基于北斗的农机精准服务系统设计

摘要：我国地域辽阔，农业种植面积广，农业问题是民生之本。传统农业采用统一的农艺措施，如耕种、播种、施肥和喷施等，实施耕地管理，这导致农业生产成本高、农作物产量和经济效益低、环境污染严重等问题。随着北斗卫星技术的发展，中国农业正在向精细化、智能化、集约化转变。在新型精细农业系统中，利用北斗导航系统代替GPS，建立基于北斗的农机精准服务模型，为科学使用农机、降低生产成本、提高劳动效率、提升农器具生产管理水平、减少农业活动污染提供技术支撑。

关键词：北斗卫星定位导航系统，精准农业；RTK；人工智能；智能分析；

1.前言

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行，与世界其他卫星兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。全面发展和推广自主知识产权的卫星导航定位产品，已成为一种国家战略。2016年，农业部等八部委制定《“互联网+”现代农业三年行动实施方案》，明确提出要加大国产导航技术和智能农机装备的应用。2017年，在农业部发布的《全国农业机械化发展第十三个五年规划》中提出实施“互联网+”农业机械化，促进信息化与农机装备、作业生产、管理服务深度融合。将北斗卫星导航系统应用于精准农业生产和管理中是大势所趋，在新型精细农业系统中，利用北斗导航系统搭建基于北斗导航的精细农业系统模型，可以实现数据采集和信息回传两项功能，不仅简化系统复杂度、降低建设成本，而且具备安全性和自主可控性[1]。

2.现状分析

2.1北斗卫星发展应用现状

2019年4月20日我国成功发射第44颗北斗导航卫星，拉开北斗高密度组网的序幕，2020年3月9日我国成功发射北斗三号第29颗导航卫星（北斗系统的第54颗卫星），距离北斗三号系统建成仅一步之遥。

（1）初步形成北斗定位导航产业链：国产北斗基础产品在工艺和性能方面进一步向国外先进技术水平看齐。截至2018 年，国产北斗兼容型芯片及模块销量已突破7000 万片，性能价格比肩国际水平，国产高精度板卡和天线销量也分别占国内市场的30％和90％[2]，初步形成了北斗定位导航产业链。

（2）北斗知识产权的发展：近年，卫星导航领域技术创新非常活跃，相关企业加快了北斗产业链中关键节点的技术专利布局，截至 2018 年底，中国卫星导航专利申请累计总量 （包括发明专利和实用新型专利）已突破 6 万件，保持全球第一位[2]。

（3）“北斗+”产业发展模式应运而生：北斗三号系统完成全球组网需要30颗卫星，现已完成29颗已入网工作的北斗三号卫星星间链路测试工作。北斗“融技术、融网络、融终端、融数据”将全面发展，正形成一个个“北斗＋”创新和“+ 北斗”[2]应用的新生产业发展模式。

2.2北斗卫星在农机行业应用现状

我国北斗卫星定位导航系统在农业领域的应用越来越广泛，农机装上北斗是农业机械化和农机装备产业转型升级的突破口，将对农机化工作产生重要影响，将改变农业生产方式，推动农业生产高质量发展[3]。

（1）不断探索北斗在精细农业中的应用：目前国内多家公司和科研院校正在进行北斗导航系统与精细农业深度结合的研究，已经在农机制造和农村信息化等方面具有较成熟经验。陕西农业局利用精细农业进行农作物事宜气候区精细化区划[4-7]，上海交通大学利用3S技术进行农田墒情远程控制[5-7]，中国农业大学进行智能化精细平地系统研究等[6-7]。

（2）北斗在农机化领域应用：目前全国已安装了5万多套卫星导航终端设备，每年实现了对 1亿多亩深松作业面积和质量的在线监测。国内农机企业将北斗技术和农机设备结合，研制了我国第一台无人拖拉机。湖北省建立了“平台终端”应用系统和技术体系，开发了全国首例基于北斗的农机驾驶员培训和考试管理系统[3]。

3.系统总体架构

系统采用分层式架构，总体架构图如下图所示。

（1）感知层：解决系统数据获取问题，主要包含卫星遥感、北斗基、智慧农机、现场监测站、智能终端等。

（2）传输层：传输层实现北斗基站数据、北斗终端数据、精准服务农机数据的接入、处理、管理以及共享、分发等，提供共用数据接入、数据管理、数据处理、数据共享分发和时空可视化等能力。

（3）数据层：是整个系统的数据管理与输入、输出交换中心。数据层依托成熟的数据库管理软件和大数据平台，按照统一的标准，实现数据的集中存储与管理，为应用系统提供数据支撑。

（4）支撑层：支撑层主要集成精准农业应用技术，主要包括离线计算、机器学习、微服务架构、大数据技术、人工智能AI、融合通信等算法模型和技术。

（5）应用层：应用层为整个项目运行的核心层，主要包括农机精准作业、农机态势监控、农机作业信息统计核算、农机服务租赁、农机补助信息管理等应用系统。

4.系统组成

系统通过基于北斗定位技术的农机自动驾驶仪、远程智能终端，实时监测农机位置信息、运转状态信息、油耗信息，对现有农机实现信息化远程监管，可对农机实现服务租赁、精准作业、作业信息核算、补助信息管理、态势监控等。系统技术流程如图2所示。

4.1农机服务租赁

越来越多的种植户选择农机服务租赁模式完成耕作，通过农机服务租赁平台，农机手和种植户可以发布、接收租赁信息并通过虚拟号码联系。

农机服务租赁模式为种植户和农机手提供一个交易平台，双方可以通过虚拟号码联系。种植户发布服务需求订单，农机手可以选择接受或不接受订单，接受后按约定时间提供服务。种植户可以匿名评价农机手的服务。

4.2农机精准作业

农机精准作业模块包括远程智能终端和北斗农机自动驾驶仪终端。在北斗地基增强系统下农机自动驾驶仪的作业精度可达±2.5cm，可以为农机信息管理、精准播种、变量施肥、精准收获等作业提供高精度保障。

（一）北斗农机远程智能终端

北斗农机远程智能终端由微处理器、定位模块、CAN总线数据获取及数据存储模块、电源模块以及无线通信模块等组成，主要功能包括：

单点定位：提供单点定位和RTK高精度定位功能，能够获得米级或厘米级的定位信息；

远程数据监测及获取：可以远程监测并获取农机行进速度、发动机转速、温度、油耗等运行状态数据；

信息上传：能够将定位信息和农机的状态信息（包括ID信息）通过无线通信网络上传至服务器，为农机调度管理提供位置信息；

远程配置：能够接收并保存农机精准服务系统发送的配置信息，配置信息包括终端ID号、用户信息。

（二）北斗农机自动驾驶仪

北斗农机自动驾驶仪终端由定位天线、数传电台接收天线、定位模块、无线数传接收模块、农机导航控制模块、液晶显示模块、CAN总线通信模块、农机运动控制机构控制模块、串口通信模块、USB模块、移动通信模块等组成。主要包含以下功能：

基准站RTK差分信息接收及定位解算：通过地面移动通信网络接收相应基准站的差分数据，结合自身北斗观测数据进行高精度位置信息解算，得到厘米级的高精度位置信息。

最优耕作路径规划下载：通过地面无线移动通信网络从农机精准作业服务系统下载最优耕作路径规划数据文件，同时支持从USB接口读取外部存储设备中的最优耕作路径规划数据文件，指导农机在指定地块进行自动驾驶作业。

本地路径规划：驾驶员使用显示终端上的触摸屏在电子地图中设定农机的直线运动或曲线运动模式，支持曲线运动模式下的路径设定和路径微调。

农机自动驾驶控制：根据农机作业的规划路径，结合高精度位置数据和农机运行状态数据，利用CAN总线给导航马达、智能液压阀门发送控制指令，控制农机方向盘、油门、刹车等装置实现自动驾驶。

农机位置信息上报：通过无线通信网络将农机所在的位置信息上报至农机精准作业服务系统。

农机调度信息显示：能够接收并显示农机调度信息，实现农机智能调度。

4.3农机作业信息核算

农机作业信息核算模块包括农机作业信息核算和信息展示功能。农机作业信息核算模块分析作业信息，核算作业面积、工时和效率，制定合理的作业路径。信息展示功能绘制地块信息，展示核算结果，为业务操作人员提供决策支持。

4.4农机补助信息管理

农机补助信息管理模块包括补助信息发布和补助信息档案管理功能。补助信息发布功能，从农业管理部门门户网站获取农机补助相关新闻信息，通过平台向用户发布。补助信息档案管理模块实现农机补贴相关信息如社会化组织信息、农机基础信息、补贴申请信息、补贴发放信息等基础信息的维护管理，建成补助信息库。

4.5农机态势监控与分析

农机态势监控模块包括农机态势监控和态势分析功能。农机态势监控功能采用GIS地理信息技术、北斗导航定位技术、互联网技术等多种信息技术手段，基于北斗农机远程智能终端实时上传的数据，对平台内所有的农机车辆，进行实时的位置监控及作业状态监控，记录农机车辆运行状态数据。态势分析功能采用指数比较法、横纵项比较法等态势分析方法，分析农机态势监控数据，产出态势分析图表，农机业主及相关管理人员可以通过本平台随时对车辆的历史运行情况进行了解及分析。

5.结束语

本设计以农机精准作业为切入点，以北斗导航在农机行业应用现状为基础，围绕精准农业的实际需求，集成北斗定位技术，建立基于北斗的农机精准服务系统，为多维度农业应用提供“耕、种、管、收”一体化服务，推进拥有自主权的北斗系统在农业上的应用，促进农业精准化发展，加快实现农业机械化转型升级，让农业成为有奔头的产业，让农民成为有吸引力的职业，让农村成为安居乐业的美丽家园的梦想将加快实现[3]。

参考文献：

[1]孟凡文，王友权，杨东凯，等.基于北斗导航系统的农机作业系统开发[J].电子世界，2017（7）：5-6.

[2]毛凌野.北斗应用迈向“标配化”发展新阶段——《2019中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》发布[J].卫星应用.2019（06）：55-60

[3]任耀武.北斗赋能农业机械化转型升级[J].农机科技推广，2019（5），7-8

[4]郭兆夏，梁轶，王景红，郭新，柏秦凤.GIS技术支持下的陕西核桃精细化气候适宜性区划[J].干旱地区农业研究，2015，33（1）：194-198

[5]李楠，刘成良，李彦明，张佳宝，朱安宁.基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发[J].农业工程学报，1999，26（4）：169-174

[6]李笑，李宏鹏，牛东岭，王岩，刘刚.基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验[J].农业工程学报，2015，31（3）：48-55

[7]蒋天小，赵金峰，郭瑞宇，等.北斗导航系统在精细农业系统中的应用[J].研究与探讨，2016（02）：322-351

作者简介：王晓明（1985年3月- ），男，陕西榆林，中级工程师，本科，主要从事遥感、GIS应用及系统设计开发工作。