基于云边协同的农机智慧管理与调度系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于云边协同的农机智慧管理与调度系统及方法，本发明专利技术以云平台为中心节点，农机的车载终端为边缘节点，把作业评分、农田信息处理、农机管理这些延时敏感且拥有大容量数据的任务放在靠近数据源的边缘节点执行，不再上传到远距离的云平台进行处理。对于延时不敏感、小容量且需要保存历史记录的数据，上传至云平台进行处理和保存。对于多个作业订单的调度，本发明专利技术以最小化每个作业订单的农机调度成本为目标，并且考虑到了订单的优先级次序，确定成本最优的调度方案。本发明专利技术可以提高农机调度效率、增强管理的实时性，降低农机调度成本。机调度成本。机调度成本。

【技术实现步骤摘要】
基于云边协同的农机智慧管理与调度系统及方法


[0001]本专利技术属于智慧农业领域，具体涉及一种基于云边协同的农机智慧管理与调度系统及方法

技术介绍

[0002]随着农业机械化的大力发展，农用机械的应用已经越来越普遍，农业机械化在农业生产，特别是粮食生产中可以发挥重要的作用。
[0003]目前，农业机械设备种类多样，基本可以满足农业生产的需求，在节省了劳动力的同时，极大提高了农户的效率。
[0004]但是，农业机械设备价格昂贵，需要科学的管理，然而传统的人力很难实时、准确地进行管理；乡村地广人稀，传统的人力去监管农业机械设备工作费时费力；在农忙时，传统的人力调度效率低下，无法完全发挥每个农业机械设备的作用。
[0005]而现有的智能管理调度技术则普遍存在以下问题：
[0006](1)采用集中式处理，即调度策略，作业评分，农机管理等均由云平台进行集中处理，对于云平台的计算、存储要求太高，容易形成单点崩溃。
[0007](2)管理时效性低，从农机终端把数据传输到远距离的云平台需要一定的时间，并且视频等大容量数据传输需要时间更多，导致了无法保证管理的实时性。
[0008](3)调度成本高，简单的调度策略无法满足数目较大且具有复杂优先级的作业订单。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于云边协同的农机智慧管理与调度系统及方法。
[0010]技术方案：本专利技术的一种基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，包括云平台、农田信息收集组件、车载终端和农机管理与调度系统；云平台为中心节点，农机的车载终端为边缘节点，车载终端上连接有车载信息收集组件，还通过车载WiFi模块与农田信息收集组件相连；所述车载信息收集组件包括GPS定位模块、摄像头模块、油量检测模块、速度检测模块，通过上述模块分别实时采集农机的位置、作业视频、油量和速度信息；所述农田信息收集组件包括土壤温湿度采集模块、土壤氮磷钾采集模块和土壤PH值采集模块，通过上述模块分别实时采集农田土地的温湿度、氮磷钾含量和PH值；所述车载终端处理延时敏感、大容量数据的任务；车载终端接收云平台发来的作业订单，并将作业订单显示于车载终端的显示屏以提示农机手；所述农机管理和调度系统包括农机管理模块和农机调度模块，农机管理模块部署于农机终端，农机调度模块部署于云平台，农机管理模块根据车载信息收集组件的数据进行农机的实时全方位管理，农机调度模块根据云平台接受的农机数据和作业订单，基于调度方案进行农机的调度；上述农机实时全方位管理和农机调度的过程中，对于延时敏感和大容量数据的任务，由靠近数据源的边缘节点，即农机的终端进行运算，不再上
传至远距离的中心节点云平台，减少传输的时间、成本，提高实时性；对于延时不敏感的任务和需要长时间存储数据的任务，上传到中心节点处理，即云平台进行处理。
[0011]进一步地，所述延时敏感任务包括农机的实时全方位管理和田地管理。所述大容量数据任务包括作业质量评分。
[0012]进一步地，所述农机的实时全方位管理包括轨迹管理、油量管理、速度管理和农机预警；轨迹管理、油量管理和速度管理即实时在终端显示农机的运行轨迹、剩余油量和当前行驶速度；农机预警即一旦农机位置不在指定作业区域、或农机油量低于警戒值、或农机速度高于警戒值均触发警报，在农机终端显示，提醒农机手。
[0013]进一步地，所述田地管理即土质健康检测，通过氮磷钾传感器采集模块和PH传感器采集模块实时检测土质健康，一旦出现问题立刻在农机终端进行显示，提醒农机手。
[0014]所述农机管理模块包括数据处理模块、报警模块、综合评分模块和数据库模块；所述数据处理模块处理GPS数据、作业视频、油量数据、速度数据，温湿度数据、氮磷钾数据、PH值数据(包括对GPS位置数据、油量数据、速度数据、温湿度数据、氮磷钾数据、PH值数据进行滤波去除干扰数据)提供给报警模块、综合评分模块和数据库模块进行分析、处理和短时间存储；
[0015]报警模块对数据模块处理后的数据与报警模块内预设的警戒值进行对比，若当出现以下任意情况时，所述报警模块向农机手发出警报：农机位置不在规定作业区域内、农机油量低于警戒值、农机行驶速度高于警戒值、温湿度数据高于警戒值、氮磷钾数据高于警戒值、PH值数据高于警戒值；
[0016]所述综合评分模块综合分析车载信息收集组件和农田信息收集组件采集的数据，确定该农机对应农机手本次作业的综合评分，打分表达式如下：
[0017][0018]其中，S
m
是农机m的作业评分，Q
t
表示温湿度传感器得分，Q
n
表示氮磷钾传感器得分，Q
p
表示PH传感器得分，A表示农机作业的区域面积，T表示作业所用总时间，O表示作业所用总油耗，Q
C
表示作业视频得分，α、β、γ、δ、λ、θ均为权重系数；
[0019]数据库模块保存历史数据，定期删除数据。
[0020]进一步地，作业订单完成后，对作业质量评分的任务由边缘节点的农机终端来执行，得到了作业评分后，终端将所述评分发送给云平台，作为后续农机作业成本的参考。所述作业订单包括订单优先级、作业类型、作业区域；所述作业类型包括耕地、播种、插秧、灌溉、收割等。
[0021]进一步地，所述农机调度模块包括订单导入模块、农机选择模块、派单模块；所述订单导入模块导入当前作业订单；所述农机选择模块根据当前作业订单确定一个对应于作业类型、当前与作业区域最近且处于空闲状态的目标农机；所述派单模块将当前作业订单发送给选定的目标农机对应车载终端；所述状态切换模块在派单模块完成派单后，将目标农机切换为非空闲状态；当接收到目标农机的车载终端发来的作业完成信息后，再将该农机切换为空闲状态。
[0022]本专利技术还公开一种实现基于云边协同的农机智慧管理与调度系统的调度方法，云平台管理人员通过订单导入模块导入所有作业订单，农机选择模块根据农机调度方案确定
目标农机，通过派单模块把作业订单派发送给目标农机终端，实现调度成本最小的农机调度；上述过程基于所述目标订单信息和接收的农机上传数据，确定预选农机调度方案，包括：基于所述目标订单对应的订单优先级、作业类型、作业区域，农机上传的作业评分确定目标农机。
[0023]进一步地，所述农机调度方案目标为调度成本最小化，函数如下：
[0024][0025]Z
m
＝ωS
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026][0027]公式(1)中C是最小调度成本；F
m
表示农机m单位距离运输成本；D
m,i,j
表示农机m从当前位置i到农田j的距离；Z
m
表示农机m作业的成本；M是所有农机的集合；I是所有农机当前位置的集合；J是所有农田位置的集合；
[0028]公式(2)中S...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，其特征在于：包括云平台、农田信息收集组件、车载终端和农机管理与调度系统；云平台为中心节点，农机的车载终端为边缘节点，车载终端上连接有车载信息收集组件，还通过车载WiFi模块与农田信息收集组件相连；所述车载信息收集组件包括GPS定位模块、摄像头模块、油量检测模块、速度检测模块，通过上述模块分别实时采集农机的位置、作业视频、油量和速度信息；所述农田信息收集组件包括土壤温湿度采集模块、土壤氮磷钾采集模块和土壤PH值采集模块，通过上述模块分别实时采集农田土地的温湿度、氮磷钾含量和PH值；所述车载终端处理延时敏感、大容量数据的任务；车载终端接收云平台发来的作业订单，并将作业订单显示于车载终端的显示屏以提示农机手；所述农机管理和调度系统包括农机管理模块和农机调度模块，农机管理模块部署于农机终端，农机调度模块部署于云平台，农机管理模块根据车载信息收集组件的数据进行农机的实时全方位管理，农机调度模块根据云平台接受的农机数据和作业订单，基于调度方案进行农机的调度；上述农机实时全方位管理和农机调度的过程中，对于延时敏感和大容量数据的任务，由靠近数据源的边缘节点进行运算，不再上传至远距离的中心节点云平台；对于延时不敏感的任务和需要长时间存储数据的任务，上传到中心节点处理。2.根据权利要求1所述的基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，其特征在于：还包括车载无线通信模块，车载无线通信模块采用5G移动网络将农机的相关数据传输至云平台，所述农田信息收集组件通过车载WiFi模块产生的热点与车载终端相连，把采集的农田信息传输给车载终端。3.根据权利要求1所述的基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，其特征在于：所述延时敏感任务包括农机的实时全方位管理和田地管理；所述大容量数据任务包括作业质量评分；其中，所述农机的实时全方位管理包括轨迹管理、油量管理、速度管理和农机预警；轨迹管理、油量管理和速度管理即实时在终端显示农机的运行轨迹、剩余油量和当前行驶速度；农机预警即一旦农机位置不在指定作业区域、或农机油量低于警戒值、或农机速度高于警戒值均触发警报，在农机终端显示，提醒农机手；所述田地管理即土质健康检测，通过氮磷钾传感器采集模块和PH传感器采集模块实时检测土质健康，一旦出现问题立刻在农机终端进行显示，提醒农机手。4.根据权利要求1所述的基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，其特征在于：所述农机管理模块包括数据处理模块、报警模块、综合评分模块和数据库模块；所述数据处理模块处理GPS数据、作业视频、油量数据、速度数据，将所得温湿度数据、氮磷钾数据、PH值数据提供给报警模块、综合评分模块和数据库模块进行分析、处理和短时间存储；报警模块对数据模块处理后的数据与报警模块内预设的警戒值进行对比，若当出现以下任意情况时，所述报警模块向农机手发出警报：农机位置不在规定作业区域内，农机油量低于警戒值，农机行驶速度高于警戒值，温湿度数据、氮磷钾数据、PH值数据不在合理值区间；所述综合评分模块综合分析车载信息收集组件和农田信息收集组件采集的数据，确定
该农机对应农机手本次作业的综合评分，打分表达式如下：其中，S
m
是农机m的作业评分，Q
t
表示温湿度传感器得分，Q
n
表示氮磷钾传感器得分，Q
p
表示PH传感器得分，A表示农机作业的区域面积，T表示作业所用总时间，O表示作业所用总油耗，Q
C
表示作业视频得分，α、β、γ、δ、λ、θ均为权重系数；数据库模块保存历史数据。5.根据权利要求1所述的基于云边协同的农机智慧管理与调度系统，其特征在于：所述作业订单包括订单优先级、作业类型、作业区域；当作业订单完成后，边缘节点的农机车载终端来对该作业订单的作业质量进行评分，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良民，丁陈波，刘海洋，陈向益，申屠浩，李峰，余景华，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：