基于CAN总线的智能谷物测产数据采集系统综述

基于CAN总线的智能谷物测产数据采集系统摘要：为实时获取农作物产量信息以及GPS，土壤水分，湿度等信息，建立小区谷物产量分布图，实现精细农业变量作业的基础。本课题研究开发了一种基于CAN总线的智能谷物测产数据采集系统，使用CAN总线采集数据并对数据进行解读、记录、显示和处理。由于CAN总线的可靠性、稳定性以及高抗干扰能力，适合于田间作业。关键字：精细农业；CAN总线；GPS；测产系统由于世界人口的急剧增长、农产品需求量逐日增加、农业资源的有限性以及传统农业的高耗能的管理方式导致农业生产效益低下、环境不断恶化，破坏了农业的可持续发展。各个国家都在积极寻找着解决问题的方式，现今世界农业发展方式的总趋势是合理利用资源和积极推广科学技术。随着全球定位系统、卫星遥感技术、地理信息技术、通信网络技术、计算机技术和信息技术的发展，作为现代农业的核心技术精细农业应运而生。现代农业的不断发展，精细农业技术已经呈现出巨大的优越性。而我国是农业大国，人多地少，要用占世界7%的耕地解决世界22%人口的温饱问题，粮食和主要农产品的供给问题一直是我国的头等大事，积极发展现代化农业，依靠科技突破资源环境的约束，谋求单产的提高和农产品质量的优化，是实现我国农业可持续发展和解决三农问题的一个重要途径。而精细农业已成为合理利用农业资源、提高农业作物产量、降低生产成本、改善生态环境的一种重要的现代农业生产形势。【1.2.3.4.5】1精细农业“精细农业”是国际上已趋于共识的学术名词“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming”的中文翻译，简称PA或PF。1997年，美国国家研究委员会（NationalResarchCouncil）曾组织美国科学院、美国工程院和美国医学科学院等专家进行评估，对“PrecisionAgriculture”定义如下：“PrecisionAgriculture是一种管理策略，它利用信息技术从多种来源获得的数据，为作物生产管理提供科学的决策支持。”精细农业是一种基于信息和知识支持的现代农业，是基于变异的一种农田管理手段。传统农业的管理是针对某一片土地的统一管理，而忽略了大多数土地都存在的空间差异和实践差异。【15】农田里田间土壤、作物的特性都不是均一的，是随着时间、空间变化的，因此需要精细农业应用现代信息技术提供、处理和分析多方面高时空分辨率的数据信息来指定管理决策和实施作物生产管理，所以通过精细农业就可以按照土壤的不同特性、作物的不同需求，定点定量准确地实施灌溉、施肥、播种和病虫草害防治，这样既能提高水、肥料、种子、农药的利用率从而降低成本，又能提高作物的产量从而提高收入，同时减少过量农药造成的环境污染，过少农药造成作物品种质量下降，获得最佳的经济效益和生态效益。【1,5,6】精细农业是指综合应用地球空间信息技术、计算机辅助决策技术、农业工程技术等现代高新科技来获得农田“高产、高效、高质、高级和低害”的现代化农业生产模式和技术体系，最大限度最高速的提高农业现实生产力。精细农业技术体系包括了信息获取与数据采集、数据分析与可视化表达、作业决策分析和精细农田作业的控制实施等主要部分。在理解了土壤和作物特征差异的基础上对产量预测和分析，从而实施基于土壤和作物特征差异的农田管理。【3,7】精细农业自80年代末兴起至今已经取得了长足的发展。精细农业技术主要由计算机软硬件技术、信息技术、农业技术和相关工业技术推动的，而近年来以上技术迅猛发展，从而精细农业的发展和应用的空间将极其巨大的，已成为21世纪最富有吸引力的前沿性研究领域之一。尤其成为世界发达国家高新技术集成应用于农业可持续发展研究的热门领域。今年来，已有上千篇关于精细农业的专题学术报告和研究成果见诸于重要的国际学术会议或专业刊物。不仅美、英、加、澳、日本等发达国家对精细农业技术的研究开发和实践非常重视，巴西、马来西亚、中国等发展中国家也已启动了精细农业技术与装备的研究开发和试验示范等工作。【5】精细农业是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农业事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。我国是一个贫水国家，又是水资源浪费严重的国家，农田灌溉水的有效利用率只有45%，而先进国家达50%~70%。根据田间土壤水分情况实施精准灌溉，最大程度地提高田间水分利用率是我国农业资源利用率的重要方向。我国化肥的利用率也相当低，仅有30%~40%，氮肥损失率高达70%~80%，浪费十分严重，还造成环境问题，实施精细农业，根据田间土壤养分的变异，精准施肥，将会大大节省肥料的用量，减低投入。【8】2全球卫星定位系统（GPS）GPS是实施精细农业的基础和关键技术之一。在未使用GPS之前，农机的田间定位比较困难。如今GPS的不断完善为实践农田作物生产的定位精细管理提供了基本条件。GPS定位系统由GPS卫星（空间部分）、地面监控系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分）三个部分组成。用户部分即GPS接收机，主要作用是接收、跟踪、变化和测量GPS信号。【3】GPS系统可以每秒给出收获机田间作业时所在地理位置的经、纬度坐标动态数据。有利于对田间土壤定点分析。GPS的民用化和GPS产业技术的迅速发展及其技术向农业领域的渗透都给农业精确定位管理提供了可能性。【5】GPS用户系统外观结构简单，小型化，操作方便，但技术含量高。GPS是一种高精度、全天候、全球性的无线电导航、定位、定时系统。【18】至2003年4月7日，美国GPS系统在轨工作卫星已高达29颗，其轨道参数和时钟，由设于世界各大洲的五个地面监测站和设于其本土的一个地面控制住进行监测和控制。使得在近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号，通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间，即可计算出接收机所在的地理空间位置。【16】3现场总线——CAN总线现场总线技术广泛应用在现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的技术，从而容易构成为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。与传统的分散型控制系统相比，具有全数字化、分布式控制、双向传输、开放性好等优点。【9】CAN（ControllersAreaNetwork）是控制局域网的简称，是ISO国际标准化的串行通信协议，是国际上应用最广泛的现场总线标准之一，已被公认为是最有前途的几种现场总线之一，它有效支持分布式控制或实时控制的多主串行通信网络，CAN总线最初是用于汽车领域，但现在由于其性能优越、性价比高、实现简单、可靠性强等优点得到了各界的重视，现已经被广泛应用于工业控制、医疗设备、海洋环境、测产以及传感器等领域。【10,11】CAN总线的成本低，可以降低设备的价格，而且它的总线利用率极高，传输速率可以高达1Mbit/s，传输距离长达10KM。CAN协议以对通信数据块进行编码代替了传统的站地址编码，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息，当需要扩展系统时，可以直接在CAN中增加节点，而不用对用户自定义的应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，这使CAN总线有很高的灵活性。并且这种按数据块编码的方式，可以使不同的节点同时接收到相同的数据，这点在分布式控制系统中非常有用。CAN总线的短帧结构不会占用总线时间过长，受干扰率降低，从而保证了通信的实时性。CAN总线协议采用CRC检验并提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，当发送的信息遭到破坏后，可自动重发，当节点在错误严重的情况下，具有自动退出总线的功能，因此适合在高干扰环境（如农田）下使用。CAN总线采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传数据时，优先级低的节点主动停止数据发送有效避免了总线冲突，节省了总线的仲裁时间。CAN总线对报文的滤波可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式收发数据，也可根据报文标示符决定接收或屏蔽该报文。CAN总线的这些特点满足了谷物智能测产系统的随时接收节点信息的功能要求。[12,13,14】CAN总线信号采用差分电压输出，信号线分别称为“CAN_H”和“CAN_L”，无信号时“CAN_H”=“CAN_L”=2.5V，此时表示逻辑“1”，即为隐性状态；有信号时，“CAN_H”=3.5V，“CAN_L”=1.5V，此时表示逻辑“0”，即为隐性状态。【13】在测产系统田间作业时需要采集田地中每一个采样点的经度、纬度、产量、水分、湿度等信息，同时要保证收割机的持续作业，为保证这些现场采集数据的可靠性和数据的实时显示，并定时向上位机发送数据来保证上位机的数据的实时显示，本系统采用了CAN总线来实现对节点信息的采集、接收和发送。4iCAN协议现场总线一般只实现了物理层、数据链路层和应用层。CAN现场总线仅仅定义了物理层及数据链路层，应用层为用户自定义。基于CAN-bus的分布式控制系统中，有些附加功能需要一个高层协议来实现，因此需要一个基于CAN总线的应用层协议，目前常用的两个应用层协议是：DeviceNet协议和CANOpen协议，但这两个协议规范比较复杂，理解和开发的难度比较大，不太适合于不太复杂的基于CAN总线的控制网络，因此iCAN协议应运而生。【14】iCAN协议全称“IndustryCAN-busApplicatI/OnProtocol”，即工业CAN-bus应用层协议，它为工业现场设备与管理设备之间的连接提供了一种低成本的通讯解决方案。【14】iCAN协议规范主要描述的内容：1、iCAN报文格式定义：规定了iCAN协议规范中使用的CAN帧类型、以及帧ID、报文数据的使用等；2、报文传输协议：规定了基于iCAN协议的设备之间的通讯方式；3、设备的定义：设备标识、设备应用单元、设备通讯以及应用参数以及定义标准设备类型，区分网络上设备具有的不同功能或者产品类型；4、网络管理：规定了设备通讯监控以及错误管理。【14】iCAN协议规范使用的是29位标示符的CAN-bus扩展帧，在该协议中不支持11位标示符的标准帧。但是在iCAN网络中，标准帧数据格式的报文传输并不会引起通讯错误。iCAN网络为主从式的网络，主控设备监控并管理网络上的其他设备，各从设备之间并不能够直接通讯。在iCAN网络通讯过程中采用命令/响应的方式，这保证了数据报文传输的确定性。命令/响应通讯是一种主从方式的通讯，通信的发起方为主控设备（主站），通讯的响应方为受设备（从站）。为弥补基于命令/响应模式的主从通讯只能由主控设备发起而导致总线利用率较低这个缺陷，iCAN协议规范中定义了事件触发传送，即允许从站主动发送数据，从站可根据时间状态发送或者I/O的状态触发传送；主控设备根据需要可以选择接受处理受控设备发送的报文。【14】5信息采集田间信息采集是精细农业的一个极为重要环节，特别是产量及其相关信息的获取尤为重要，它能够指导农民合理投入生成资料以节省资金、提高效益。快速、有效采集和处理农田空间分布信息，是实践精细农业的重要基础。【17】在精细农业实践中，在收获机械上安装产量监测系统，获取作物产量分布信息，建立产量分布图，定量认识田间小区产量及土壤特性等因素分布的时空差异性，研究差异之间的关系，找出造成差异的主要原因，因地制宜，提出根据空间差异性的分布特性进行定位管理，从而达到节本增效的目的。获取农作小区物产量信息，建立小区产量分布图，是实施精细农业的起点，也是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础。【18】基于CAN总线的智能谷物测产数据采集系统，通过CAN总线、GPS以及GPRS获取作物产量的实时信息，并实现对作物的产量信息以及土壤特性等环境要素的数字化、网格化和智能化监控。产量在线实时测量和产量图生成技术是实现作物生成过程中科学调控和制定管理决