械化和信息化进程的持续推进，农田将越来越集中，农机合作社、农机行业协会等组织形式将不断涌现并逐渐发展壮大。农业生产时效性和连贯性强，对于大范围的农机作业，需要对农机资源进行合理配置和有效调度。交通、物流等行业的监控与调度技术已日臻成熟，农机监控与导航技术与之虽然内核一致，但对功能和性能的需求存在较大差异，因此前者不能直接应用于农机监控与调度。地理信息系统（gis）技术、无线通信技术和gnss定位技术的发展为农机监控调度提供了有效的支持。彭波等人采用gps、全球移动通讯系统(gsm)技术以短信息的方式实现对农场农机的合理调度1。王壮等人基于gis、通用分组无线服务技术(gprs)和gps技术研发了农机监控调度系统，实现了农机的实时监控，以辅助农机管理人员科学有效地管理农机，提升作业效率2。史国滨等人通过gprs远程采集数据，建立农业生产数据存储系统，运用webgis技术实现机车实时定位、数据图表统计分析等，为农业灾情及农业生产提供科学预测并指导决策3。上述研究对农机监控调度起到了重要的指导作用，有效服务了管理人员。但是调研发现，在实际作业过程中，直接监控调度农机的是机组组长等中层指挥人员，他们需要辗转在各个作业现场指挥机手，而现有系统并不能满足这些中层指挥人员的需求。为了更好地满足农机组织的需要，本文在对农机组织调查研究的基础上，重新拟定机监控与导航的应用模式，并进行技术实现与试验，以满足农机组织的管理需求。2 系统设计2.1 应用需求分析2.1.1 组织分工figure 1. diagram of agriculture organization management system图 1. 农机组织管理体系示意图在农机组织中，如图 1所示，农机作业中涉及高层指挥人员、中层指挥人员（机组组长）和基层工作人员（机手）等三个层级。高层指挥人员主要宏观管理和决策，中层指挥人员主要在室外移动监控指挥，机手则在田间操作农机进行生产作业。农机组织对农机的调度基本流程为：接到作业订单后，农机组织分配农机组成临时机组，每个机组指定一位组长在作业现场负责作业过程管理，包括农机的监控调度、油料与物资配送、故障检修、作业转移等，直至订单结束。在这种管理与作业模式下，不仅要为高层指挥人员与基层机手提供监控与导航服务，也要求为移动办公的机组组长提供移动监控与指挥的手段，以便机组组长实时掌握农机的位置、作业状态、作业需求等。2.1.2 中心导航在跨区作业中，机手前往陌生地区时容易迷路，尤其是在林网密布的田野里，如何将机手准确引导到目标农田里，是一个值得研究的技术问题。传统导航仪在城市中应用可以很好地实现自主导航，但由于农村地图数据非常不详细，无法满足农机的自主导航应用。这就要求指挥人员可以向车载终端发送目标农田的位置，由导航仪生成最优路径，引导机手前往目的地，实现中心导航。2.2 应用模式设计基于上述分析，综合卫星定位、webgis、卫星遥感和移动通信等技术，如图 2所示，建立“高层指挥人员中层指挥人员基层工作人员”三个层次的农机移动监控与导航技术体系，以满足不同规模机组、合作社对农机监控与调度的需求。该体系包括以下三部分：1）高层指挥人员：通过固定监控终端实现农田与农机信息的管理、农机实时监控、指挥与导航、农机作业统计分析等功能。2）中层指挥人员：通过移动监控终端（如平板电脑）实现农机的移动监控、指挥与导航功能。3）基层工作人员：通过车载定位终端实现位置报告、自主导航、中心导航、语音通话和信息交互等功能。figure 2. mobile monitoring and navigation technology system for agricultural machinery图 2. 农机移动监控与导航技术体系2.3 系统结构设计系统结构如图 3：figure 3. structure of mobile monitoring and navigation system图 3. 移动监控与导航系统结构示意图系统功能如图4所示：figure 4. system function design图 4. 系统功能设计2.3.1 车载定位终端车载定位终端是安装在农机上集成了定位、通信和地图导航等功能的车载gnss导航通信终端，以一定的时间间隔（如10 s）上报位置至中心服务器，具有位置报告、自主导航、中心导航、语音通话、信息交互等功能。中心导航是指通过gprs通信模块接收从指挥中心下发的目标农田的位置，生成导航路径。2.3.2 中心服务器中心服务器分为数据库服务器和通信服务器。数据库服务器主要用于存储和管理农机、农田等的位置和属性数据。通信服务器主要用于信息中转，接收车载终端报告的位置信息和短消息，存入数据库，供监控终端读取，并对监控终端下发的命令进行转发。2.3.3 监控终端监控终端分为固定型监控终端和移动型监控终端。1）固定型监控终端：即pc机，主要面向高层管理人员，实现农机的监控、指挥、导航和农机作业统计分析等。终端主要功能有：实时监控、信息管理、短信交互、中心导航、移动分组、统计分析等。移动分组是指根据订单情况将农机分成临时机组，方便组长进行组内监控指挥；统计分析包括农机的轨迹回放，作业面积、行驶里程的统计。2）移动型监控终端：以平板电脑为平台，主要服务机组组长等中层管理人员，实现移动监控、指挥和导航。其功能是固定型监控终端功能的简化，包括实时监控、信息管理、语音通话、短信交互、中心导航等。3g无线通信实现了个人终端用户在全球范围内的任何时间、任何地点、与任何人、用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。它的广阔的网络覆盖率和快速的数据传输速率也让移动监控成为可能。3 系统实现3.1 硬件配置车载终端选择gd300型导航通信终端。该终端使用wince 6.0操作系统，具备gps定位、gprs通信、gsm通话、sms短信、gps导航、中心导航等功能。移动监控终端选择平板电脑。该终端使用andriod 2.2操作系统，具备gps定位、3g数传、语音通话、互联网浏览等功能。3.2 中心服务器开发数据库服务器主要用于存储和管理农机、农田等的位置和属性数据，包括农田基本信息表、农机基本信息表、农机历史位置表等。数据库选用sql server 2005。通信服务器主要实现位置数据和消息的转发，要求高效率、高性能。操作系统采用windows server 2003，开发语言采用c+。通信服务器与车载终端建立udp连接，实时接收车载终端报告的位置信息；并通过sms短信收发模块，向车载终端发送中心导航指令。3.3 监控模式选择c/s结构的监控终端存在地图数据更新与维护困难、存储空间要求较大、监控软件升级不便等问题。当前，以google earth为代表的webgis已得到广泛的应用4，特别是农村地区地图详实、遥感影像分辨率高。为此，本文采用b/s（浏览器/服务器）模式，基于google earth进行应用开发。在该模式下，程序开发主要集中在服务器端，通过javascript将google maps嵌入到自己的网页中，实现自有数据和地图数据的融合；客户端通过web浏览器与应用系统实现交互，系统的升级只集中在服务器上，方便维护与版本控制。3.4 功能实现基于visual studio 2008平台，采用vb.net、javascript语言，对监控终端设计的功能进行实现。3.4.1 移动监控移动监控数据流图如图 5。figure 5. date flow diagram of mobile monitoring图 5. 移动监控数据流图由于受无线通信方式传输速率的限制，移动监控终端在界面、功能等方面相对固定监控终端有所简化。1） 实时监控车载定位终端定时（10s）将位置上报中心服务器，移动监控终端采用ajax技术4，用定时器以一定的时间间隔获取农机最新位置，局部刷新地图区域，将农机的位置实时显示在地图上，并根据农机的速度推测它的作业状态，以不同颜色的图标显示。管理人员可以实时、直观地了解农机的位置与状态。ajax这种“局部刷新、按需请求数据”的通信方式给用户访问提供了迅速、平滑、友好的交互过程。2） 信息管理针对纸质订单人工管理耗时、耗力、不易查询等问题，设计农田、农机信息管理功能。系统提供农田、农机信息的录入、更新、删除、查找等操作，并以不同的图标颜色表征不同的状态。实现订单的电子化管理，也可以更直观地了解各作业订单的空间关系，配合农机的分配与调度。3） 中心导航中心导航的数据流如图 5的红色虚线部分。 移动指挥人员根据作业任务的需要，在地图上选择确定所辖农机作业的目的地（目标农田），通过地图控件获取该目的地的经纬度坐标，经数据库和通信服务器以及短信收发模块，以sms短信的方式下发到车载导航通信终端中。车载终端获得中心导航指令短信后，进行协议解析，提取目的地经纬度，并驱动最优路径搜索模块，在终端上生成并显示最优路径，进而以语音导航的方式引导机手前往目的地。中心导航消息协议格式如下：header:type:destination:longitude:latitudeheader：消息头。车载终端接收到消息后，解析消息头，判断这不是普通的短消息；type：消息类型，代表导航终点；destination：导航目的地（目标农田）和作业任务描述；longitude：导航目的地的经度；latitude：导航目的地的纬度。4） 短信交互如图 6所示，移动指挥人员以短消息的形式向有关人员手机发送作业指令和任务描述等。数据流如图 5的蓝色虚线部分，其过程与中心导航类似，只是不需要数据的打包和解析。figure 6. message interaction图 6. 短信交互3.4.2 固定监控固定监控终端首页如图 7所示。figure 7. homepage of center monitoring terminal图 7. 固定监控终端首页除移动监控终端所实现功能外，固定监控终端还实现了移动分组、轨迹回放等功能，在此不再赘述。4 结论根据农机组织在农机作业中对移动监控与导航的应用需求，提出了三级农机移动监控与导航体系，开发了农机移动监控与导航系统，重点实现了移动监控终端的农机实时监控、信息管理、短信交互、中心导航、移动分组、统计分析等功能。2011年春耕和秋收期间结合北京市平谷区农业机械产业协会和顺义区北京兴农天力农机服务专业合作社的实际生产作业，进行了农机移动监控与导航试验。试验表明该技术具有很好的实用性，能实时、准确地反映农机作业情况。通过该系统，机组负责人可以快速、准确地定位农机；中心导航功能让不熟悉道路的机手快速准确地找到作业田块；轨迹回放功能让管理人员更直观地了解作业信息。农机监控与导航技术对农业机械化、农机信息化和智能化的发展具有重要意义，能优化农机资源配置，提高作业效率，有着广阔的应用前景。致谢感谢平谷区农业机械产业协会、北京兴农天力农机服务专业合作社提供的示范农机和示范期间的配合。references (参考文献) 1 peng bo, zhang weina, design and implementation of a gps and gsm based farm short message center j, journal of china agricultural university, 2005, 10(2), p70-73(ch). 彭波,张伟娜，基于gps和gsm的农场短信中心的设计与实现j，中国农业大学学报，2005, 10(2)，p70-73.2 wang zhuang, chen liping, liu yongsheng, design and implementation of agricultural machinery monitoring and scheduling system j, computer engineering, 2010, 36(11), p232-234,237(ch).王壮，陈立平，刘永生，农机监控调度系