摘要：为实现农业机械的无人驾驶和数据采集，在高速插秧机的无线遥控监测硬件系统的基础上，利用VisualBasic.NET2008开发环境设计了用于高速插秧机的无线监控系统上位机软件。试验结果表明，通过监控软件能实现以PC机无线遥控高速插秧机行驶，并实时采集插秧机的位置坐标与行驶速度等运行状态数据，同时完成对插秧机的发动机温度、液压箱油量等各种参数的监测。系统稳定性好、可靠性高，可移植性强。
关键词：高速插秧机；无线监控；软件；VisualBasic.NET2008
中图分类号：S223.91+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4887-04
The Software Design of High-speed Rice Transplanter Wireless Monitor System
LUO Ya-hui，JIANG Ping，WU Wei
（College of Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）
Abstract： To achieve the unmanned and data collection on agricultural machinery， a monitoring system software using VisualBasic.NET2008 development environment was designed on the basis of high-speed rice transplanter wireless remote monitoring hardware system. The results showed that the monitoring software could realize wireless remote control of the high-speed rice transplanter by using PC， and could collect the data of transplanter running states such as position coordinates， speed real-timely and etc， and also monitor various parameters of transplanter such as engine temperature， hydraulic box oil quantity and etc.
Key words： high-speed rice transplanter； wireless monitoring； software； visualBasic.NET2008
为确保农业发展的可持续性，从20世纪90年代开始，精细农业逐步发展起来。为更好地推行精准农业，农田作业机械正逐步向自动化与智能化方向发展，在国外如Ag Leader、AGCO、Deere、Case IH等大型的农机公司都开发了智能农业机械，同时配有各自研发的智能精准农业监测系统。而国内对智能农机的研究主要集中在谷物联合收割方面，如采用GPS全球定位系统对水稻联合收割机进行位置和产量等参数的监测，利用GSM、GPRS等方式进行数据的远程传输[1-5]。目前，国内对于高速插秧机工作状态远程监测的研究较少。因此，为实现高速插秧机的无线遥控驾驶及状态参数检测，在基于CAN总线[6，7]的无线监控硬件系统的基础上，设计了基于VisualStudio2008的上位机监控软件。
1 系统总体方案设计
高速插秧机的无线监控系统需完成对高速插秧机的遥控驾驶和参数检测，其结构包括下位机检测单元与上位机控制单元，系统总体结构如图1。
在设计中，插秧机的遥控部分采用433 MHz的无线模块进行数据的传输，主要控制插秧机的点火、熄火、前进、后退、左右转向以及停车等操作。参数检测则主要监测发动机相关参数、液压系统参数以及机组的行走系统参数，其中发动机相关参数主要包括发动机温度、机油量、燃油消耗、润滑机油的压力和温度等参数，液压系统参数主要包括液压油箱油量、管路中液压油的压力及液压油温度等参数，机组的行走系统参数主要包括机组的前进速度、机组的加速度和机组的航向角等。
2 软件功能结构
系统的上位机监控软件采用VisualStudio 2008中的VisualBasic.NET2008[8]语言编写，以其中SerialPort控件进行串口数据传输，功能结构如图2，具体包括菜单、电子地图、插秧机控制、监视窗口、采集的参数显示、数据保存、退出系统等功能。
在设计中，菜单下拉中的文件具有新建项目和退出两个功能，用来重新建立系统连接和退出系统；系统设置则是用来设置系统通讯端口的相关参数，包括端口号、波特率、数据位、奇偶校验位以及停止位等相关信息；帮助菜单主要用来说明软件的使用以及相关注意事项。
插秧机控制部分用来进行插秧机的控制操作，包括点火/熄火、前进、后退、左转向、右转向、暂停以及自动/手动驾驶切换。在设计的软件界面上，插秧机控制部分的方向控件响应键盘的KeyDown事件，其他的控件包括点火/熄火、暂停、自动/手动切换等控件则响应KeyPress事件，以方便控制插秧机的运动。
参数显示功能用来显示监控系统采集到的部分参数，具体包括插秧机行驶的速度、加速度、航向角、发动机润滑系统及液压系统相关的参数等。同时系统具有报警功能，当检测到超过额定值的参数时，系统将报警。另外，监控软件在采集到坐标信息后，通过VisualBasic.NET2008的PictureBox控件绘制出插秧机的运动轨迹曲线，形成一幅电子地图，便于分析与保存。 监视窗口用来监视软件的数据流，主要监视软件在什么时候发出或收到什么类型的数据，以此判别软件是否处于正常工作状态。
数据保存是用于将采集到的所有数据保存到数据库或Excel表格，方便后续的数据分析与处理。
3 软件工作流程
系统的软件工作流程如图3。启动软件后系统自动进行初始化工作，其初始化包括通讯端口的自动设置、数据库文件的建立与电子地图的坐标建立。通讯端口初始化时，软件会自动寻找可用的RS232端口，或人工设置通讯端口。初始化完成后系统进行协议通讯。首先，软件向插秧机控制单元发送连接请求的命令，插秧机控制单元在收到连接请求的命令并确认系统工作正常后，建立连接并返回确认信息。系统连接成功后，操作者便可进行遥控驾驶，即通过PC机上的键盘或鼠标控制插秧机的运动。插秧机运动过程中，通过数据采集单元可以实时采集插秧机的位置坐标和状态数据，并将采集到的坐标信息在电子地图上绘制出来，其他的状态参数则显示在软件界面上。所有工作过程完成后，操作者可以将采集到的数据保存为Excel文件并退出程序。
4 串行通信设计
系统采用VisualBasic.NET2008中SerialPort控件进行串行通信。SerialPort控件的属性包括BaudRate、Parity、PortName、StopBits、DataBits等，主要用来设置波特率、奇偶校验、端口号和数据位，而串口的初始化则是对SerialPort控件的属性进行设置[9，10]。在设计中，系统可以人工设置端口，或采用轮询的方法让软件自动寻找可用的端口进行端口初始化。
数据发送采用SerialPort中的Write方法完成。Write方法包括有Write（String）、Write（Byte（）， Offset， Count）、Write（Char（），Offset，Count）等3种形式，分别用来发送字符串、发送字节数组和发送字符数组。在该系统的设计中，选用Write（Byte（），Offset，Count）方法进行字节数据的发送，其中Byte（）是一个Byte型的数组，Offset是字节数组中从0开始的字节偏移量，Count是要写入的字节数。
数据接收则采用DataReceived事件驱动配合定时器查询的方法，SerialPort的ReceivedBytes Threshold属性是用于设置触发DataReceived事件时，缓冲区能接收到的字节数，默认为1。试验证明，当ReceivedBytesThreshold为1时，系统并不保证对接收到的每个字节都引发 DataReceived 事件，因此在处理不定长数据或数据复杂的情况下，用此方法不能保证处理数据的实时性。而且由于DataReceived事件是在辅助线程上引发的，不能直接对主线程上的一些元素如窗体控件等进行操作，需要以委托的方式进行。因此，设计采用定时器定时查询的方式读取接收到的数据，对数据进行分析与处理。
5 通讯协议设计
为使上位机与下位机之间的通讯安全可靠，设计了通讯协议，采用115 200 bps的通讯波特率，每帧的格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校奇偶校验。
协议中的命令包括有上传命令和下发命令，其中所有数据包的数据均采用16进制的格式。上传命令是由下位机（插秧机控制系统）向上位机（PC机）发送数据，下发命令则是由上位机向下位机发送数据。下发命令分为控制命令、设置命令和采集命令3种类型，每条命令包括8个字节，分别为同步字、命令类型、地址、包长、数据段及校验位。同步字用于发起本条命令；地址用于表示此命令的作用对象，该系统中作用对象为插秧机，其地址设定为&H01；字长用于表示本次发送的数据包字节总数；Byte4～Byte6的值则可以根据需要自己设定，同一命令类型中Byte4～Byte6的值惟一，防止命令冲突；命令数据包的最后一位是校验位，为前面7个字节之和。下发命令数据包的格式如表1。
上位机向下位机下发命令后，下位机应作出适当返回，即下位机向上位机发送数据。上发命令的数据包格式按顺序为同步字、命令类型、地址、包长、数据段及校验位，具体格式如表2。
由于只有在上位机发送设置和采集的命令时才会有返回值，因此此处的命令类型只有设置命令和采集命令两种。整条命令的数据字节长度由包长来确定，对于设置命令的返回值，此处n=7共8个字节，对于采集命令的返回值，n=18共19个字节，数据包的校验位为前面n个字节之和。采集命令的返回值包括了插秧机的位置坐标、液压系统参数、运动状态参数以及发动机润滑系统参数等信息。上位机收到数据包后，对数据进行解析与处理，或存储，或绘制出电子地图。数据解析流程如图4。
6 验证结果
为验证系统的可行性，在PC机上运行了所设计的无线监控系统软件，对水泥地面上的插秧机进行遥控驾驶操作并采集相关参数，图5为系统软件运行界面。
试验表明，通过该监控软件能实现以PC机无线遥控高速插秧机行驶，并实时采集插秧机的位置坐标与行驶速度等定位数据，同时完成对插秧机的发动机温度、液压箱油量等各种参数的监测，系统稳定性好、可靠性高。
参考文献：
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[10] 蒋加伏，张林峰.Visual Basic程序设计教程[M].第四版.北京：北京邮电大学出版社，2006.
收稿日期：2012-04-06
基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAD20B08）；湖南省自然科学基金项目（09JJ6091）
作者简介：罗亚辉（1981-），女，湖南华容人，讲师，硕士，主要从事农业电气化与自动化的研究工作，（电话）13787410097（电子信箱）
hui_afangluo@yahoo.com.cn；通讯作者，蒋 蘋（1971-），男，四川古蔺人，教授，主要从事农业机械智能控制方面的研究，
（电子信箱）teacher_jp@163.com。
