基于GPRS的变量施肥机系统研究
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耿向宇, 李彦明, 苗玉彬, 等. 基于 G PR S 的变量施肥机系统研究[ J] . 农业工程学报, 2007, 23( 11) : 164- 167. Geng Xiangy u, Li Y anming , M iao Yubin, et al. Development of v ariable rat e fer tilizer a pplicator ba sed on GP RS [ J ] . T r ansa ct ions of t he CSA E, 2007, 23( 11) : 164- 167. ( in Chinese w ith Eng lish abstr act )
0 引 言
变量施肥技术, 是精准农业的重要组成部分, 在国 外已获得了显著的经济和社会效益。变量施肥技术涉及 农田信息获取、信息管理与处理、决策分析和田间实施 四大主要环节, 其中以田间实施发展最快[ 1] 。
变量施肥机在发达国家研究较为深入, 其相关技术 已日臻完善和商品化。在实时控制施肥技术方面, 如美 国俄克拉荷马州立大学所研制的基于氮素光学传感器 的变量施肥机, 其根据实时监测的作物光谱信息分析来 调节控制施肥量[ 2] 。而美国T rimble 公司应用处方信息 控制施肥技术开发了AgGPS170 田间计算机, 通过给定 的田间作业处方图指挥变量作业控制器进行变量作业。 此外较为成熟的产品还有CASE 公司的 Flex i Co il 变量 施肥播种机, 约翰迪尔( JOHN Deer) 公司的JD-1820型 气力式变量施肥播种机[ 3] 。
XT 55 模块操作两大部分。XT 55 操作分为连接操作和 GPRS 服务操作, 程序以一定的流程编辑 AT 命令, 实 现数据的无线传输。软件流程图如图 3 所示。
在初始化过程中, 进行端口模式配置、控制引脚清 零、RS232 串口和定时器的配置, 以及使能开门狗等操 作。然后控制 IGT 和 EMERGOF F 引脚启动 XT 55 的 GSM / GP RS 功能, 依次 执行 AT ^ SICS、AT ^ SISS、 AT ^ SISO 命令连接远程服务器。当有GPRS 服务请求 时, 单片机向XT 55 发送AT ^ SISR/ SISW 命令, 实现数 据无线传输。
作业时, 获取田间的实时 GP S 位置信息, 利用最小距离 反比法, 确定作业位置的网格编号, 读取其施肥量参数, 若未查询到, 则采用默认施肥量, 然后生成相应的施肥 控制命令, 通过串口传至下位机控制器, 从而实现远程 变量施肥。 2. 3 机群监控
机群监控是通过多台智能施肥机和监控软件系统 实现的。该监控系统可以完成与施肥机的远程通讯、数 据采集处理、状态监测、田间作业跟踪、作业调度统计, 以及信息可视化等多种功能, 是远程服务器的重要组成 部分。系统软件结构如图 4 所示。
摘 要: 研制了一种基于 GP RS 的变 量施肥机系统。介绍了系统的组成结构和工作原理, 探讨了远 程通讯控制器的软硬件 设计, 并在此基础上, 研究了远程处方下载的工作过程 , 引入机群 监控的概念, 阐述了监控端软件 的实现。田间试验结 果表 明, 研制的变量施肥机能够满足精准农业意义上的变量施肥作业要求。 关键词: 变量施肥机; G PRS; 精准农业; 远程通 讯控制器 中图分类号: T P271. 4; S224. 22 文献标识码: A 文章编号: 1002-6819( 2007) 11-0164-04
作业编号 机器编号 请求 标志 作物编号 经度 纬度
其中作业编号用来区分施肥、播种等其它作业; 请 求( Request ) 标志位为“R”, 区别与状态( Stat us) 标志位 “S”。当服务器接收到此请求命令后, 解析数据帧中的 GPS 信息来获取施肥机所在位置对应的地块号, 通过 作业编号以及作物编号调用相应的处方数据库, 向请求
电源模块实现从输入电源 7～12 V 到控制器各芯 片工作电源的转化和稳压作用; M AX232 是工控机和 控制器的串口电平转化芯片; 双四选一模拟电子开关
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农业工程学报
2007 年
4052 实现单片机串口与工控机、GPS 信号和 GPRS 信 号三者串口间的调度切换。
2. 1. 2 控制器软件实现 控制 器程序主 要实现与 工控机 的串口 通讯 和对
大豆精密播种施肥机[ 6] ; 河北农业大学在使用光学传感 器测定计算 NDVI 指标并以其为依据进行施肥决策和 控制方面进行了初步尝试[ 2] 。
然而, 由于中国农田土地规模狭小, 或大块农田为 防护林所分割[ 7] , 不同地块需采用不同的处方作业图, 给自动变量作业带来许多不便。此外, 如何将变量施肥 整个作业流程有机地整合在一起, 逐步采用标准的软硬 件接口, 建立统一的农业信息和资源共享机制, 是有待 于进一步研究的问题。因此本文在介绍变量施肥机系统 组成结构的基础上, 分析了远程处方下载和机群监控的 工作原理, 在施肥作业的有机结合、统一管理和资源共 享方面进行了尝试, 并通过田间作业对整个系统进行了 试验验证。
1. 2 工作过程 一方面远程服务器通过 GIS 决策支持系统生成可
供上位机控制器下载的数据处方。当选择了远程自动作 业模式时, 上位机控制器通过GPRS 在服务器上下载相 应地块的施肥处方。在施肥机作业过程中, 结合实时 GPS 信息和车轮速度, 生成田间相应位置区域的施肥 控制命令, 通过串口发至下位机控制器。下位机控制器 接收到此命令后, 根据槽轮的施肥控制模型, 确定外槽 轮的转速和开度大小, 通过驱动电路控制相应电机工 作, 从而实现远程自动变量施肥。另一方面各施肥机将 本机的识别信息、田间作业位置信息、工作状态信息等 通过GPRS 网络发送至远程服务器中心。服务器可同时 监测多台施肥机的作业情况, 并可以发送不同作业的控 制命令, 实现对施肥机机群的远程监控管理。
图 2 远程通讯控制器结构原理图 Fig . 2 Str uctur e illustr atio n o f
R emote Co mmunicat ion Co ntr o ller ( RCC)
XT 55 模块是西门子开发的结合了 GSM / GPRS 和 GPS 功能的三频模块。采用ARM 7T DMI 控制器具有80 个引脚, 主要分为电源引脚GP S_ V CC 和G SM _ BA T T ; GSM / GPRS 启动引脚 IGT 和 EM ERGOFF ; 串口引脚 G PS_ SD I、GP S_ SDO 、G SM_ T X D 和GSM _ R XD 。内置 T CP/ IP 传输协议, 支持 AT 命令集。
1 变量施肥 机系统组成
变量施肥机系统主要由远程服 务器、上位机控制 器、下位机控制器和执行机构四部分组成, 系统结构框 图如图 1 所示。 1. 1 组成介绍
远程服务器融合了GIS 决策支持系统、处方管理系 统、机群监控系统和 Web 信息发布系统, 完成田间处方 的生成、管理、远程下载; 多台作业施肥机的监测与控 制, 以及作业信息的实时发布等功能。
端是以 HPC650 工控机为软件开发平台, 以远程通讯控 制器为硬件基础, 实现从服务器的远程处方下载。因此, 系统的关键部分为远程通讯控制器的设计, 该控制器屏 蔽了GPRS 无线传输协议的复杂性, 使用方便灵活。 2. 1 远程通讯控制器设计
研制的远程通讯控制器由硬件结构和软件程序两
部分组成。其核心部件为内置 T CP/ IP 协议的 GP RS/ GSM 模块, 高性能单片机利用AT 命令通过RXD/ T XD 引脚直接对该模块进行相应操作。软件程序在Keil C51 环境下, 利用单片机C 语言编写。
处方数据的施肥机发送数据处方, 处方帧格式为:
作 机 地 作 网格 A 1 的 G PS 信息以及作业量
默
业器块物 编 编 编 编 A 10 A 11 A12 A13
参
…
认 参
号 号 号 号 G PS G PS G PS G PS 数
远程处方下载和机群监控是实现变量施肥机远程
自动作业的基础。采用了客户端/ 服务器的结构模式。服 务器应用程序是在 Visual Basic 6. 0 环境下开发的, 采 用 Winsock 技术实现网络异步通信, 利用 SQL Server 建立施肥处方数据库, 通过 ASP . Net 编写网页, 此外根 据作业数据、状态等信息对施肥机进行实时监控。客户
第23 卷 第11 期 164 2007 年 11 月
农业 工程学报 T ransactio ns o f the CSAE
V o l. 23 No . 11 N o v. 2007
基于 GPRS 的变量施肥机系统研究
耿向宇, 李彦明, 苗玉彬, 刘成良
( 上海交通大学机电控制研究所, 上海 200030)
收稿日期: 2006-07-05 修订日期: 2007-01-10 基金项目: 上海市科技重点攻关项目( 03dz19302) 作者简介: 耿向宇( 1982- ) , 男, 山 西大同人, 硕士研 究生, 主要研究 方 向 为 智能 农 业装 备。上 海 上海 交 通 大 学机 电 控 制 研 究所, 200240。Email: gengxyz@ sj tu . edu. cn
2 远程处方下载和机群监控
2. 1. 1 控制器硬件结构 图2 所示为控制器的结构组成原理图。单片机采用
P hilip 的 P 89L PC932 高性能微控制 器, 操作电压范围 为 2. 4～3. 6 V , 工作频率为 12 MHz, 具有Wat chdog 定 时器和可配置的片内振荡器, 可实现 ISP 和IAP 两种编 程模式。微控制器实现定时查询 XT 55 传来的 GPS 和 GPRS 信号, 进行数据解析, 再通过 MA X232 传至工控 机; 同时接收来自工控机的请求命令和状态信息, 通过 XT 55 向服务器发送。
上位机控制器是人机交互平台, 具有良好的界面, 实现 GPS 信息采集、田间作业方式选择、GPRS 通讯控 制以及信号采集等功能。其核心部分为研华HP C650 小 型工控机, 可以运行 DOS 操作系统, 本应用 程序是在 T ur bo C 3. 0 环境下开发的。
下位机控制器是基于单片机的控制和驱动系统。在 相应的槽轮控制模型基础上, 利用传感器的槽轮开度和
第 11 期
耿向宇等: 基 于 GP RS 的变量施肥机系统研究
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转速信息, 通过控制驱动电路, 实现变量施肥的闭环控 制。执行机构包括施肥机的机械结构、执行电机和辅助
百度文库
构件。直流电机控制外槽轮的转速, 而开度由直线电机 或步进电机控制, 辅助构件包括发电机、蓄电池等。
图 1 变量施肥机系统框图 F ig . 1 Diag ra m of v ariable r ate fert ilizer applicat or sy stem
图 3 远程通讯控制器软件流程图 Fig . 3 Flo wchar t of r emot e co mmunicatio n co nt ro ller
2. 2 远程处方下载 处方下载的工作流程图如图 4 所示。 当变量施肥机进行远程控制方式作业时, 首先上位
机控制器向远程服务器通过 GPRS 方式发送处方下载 请求命令, 请求帧格式为:
中国田间变量实施技术的研究起步相对较晚, 但得 到了较快的发展, 呈现出各自的特点。吉林大学自行研 制了以步进电机为驱动、基于 IC 卡的手动/ 自动变量施 肥机2SF -2、2BFJ-6[ 4] , 其结构相对简单, 成本低, 但驱动 排 肥器数 目较少。国 家农业信 息技术研 究中心 采用 T r im bl e 公司的 Ag GP S170 田间计算机, 以电控液压马 达为驱动, 研制出精准变量悬耕施肥机, 其结构相对复 杂, 成本高, 适合于大型变量施肥[ 5] 。此外, 黑龙江八一 农垦大学采用电控机械无级变速器为执行机构, 研制出
0 引 言
变量施肥技术, 是精准农业的重要组成部分, 在国 外已获得了显著的经济和社会效益。变量施肥技术涉及 农田信息获取、信息管理与处理、决策分析和田间实施 四大主要环节, 其中以田间实施发展最快[ 1] 。
变量施肥机在发达国家研究较为深入, 其相关技术 已日臻完善和商品化。在实时控制施肥技术方面, 如美 国俄克拉荷马州立大学所研制的基于氮素光学传感器 的变量施肥机, 其根据实时监测的作物光谱信息分析来 调节控制施肥量[ 2] 。而美国T rimble 公司应用处方信息 控制施肥技术开发了AgGPS170 田间计算机, 通过给定 的田间作业处方图指挥变量作业控制器进行变量作业。 此外较为成熟的产品还有CASE 公司的 Flex i Co il 变量 施肥播种机, 约翰迪尔( JOHN Deer) 公司的JD-1820型 气力式变量施肥播种机[ 3] 。
XT 55 模块操作两大部分。XT 55 操作分为连接操作和 GPRS 服务操作, 程序以一定的流程编辑 AT 命令, 实 现数据的无线传输。软件流程图如图 3 所示。
在初始化过程中, 进行端口模式配置、控制引脚清 零、RS232 串口和定时器的配置, 以及使能开门狗等操 作。然后控制 IGT 和 EMERGOF F 引脚启动 XT 55 的 GSM / GP RS 功能, 依次 执行 AT ^ SICS、AT ^ SISS、 AT ^ SISO 命令连接远程服务器。当有GPRS 服务请求 时, 单片机向XT 55 发送AT ^ SISR/ SISW 命令, 实现数 据无线传输。
作业时, 获取田间的实时 GP S 位置信息, 利用最小距离 反比法, 确定作业位置的网格编号, 读取其施肥量参数, 若未查询到, 则采用默认施肥量, 然后生成相应的施肥 控制命令, 通过串口传至下位机控制器, 从而实现远程 变量施肥。 2. 3 机群监控
机群监控是通过多台智能施肥机和监控软件系统 实现的。该监控系统可以完成与施肥机的远程通讯、数 据采集处理、状态监测、田间作业跟踪、作业调度统计, 以及信息可视化等多种功能, 是远程服务器的重要组成 部分。系统软件结构如图 4 所示。
摘 要: 研制了一种基于 GP RS 的变 量施肥机系统。介绍了系统的组成结构和工作原理, 探讨了远 程通讯控制器的软硬件 设计, 并在此基础上, 研究了远程处方下载的工作过程 , 引入机群 监控的概念, 阐述了监控端软件 的实现。田间试验结 果表 明, 研制的变量施肥机能够满足精准农业意义上的变量施肥作业要求。 关键词: 变量施肥机; G PRS; 精准农业; 远程通 讯控制器 中图分类号: T P271. 4; S224. 22 文献标识码: A 文章编号: 1002-6819( 2007) 11-0164-04
作业编号 机器编号 请求 标志 作物编号 经度 纬度
其中作业编号用来区分施肥、播种等其它作业; 请 求( Request ) 标志位为“R”, 区别与状态( Stat us) 标志位 “S”。当服务器接收到此请求命令后, 解析数据帧中的 GPS 信息来获取施肥机所在位置对应的地块号, 通过 作业编号以及作物编号调用相应的处方数据库, 向请求
电源模块实现从输入电源 7～12 V 到控制器各芯 片工作电源的转化和稳压作用; M AX232 是工控机和 控制器的串口电平转化芯片; 双四选一模拟电子开关
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农业工程学报
2007 年
4052 实现单片机串口与工控机、GPS 信号和 GPRS 信 号三者串口间的调度切换。
2. 1. 2 控制器软件实现 控制 器程序主 要实现与 工控机 的串口 通讯 和对
大豆精密播种施肥机[ 6] ; 河北农业大学在使用光学传感 器测定计算 NDVI 指标并以其为依据进行施肥决策和 控制方面进行了初步尝试[ 2] 。
然而, 由于中国农田土地规模狭小, 或大块农田为 防护林所分割[ 7] , 不同地块需采用不同的处方作业图, 给自动变量作业带来许多不便。此外, 如何将变量施肥 整个作业流程有机地整合在一起, 逐步采用标准的软硬 件接口, 建立统一的农业信息和资源共享机制, 是有待 于进一步研究的问题。因此本文在介绍变量施肥机系统 组成结构的基础上, 分析了远程处方下载和机群监控的 工作原理, 在施肥作业的有机结合、统一管理和资源共 享方面进行了尝试, 并通过田间作业对整个系统进行了 试验验证。
1. 2 工作过程 一方面远程服务器通过 GIS 决策支持系统生成可
供上位机控制器下载的数据处方。当选择了远程自动作 业模式时, 上位机控制器通过GPRS 在服务器上下载相 应地块的施肥处方。在施肥机作业过程中, 结合实时 GPS 信息和车轮速度, 生成田间相应位置区域的施肥 控制命令, 通过串口发至下位机控制器。下位机控制器 接收到此命令后, 根据槽轮的施肥控制模型, 确定外槽 轮的转速和开度大小, 通过驱动电路控制相应电机工 作, 从而实现远程自动变量施肥。另一方面各施肥机将 本机的识别信息、田间作业位置信息、工作状态信息等 通过GPRS 网络发送至远程服务器中心。服务器可同时 监测多台施肥机的作业情况, 并可以发送不同作业的控 制命令, 实现对施肥机机群的远程监控管理。
图 2 远程通讯控制器结构原理图 Fig . 2 Str uctur e illustr atio n o f
R emote Co mmunicat ion Co ntr o ller ( RCC)
XT 55 模块是西门子开发的结合了 GSM / GPRS 和 GPS 功能的三频模块。采用ARM 7T DMI 控制器具有80 个引脚, 主要分为电源引脚GP S_ V CC 和G SM _ BA T T ; GSM / GPRS 启动引脚 IGT 和 EM ERGOFF ; 串口引脚 G PS_ SD I、GP S_ SDO 、G SM_ T X D 和GSM _ R XD 。内置 T CP/ IP 传输协议, 支持 AT 命令集。
1 变量施肥 机系统组成
变量施肥机系统主要由远程服 务器、上位机控制 器、下位机控制器和执行机构四部分组成, 系统结构框 图如图 1 所示。 1. 1 组成介绍
远程服务器融合了GIS 决策支持系统、处方管理系 统、机群监控系统和 Web 信息发布系统, 完成田间处方 的生成、管理、远程下载; 多台作业施肥机的监测与控 制, 以及作业信息的实时发布等功能。
端是以 HPC650 工控机为软件开发平台, 以远程通讯控 制器为硬件基础, 实现从服务器的远程处方下载。因此, 系统的关键部分为远程通讯控制器的设计, 该控制器屏 蔽了GPRS 无线传输协议的复杂性, 使用方便灵活。 2. 1 远程通讯控制器设计
研制的远程通讯控制器由硬件结构和软件程序两
部分组成。其核心部件为内置 T CP/ IP 协议的 GP RS/ GSM 模块, 高性能单片机利用AT 命令通过RXD/ T XD 引脚直接对该模块进行相应操作。软件程序在Keil C51 环境下, 利用单片机C 语言编写。
处方数据的施肥机发送数据处方, 处方帧格式为:
作 机 地 作 网格 A 1 的 G PS 信息以及作业量
默
业器块物 编 编 编 编 A 10 A 11 A12 A13
参
…
认 参
号 号 号 号 G PS G PS G PS G PS 数
远程处方下载和机群监控是实现变量施肥机远程
自动作业的基础。采用了客户端/ 服务器的结构模式。服 务器应用程序是在 Visual Basic 6. 0 环境下开发的, 采 用 Winsock 技术实现网络异步通信, 利用 SQL Server 建立施肥处方数据库, 通过 ASP . Net 编写网页, 此外根 据作业数据、状态等信息对施肥机进行实时监控。客户
第23 卷 第11 期 164 2007 年 11 月
农业 工程学报 T ransactio ns o f the CSAE
V o l. 23 No . 11 N o v. 2007
基于 GPRS 的变量施肥机系统研究
耿向宇, 李彦明, 苗玉彬, 刘成良
( 上海交通大学机电控制研究所, 上海 200030)
收稿日期: 2006-07-05 修订日期: 2007-01-10 基金项目: 上海市科技重点攻关项目( 03dz19302) 作者简介: 耿向宇( 1982- ) , 男, 山 西大同人, 硕士研 究生, 主要研究 方 向 为 智能 农 业装 备。上 海 上海 交 通 大 学机 电 控 制 研 究所, 200240。Email: gengxyz@ sj tu . edu. cn
2 远程处方下载和机群监控
2. 1. 1 控制器硬件结构 图2 所示为控制器的结构组成原理图。单片机采用
P hilip 的 P 89L PC932 高性能微控制 器, 操作电压范围 为 2. 4～3. 6 V , 工作频率为 12 MHz, 具有Wat chdog 定 时器和可配置的片内振荡器, 可实现 ISP 和IAP 两种编 程模式。微控制器实现定时查询 XT 55 传来的 GPS 和 GPRS 信号, 进行数据解析, 再通过 MA X232 传至工控 机; 同时接收来自工控机的请求命令和状态信息, 通过 XT 55 向服务器发送。
上位机控制器是人机交互平台, 具有良好的界面, 实现 GPS 信息采集、田间作业方式选择、GPRS 通讯控 制以及信号采集等功能。其核心部分为研华HP C650 小 型工控机, 可以运行 DOS 操作系统, 本应用 程序是在 T ur bo C 3. 0 环境下开发的。
下位机控制器是基于单片机的控制和驱动系统。在 相应的槽轮控制模型基础上, 利用传感器的槽轮开度和
第 11 期
耿向宇等: 基 于 GP RS 的变量施肥机系统研究
16 5
转速信息, 通过控制驱动电路, 实现变量施肥的闭环控 制。执行机构包括施肥机的机械结构、执行电机和辅助
百度文库
构件。直流电机控制外槽轮的转速, 而开度由直线电机 或步进电机控制, 辅助构件包括发电机、蓄电池等。
图 1 变量施肥机系统框图 F ig . 1 Diag ra m of v ariable r ate fert ilizer applicat or sy stem
图 3 远程通讯控制器软件流程图 Fig . 3 Flo wchar t of r emot e co mmunicatio n co nt ro ller
2. 2 远程处方下载 处方下载的工作流程图如图 4 所示。 当变量施肥机进行远程控制方式作业时, 首先上位
机控制器向远程服务器通过 GPRS 方式发送处方下载 请求命令, 请求帧格式为:
中国田间变量实施技术的研究起步相对较晚, 但得 到了较快的发展, 呈现出各自的特点。吉林大学自行研 制了以步进电机为驱动、基于 IC 卡的手动/ 自动变量施 肥机2SF -2、2BFJ-6[ 4] , 其结构相对简单, 成本低, 但驱动 排 肥器数 目较少。国 家农业信 息技术研 究中心 采用 T r im bl e 公司的 Ag GP S170 田间计算机, 以电控液压马 达为驱动, 研制出精准变量悬耕施肥机, 其结构相对复 杂, 成本高, 适合于大型变量施肥[ 5] 。此外, 黑龙江八一 农垦大学采用电控机械无级变速器为执行机构, 研制出