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农业自动驾驶汽车应急通信系统
摘要：本文介绍了一种在农业自主车辆（智能播种机）运行过程中遇到紧急情况时，同时向一个或多个运营商发送短消息和通过IP进行视频或语音（VoIP）呼叫的应急通信系统的设计与实现。该应急通信系统由两个子系统组成：一个用于短信的Android手机通信系统和一个用于VoIP的Raspberry pi Linux计算机通信系统。Google地图应用程序编程接口（API）用于记录车辆出现故障的GPS定位信息，然后将该GPS定位信息转换为一个互联网链接，该链接将与短信消息一起发送到运营商手上。而星号VoIP服务器则用于通过车辆上的无线网络发起和进行VoIP/视频呼叫，或者在车辆上的无线网络出现故障时通过Android手机充当wifi热点发起和进行VoIP/视频呼叫。VoIP系统向运营商或用户提供有关环境的有用实时语音和视频信息，以便运营商做出适当的决策。Android短信应用程序和VoIP系统都在后台持续运行，时刻等待来自车辆主控系统的紧急信号。
关键词：短信，网络电话，自主汽车，农业，安卓。
1、简介：在澳大利亚新南威尔士州进行的农业机器人技术研究开发出了一种所谓的智能播种机（图一），据报告显示该播种机系统可以精确地将种子按预定的行数及间距播种到大英亩作物实验田中，系统精度在plusmn;2厘米以内。该播种机系统要求以路径形式输入作物布局模式，主控系统将这些数据表示为包含GPS定位坐标的数据集来进行作物定位种植（图二）。该播种机系统已经实现了一套复杂的非线性控制算法[1，2]，以确保该智能播种机在10公里/小时的速度下仍能做到精确导航。可以明了的是实现精确播种是人类迈向精确自动化农业的第一步[3]。精确自动化农业的最终目的是使从播种、施肥和除草到收获的所有农业作业阶段使用相同的技术和设备完成。该播种机系统所提供的精度完全消除了施肥和除草等作业对作物传感和定位的需要，从而大大降低了传感成本。由于这些车辆的精度要求非常高，几乎不可能由人工驾驶。因此这些机器基本上是自主的，一旦出现系统无法处理的意外情况，就需要人工修正调整，所以需要一种有效的方式和手段来监测它们在数公里外自行运行时的运行状况。
图三示出了该播种农机系统的机械特性。可以看到它的前半部分由一个单人驾驶的车辆组成，这种单驾驶员车辆通常很小，一般来说是没有能力提供足够的推进力来进行播种、除草等操作的；但是它有能力引导和指挥与它相连的播种机。这种播种机本身是推进式的，并且有自己独立的动力装置来启动自己的控制装置，但是它的运行方向和速度由驾驶车辆指挥。因此试验车不需要额外承载播种机的负载。也正是因为这样，实验中所用的小型试验车理论上可以引导非常大的播种机。该试验核心的新奇之处在于，常用的大型拖拉机被小型试验车所取代，而且播种机本身需要的所有的推进力都由播种机本身提供。更广泛的新颖之处在于，图中所示播种机未来将被一种通用工具取代，该工具能够携带任意的适合农业任务的工具，从而将特定农业情景下所需要维护的大型工具数量降至最低。这样一来，精确自动农耕机在不同耕作阶段携带的不同工具都能确保始终保持相同的精度，从而大大节省了操作成本和所用物质的数量。
图1 新南威尔士州智能播种机和传感器
图2 GPS协调路径
图3 小型实验车（绿）与行式播种机
当机器自主在数公里外工作时，为了及时发现并纠正机器在运行中的故障与错误，保持与机器接触的必要性怎么强调也不过分，以确保一旦出现问题能得到立即报告并被及时解决。其中诊断数据需要传送给操作员，以便采取适当措施来确保农业机具的持续正确运行。我们已经研究和试验了多种不同类型的无线技术，以达到不同的目的。在本文介绍了一种利用3G移动通信技术和wifi技术实现紧急报警的通信系统的设计。
该应急通信系统由两个子系统组成，它们可以向操作员提供不同类型的相同信息，以此用于平衡冗余和可靠性。第一个是Android应用程序，它负责通过Android手机向操作员发送短信求救信息。第二个是基于Linux的系统，主要负责通过Raspberry Pi[4]对操作员发起VoIP呼叫，该系统是一个低成本、信用卡大小的单板计算机。由于其体积小、重量轻和低功率要求，这些系统适合被选为安装在智能播种机上有限的可用空间的通信系统。而且对于该系统来说只要有3G移动网络覆盖，它的短信系统就很可靠，能基本确保短信发送成功。但是由于该系统中短消息是以先存储和再转发的方式发送的；因此短信的发送接收过程可能出现延迟并不一定会马上到。基于这种情况，设计中的第二种系统VoIP系统提供了另一种发送紧急警报的途径，但同样的它也有一定的限制，这种路径对可靠性取决于互联网连接的可用性。该系统通过使用Google Maps应用程序编程接口（API），Android系统来发送智能播种机的当前GPS定位信息。另一方面，VoIP系统提供了额外的语音和视频环境信息，这对运营商的决策非常有用。在发送紧急警报时，短信系统和VoIP系统也可以互为备份，防止某一路径因为各种情况导致信息传递失败。在本文中首先在第二节介绍了系统的总体架构，然后在第三节介绍了Android子系统，在第四节介绍了VoIP子系统，最后在第五节进行了讨论和总结。
2、系统架构：
该智能播种机的应急通信系统被设计为一个独立于主控制器的系统，它由两个子系统组成，之所以将它与主控制器分离，是出于对可靠性的原因的考虑。紧急通信系统和主控制器通过车载局域网进行通信。主控制器是由实时操作系统驱动的车载计算机。我们为它开发了专用的软件应用程序，用于方便用户或运营商实时监测和控制车辆的各个子系统，包括安全、转向和牵引（推进）子系统。其中主控制器决定了在什么情况下和什么时候向两个在后台连续运行等待信号到达的应急子系统发送应急信号，并采取相应的措施，再由应急子系统将故障情况送出。
图四示出了紧急通信系统的系统架构，该应急通信系统由三个主要硬件组件组成：安装在智能播种机上的Android手机和Raspberry Pi，以及托管在外部数据中心中的星号VoIP服务器。其中Asterisk是一款开源的VoIP软件[6]，它具有高度可定制特点，这使开发人员能够构建全新的通信解决方案[7，8]。该系统要求所有的VoIP客户端或软电话都需要提前注册到星号服务器中，然后才能进行相互呼叫。一个星号服务器可以支持同时监控在一个或多个农场中工作的多个智能播种机。开源SIP VoIP客户端LinPhone[9]安装在车载Android手机和运营商的台式机或移动设备上。其中LinPhone需要注册到星号服务器，并允许用户使用其个人电脑或移动设备拨打VoIP电话。
图4 应急通信系统体系结构
为了使智能播种机能和互联网上的各种系统之间进行数据通信，设置和配置了以下网络
主控制器：与车载有线LAN的3G互联网连接从而达到快速与以太网连接。
Android手机：3G互联网连接，配置为wifi热点，为Raspberry Pi提供备份互联网连接。安卓手机还可以通过车载无线接入点接入互联网。
Raspberry Pi：快速将以太网与车载有线局域网相连接。作为备份，如果车载接入点出现故障或超出农舍主要无线接入点的范围等导致通信失败或故障的情况，USB wifi加密狗可以通过及时wifi热点与Android手机进行无线连接。
这些数据网络的可靠运行是应急通信系统正常运行的必要条件。
3、Android短信应用：
开发了一款命名为“播种机短信”安卓应用程序，在工作过程中持续在后台运行，时刻等待智能播种机主控制器发出的紧急信号，并在紧急情况下通过手机向运营商发送带有GPS定位信息的短信遇险信息，以及时报告故障情况。
Android系统的体系结构如图五的中间部分所示。Android应用程序“播种机短信”是在运行64位UbuntuLinux13.04版本的笔记本电脑上开发的。其中软件框架和构建工作环境包括Eclipse IDE、Android SDK、Android开发工具（ADT）、支持库和Android虚拟设备（AVD）[10]。API级别和平台支持Android 4.0（Ice Cream Sandwich and up）和更高版本。
图5中的箭头表示的是Android子系统的处理流程。在系统工作过程中文件传输协议（FTP）被用作在紧急情况下将触发器从主控制器传递到Android手机的特殊机制。免费应用MyFTP服务器是需要用户从Google Play商店下载并安装在手机上的。在紧急情况下，主控制器通过FTP客户端在Android手机的seedersms/data目录中创建一个文件来触发观察者服务。Android手机立即使用内置的GPS定位服务获取当前位置，并将包含GPS坐标的短信警报消息发送到预先设置的手机号码上，告知用户操作者智能播种机系统故障信息以及所处位置的信息。“播种机短信”应用程序的一些屏幕截图如下图六所示。尽管安卓手机的主要目的是在紧急情况下通过3G连接发送短信提醒，但同时它也被配置为便携式Wifi热点，作为备份，为Raspberry Pi提供互联网连接，在此情况下它们二者可以说互为备份，以确保紧急信息的及时准确发送。如下一节所述。
图5 Android子系统的流程
图6 Android应用“播种机短信”截图
4、VoIP系统：
位于外部数据中心的Asterisk服务器是使用FreePBX发行版[11]安装和设置的，FreePBX发行版是一个开源软件包，它让运营商将基于互联网的图形用户界面（GUI）与Asterisk结合在一起。使用FreePBX，我们可以很容易地控制和管理星号服务器以及其他扩展的设置。也使得同一服务器可用于控制和管理在多个智能播种机上配置的多个SIP客户端。
图七中的箭头指示星号子系统的处理流程。其中右侧显示星号服务器，中间显示Raspberry Pi SIP客户端，左侧显示主控制器。与Android系统不同之处在于，Asterisk系统在紧急情况下是使用HTTP作为触发器。具体来说是Raspberry Pi使用一个简单的Python HTTP 互联网服务器来等待来自主控制器的请求。当系统接收到紧急信号时，Raspberry Pi将运行一个互联网服务，通知Asterisk服务器立即在其/var/spool/Asterisk/outgoing目录中创建一个调用文件。之后的呼叫文件是一个简单的文本文件，其中包含一些预定的指示，让星号服务器在与呼叫文件被调用的时间基本相等的时间启动电话呼叫。执行呼叫文件时，星号服务器将首先呼叫车辆上LinPhone的分机，这时LinPhone会自动应答，然后呼叫运营商的分机。一旦运营商应答了VoIP呼叫，系统将根据现有的网络环境和运营商使用的设备建立视频或语音呼叫。然后，Raspberry Pi系统将实时视频或语音从智能播种机传输给操作员，来达到信息报送的目的。在这个过程中需要注意的是，星号服务器可以将VoIP呼叫从Raspberry Pi连接到PSTN或移动电话号码，而不是只能连接到软电话。同时星号服务器还允许我们按顺序（呼叫搜寻）或同时（全部振铃）给多个参与方打电话。
图7 星号子系统工艺流程
由于智能播种机工作环境通常在大的或有些偏远的农村，互联网连接和无线覆盖问题是一个巨大的挑战。因此根据可用带宽选择合适的VoIP编解码器就非常重要。其选择的不同带宽编解码器的优缺点如下：与未压缩的G.711编解码器相比，GSM、iLBC、G.723和G.729等语音编解码器需要更低的带宽。但是在低延迟和足够带宽的良好网络条件下，G.711可以提供高保真的语音质量。然而对于网络速度慢且带宽有限的环境，G.711的性能可能非常差。其次相比G.711对64Kbps比特率的带宽要求，G.723仅需要5.3Kbps，G.729只需要8Kbps，GSM也只需要13Kbps。由于它们的低带宽要求，更适合于3G或wifi信号较弱和有时不稳定的大型农田。在我们的实验中，在星号服务器中启用了视频支持，并且用于编解码器协商的编解码器优先级设置为（1）H.263（视频），（2）GSM和（3）iLBC。当需要进行紧急通信时，系统先自动判定是否有足够的带宽，当有足够的带宽时，将建立视频连接。如果视频连接建立失败或带宽不足时，将建立语音呼叫。我们之所以选择GSM和iLBC语音编解码器是因为它们的低比特率，并且可以免费使用。
对于VoIP系统来说，在正常的网络条件下，Raspberry Pi接收主控制器的紧急信号，并通过车载有线LAN连接发送HTTP请求来发起VoIP呼叫。当车辆超出室外wifi覆盖范围或wifi连接失败时，Raspberry Pi仍然可以通过有线LAN接收来自主控制器的信号，但是不在是通过车载有线LAN连接发送HTTP请求来发起VoIP呼叫，而是通过充当wifi热点的Android手机发送HTTP请求。
作为触发警报的另一种方法，我们也考虑过主控制器可以使用FTP客户端直接在星号服务器的spool目录中创建调用文件。但是，我们并没有没有采取这种办法。是由于Raspberry Pi有多条到Internet的路由，因此最好通过Raspberry Pi发送紧急警报，这样可以更充分的利用冗余的Internet连接。
5、讨论和结果：
文中介绍了关于新南威尔士州智能播种机应急通信系统的设计与实现。我们都知道当机器在离人数公里外自主运行播种时，保持与机器可靠通信和及时接收紧急信息的必要性是十分重要的。尽管在目前看来智能播种机是一种高度可靠的无人驾驶车辆，不太可能发生的需要远程操作员立即响应的紧急情况下，但是一旦有意外状况发生，车载主控制器将自主触发紧急通信系统，通过短信和VoIP呼叫向操作员发送警报。文中所述紧急通信系统包括一个Android子系统，该子系统发送包含车辆目前GPS定位信息的短信警报；以及一个星号VoIP系统，该系统将语音和/或视
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