智能农机控制系统的方案设计与验证平台开发

陈 圣

（长江大学文理学院，湖北 荆州 434020）

我国国土面积宽广，人口众多，是一个农业大国。但是我国人均可用耕地面积并不多，这意味着我国农业发展面对着人多地少的情况，既要保证农业发展，又要充分利用现有资源，成为我国农业相关从业人员的主要任务。

随着现代科技的发展，我国农业耕作正在由机械化向智能化发展。2021年中央一号文件已经提到了智能农业的概念，通过利用现代的各种新兴信息技术，包括传感器、无线通信、数据分析等相关技术，从而实现农业机械的信息智能化，提高作业效率。人们将农业设备作为辅助农业操作的工具，用来提高农业生产效率，这是当代农业实现现代化的必由之路。农业机械的智能化是智慧农业的重要组成部分，也是智慧农业发展的基础。笔者查阅资料发现，农业机械智能化的典型产物主要包括无人机和智能农机，前者主要用于精准操作农药喷洒，后者主要在传统农业机械的基础上安装智能定位、计算机等智能系统，实现机械的自动化[1-2]。

由于传统农业机械的局限性比较大，可操作性也较小，同时技术发展已经较为完善，因此，智能农机领域的发展受到了相关研究人员的广泛关注。

1 发展现状

如图1所示，2018年10月，在武汉举办的全国农业机械展览会上，有关机构展出了国内第一台全自动驾驶拖拉机的样板机：超级拖拉机一号。其来自河南省省级智能农机创新研究中心，该机构是河南省首个制造业创新中心，有着许多国内都先进的创新资源和技术。

图1 超级拖拉机

就该智能农机的智能性而言，它采用了先进的无驾驶室设计，核心技术由无人驾驶、智能控制、动力锂电池以及智能网联系统等几大部分构成。该设备的设计和使用，为中国智能农机创新向世界先进水平迈进提供了重要动力。

我国国内的智能农业装备目前重点在监控终端进行研究发展，这一点与国外不同的是，国内的农机一般装备配套的终端工具。如司南公司农机智能终端用于卫星导航自动驾驶，是集智能交互界面、智能数据分析显示、自动模式调整等功能于一体的综合性农机智能系统。中海达公司的农机智能系统使用的是一体化设计，内置北斗卫星导航定位系统，采用其Smart Heading等多项专利技术，实现对农机驾驶数据的显示和农机驾驶的操控。除此之外，国内还有很多研究智能监控终端的公司，如长沙硕博电子、贵州永青电子、北京博创联动、上海宏英科技等公司，几个公司都正在经历由机械装置向农业智能系统设计的转变。

在农机使用智能决策方面，国内外也有不少研究进展，农业作业智能决策是指根据农作过程中的传感器数据，结合数据库信息进行分析，得出控制决策。美国蒙大拿州立大学的PEERLINCK等使用机器算法，通过分析冬小麦的施肥配方对产量进行预测，进而实现了对小麦施肥配方的辅助决策；芬兰于韦斯屈莱大学的KAIVOSOJA等，使用遥感信息估计土壤的氮含量，将此数据用来对变量施肥的配方进行决策，实现精准施肥[3-4]。

2 控制系统需求分析

现代农业发展现状对智能农机的控制系统不断提出全新的要求，尤其针对信息化、自动化等目标，拓展到精准农业等进阶目标，笔者从智能农机的应用功能角度出发，分析控制系统的需求，将现有需求与农机控制系统现有的技术水平相结合，对智能农机配备的控制系统提出了多种要求。

2.1 智能定位、导航

农业机械智能化与自动化设计几乎是同时进行的，智能化实现的第一步骤就是实现农业机械自动移动。利用计算机程序进行农机移动的控制，属于自动驾驶的领域。要实现以上功能，首先要实现对农机所处位置的实时准确获取，即获取农机的空间信息。在获取了位置信息之后，才能进行算法的设计，通过现成的路径算法和智能导航实现农机的准确移动。目前较为常用的定位方式是卫星定位。

除了卫星定位的应用以外，还有些农机使用的是惯性器件，实现惯性导航。所谓惯性器件，就是用于获取系统的航向以及速度等精确的数字信息的设备，并通过特定算法的辅助，实现惯性导航。

2.2 信息采集

农业作业环境是相当复杂的，若要实现智能化，需要通过计算机视觉来感知机器周围存在的情况，形成数字信息。该功能不仅可以保证机器在驾驶过程中的安全性（即识别行驶过程中存在的障碍物），还可以识别不同的特殊农业作业（如棉花采摘，定量定点的农药喷洒）。具有该功能的系统通过外接上机械视觉装置，获取周围的实时图像数据等。

精准农业对农机智能化提出的要求，是需要智能农机能实时准确地采集周围农业环境的信息。因此，农机需要配备多种精准的传感器。与此同时，基于针对农作具体情况的不同，农机要连接不同的农业应用设备，例如农具识别检测、深耕深松检测等。

因此，智能农机的应用，既可以在系统上安装集成传感器，也可以在装置上预留外接口，连接传感器或别的农业设备[5-6]。

2.3 人机交互

智能化除了包括自动化以外，还包括人机交互的设计。智能机械在进行显示的时候，通过显示屏等设备，直观地向操作人员展示农机的状态和运作情况等。在一些特定情况下可能会进行人工干预，如切换手动驾驶等。

最简单的人机交互设计就是对控制系统进行显示屏外接，并运用车载计算机在显示屏上显示图像或数据，展示机器主体的运行情况。

2.4 数据通信

当代互联网如此发达，互联网以及大数据的应用也融入了智能农机的设计之中，可以通过互联网的接入，帮助农机终端实现数据回传，将传感器的数据和系统处理的累计数据传输到后台终端，通过手机或是主计算机，对农机的数据进行远程实时的收集[7]。除此之外，还可以在数据通信技术到位的情况下，实现对智能农机的远程遥控。

对于稍微复杂的农机集群等的操作，一般采用的是统一操控或是一机带多个同时驾驶的方式。该方式对技术及操作的要求是近距离地利用多点连接的通信方式，或是使用Wi-Fi、蓝牙等新兴技术，来解决多机作业中的数据通信问题。

综上所述，如果面对的是小范围的农机作业，操作人员可以不跟随农机移动，利用数据通信技术，进行远程操控，完成对农机的简单操作控制。

2.5 功能需求

综合以上提出的4个主要方面，要求设计的智能农机的控制系统，满足以下功能需求：1）具有一定基础的本地计算能力；2）采用GPS以及BDS的定位模式相组合；3）给机器内部加上速度计、电子罗盘以及气压计等作为内置的感应装置，目的是实时准确地获取机器运行的状态和信息；4）设备包括内置传感器，还包括距离＋光传感的外置传感器，获取机器运行环境等；5）支持设备拓展，配备CAN口、USB口等，为了方便进行视频、显示设备以及农业应用相关设备等，用于土壤检测、农业用具种类识别，外接机器视觉设备以及车载传感器等；6）设计带有Wi-Fi以及蓝牙等不同的通信方式；7）利用新技术设计的无线通信芯片，辅助远程操控功能完成；8）安装智能监控，实时监控机车内部电源灯动力能否正常使用。

3 方案设计

根据上一节列举的系统功能设计，笔者将进行设计方案的阐述，图2主要从硬件方面展示系统内部的功能及其逻辑链接。

图2 智能农机系统内部硬件运行图

图2所列出的控制系统内部板块，每个板块各司其职，受到不同元件的主导。

1）处理器。主要的处理器芯片是整个系统的核心，主处理器的职能是作为总控，管控所有的功能板块，能够实现传感器传回数据的实时计算。

2）定位部分。本研究在做功能需求分析的时候提到使用了GPS以及BDS两种定位技术，使用的定位芯片必须要支持PTK算法。在进行操作的时候，需要通过串口将该部分和主处理器相连接起来，使主处理器能够实时获取定位装置提供的位置信息。

3）内部传感器。功能需求中，传感器分为两部分：内部及外部。内部主要采用陀螺仪、速度仪等，目的是获取系统在运行时候的状态信息。气压传感器通常单独安装，通过对气压的感知和数据计算，能够获取到完整的海拔信息，并通过串口传输到主处理器上。

4）外部传感器。主要包括的是光传感器以及距离传感器等。所谓外部传感器，一般不装在系统电路之中，而通过I/O接口接入系统，本研究提到的方案，将所有外部传感器集成在一块电路板上，通过接口和电路板来进行数据传输。

5）图像显示。一般来说，智能控制系统的图像显示会选择以太网或基于USB两种显示方式。前者是主处理器选择用以太网传输图像信息，由其他有图像接口的处理器来进行数据接收，并通过专门的接口传输到显示器完成图像显示。后者是利用USB将图像信息进行传递，传给控制图像显示的控制芯片。由专门的接口进行与显示器的连接，并完成图像显示。

6）4G通信。如图2所示，智能控制系统的设计通过4G来实现LTE通信，通过USB接口和主处理器连接进行通信，再通过专门的接口连接SIM卡。

7）Wi-Fi/蓝牙。在进行系统功能需求设计的时候，提到系统需要Wi-Fi以及蓝牙通信的支持。笔者调查发现，当下存在Wi-Fi与蓝牙的集成组合板块，常见的组合模块接口有USB及SDIO。一般来说，USB方面的技术相对成熟很多，从技术设计实施的角度来看，USB板块不需要添加新的接口。

8）远程遥控模式。智能控制系统的设计要寻找适合应用模式的无线通信芯片来辅助完成远程的通信控制。笔者建议选择支持低成本多功能的，可进行点对点通信的芯片，DX-V101，该芯片通常可以应用在防火安全中，进行无线遥控或无线报警器的设计。

4 结语

本研究针对的智能农机控制系统，主要的具体工作包括控制系统功能需求，根据功能需求进行硬件方案的设计，其中含各个功能板块的功能及应用。

智能农机控制系统将在未来逐步完成现有系统的软件硬件设备的整合以及拓展。在未来的研究中，应当对现有设备不断进行改造，使智能农业系统平台达到现代农业与人们要求。根据现有的技术，实现综合管理、智能控制等基本功能，从而满足农业操作需求，降低运营成本，提高生产效率和产量，同时又要保证设计出的智能系统具有可靠、易用、拓展以及方便管理等特性。