基于物联网的农业机械远程监控系统设计与实现

摘要：随着农业现代化进程加快，农业机械的智能化、信息化成为发展趋势。基于物联网技术的农业机械远程监控系统，可实现对农机作业状态、位置信息、故障情况等的实时感知与管理，提升农机作业效率和管理水平。本文从系统总体设计、硬件选型与部署、软件功能实现等方面，阐述该系统的设计与实现过程，为农业机械远程监控提供技术参考。

关键词：物联网；农业机械；远程监控系统；设计与实现

一、引言

当前，我国农业机械化水平不断提高，但农机分布分散、作业环境复杂，传统的人工管理模式难以满足高效监管需求。物联网技术通过传感器、网络通信、数据处理等技术的融合，可实现对农业机械的远程动态监控。基于物联网的农业机械远程监控系统，能实时采集农机运行参数、作业数据和位置信息，为农机调度、故障诊断、作业质量评估等提供数据支持，对降低管理成本、提高农业生产效率具有重要意义。

二、系统总体设计

2.1 设计目标

- 实时采集农业机械的运行状态（如发动机转速、水温、油耗等）、作业参数（如作业速度、作业面积等）和位置信息。

- 实现对农机的远程定位、轨迹追踪，支持历史轨迹查询。

- 具备故障预警与诊断功能，当农机出现异常时及时报警并推送故障信息- 提供数据统计与分析功能，生成作业报表，为农机管理决策提供依据。

- 支持多终端访问，方便管理人员通过电脑、手机等设备查看监控数据。

2.2 系统架构

采用三层架构设计，分别为感知层、网络层和应用层。

- 感知层：负责采集农机的各类数据，主要包括传感器模块（如温度传感器、转速传感器、油耗传感器等）和定位模块（北斗 /GPS 双模定位）。传感器安装在农机的关键部件上，实时获取运行参数；定位模块用于获取农机的地理位置信息。

- 网络层：实现数据的传输功能，将感知层采集的数据传输至应用层。采用无线通信技术，包括 4G/5G、NB-IoT 等，可根据农机作业区域的网络覆盖情况选择合适的通信方式，确保数据传输的稳定性和实时性。

- 应用层：对传输过来的数据进行处理、分析和展示，是系统与用户交互的接口。主要包括数据存储服务器、应用服务器和客户端（Web 端、移动端）。数据存储服务器用于存储采集到的历史数据；应用服务器负责数据的处理与分析，如故障诊断、作业统计等；客户端用于展示监控数据，供用户查看和操作。

三、系统硬件设计

3.1 感知层硬件

- 传感器：根据监控需求选择合适的传感器。温度传感器（如 DS18B20）用于监测发动机水温；转速传感器（如霍尔传感器）用于采集发动机转速；油耗传感器（如超声波油耗传感器）用于测量燃油消耗；姿态传感器（如MPU6050）用于检测农机的倾斜角度，预防侧翻。

- 定位模块：采用北斗/GPS 双模定位模块（如 NEO-M8N），定位精度可达1 米以内，能实时获取农机的经纬度、速度、航向等信息，确保在复杂地形下的定位准确性。

- 数据采集终端：将传感器和定位模块采集的数据进行汇总、处理和封装，采用 STM32系列单片机作为核心控制器，具备低功耗、高性能的特点，可适应农机的恶劣作业环境。

3.2 网络层硬件

- 通信模块：选用支持 4G/5G 和 NB-IoT 的通信模块（如 EC20），该模块体积小、功耗低，可嵌入数据采集终端，实现与远程服务器的无线通信。当农机处于网络信号较弱区域时，NB-IoT 技术的低功耗广覆盖特性可保证数据的稳定传输。

四、系统软件设计

4.1 数据采集与传输软件

- 数据采集程序：运行在数据采集终端的 STM32 单片机上，通过接口读取传感器和定位模块的数据，进行格式转换和校验后，按照设定的时间间隔（如 10 秒 / 次）将数据打包，等待传输。

- 数据传输程序：负责将打包后的数据通过通信模块发送至远程服务器，采用TCP/IP 协议进行数据传输，确保数据的完整性和可靠性。若传输失败，程序会自动进行重传，直至数据发送成功。

4.2 服务器端软件

- 数据接收与存储：服务器端采用 Java 语言开发，基于 Spring Boot 框架构建，通过Socket 通信接收终端发送的数据，解析后存储到 MySQL 数据库中。数据库设计包括农机信息表、运行状态表、作业数据表、故障信息表等，便于数据的管理和查询。

- 数据处理与分析：利用 Python 数据分析库（如 Pandas、NumPy）对存储的数据进行处理，实现作业面积统计（根据定位轨迹计算）、油耗分析（对比不同作业阶段的油耗差异）、故障诊断（设定参数阈值，当采集数据超过阈值时判定为故障）等功能。

4.3 客户端软件

- Web 端：采用 HTML5、CSS3 和 JavaScript 开发，基于 Vue 框架构建，提供农机列表、实时监控、历史轨迹、故障报警、数据报表等功能模块。管理人员可通过浏览器登录系统，查看所有农机的运行状态和作业数据。

- 移动端：开发 Android 和 iOS 版本的 APP，功能与 Web 端类似，支持农机定位追踪、故障信息推送、作业提醒等功能，方便管理人员随时随地进行监控。

五、系统实现与测试

5.1 系统实现

按照上述硬件和软件设计方案，完成系统的搭建。硬件部分将传感器、定位模块、数据采集终端和通信模块集成安装在一台拖拉机上进行测试；服务器端部署在云服务器上，确保稳定运行；客户端通过域名访问服务器。

5.2 系统测试

- 数据采集测试：测试传感器对发动机转速、水温、油耗等参数的采集准确性，结果显示误差在 ±2% 以内，满足监控需求；定位模块在开阔区域的定位误差小于 1 米，在山区等复杂环境下误差小于5 米，符合设计要求。

- 数据传输测试：在 4G 网络环境下，数据传输延迟小于 1 秒；在 NB-IoT 网络环境下，延迟小于10 秒，且数据传输成功率达 99% 以上，稳定性良好。

- 功能测试：对客户端的实时监控、轨迹查询、故障报警等功能进行测试，均能正常运行。当发动机水温超过设定阈值（如 95°C ）时，系统会立即发出报警信息，并在 Web 端和移动端同步显示，响应及时。

六、结论

基于物联网的农业机械远程监控系统通过感知层、网络层和应用层的协同工作，实现了对农业机械的实时监控、定位追踪、故障预警和数据统计分析。系统测试结果表明，该系统数据采集准确、传输稳定、功能完善，能有效提升农业机械的管理效率和作业安全性。未来可进一步优化传感器布局和通信方式，拓展系统功能，如结合人工智能技术实现农机作业质量的智能评估，为农业现代化提供更有力的技术支持。

参考文献

[1] 张建国 ， 李娜 . 基于物联网的农业机械远程监控系统设计 [J]. 农业工程学报 ， 2021，37（3）： 162-168.

[2] 王强 ， 赵伟 . 物联网技术在农业机械监控中的应用研究 [J]. 农机化研究 ， 2022， 44（5）：251-255.

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