基于iOS的便攜式多變量農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)控儀設(shè)計

摘要：針對農(nóng)田精細(xì)化管理的目的，采用了GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)處理、WiFi、ARM、蘋果公司iOS等技術(shù)。建立土壤溫度、濕度、光照強度、光合有效輻射、風(fēng)向風(fēng)速、雨量等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和數(shù)據(jù)模型建立，給出水分監(jiān)測探頭布設(shè)的方式，為農(nóng)田科學(xué)化精細(xì)生產(chǎn)管理提供可靠的、實時的保證。在農(nóng)田試驗表明：此系統(tǒng)可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。
關(guān)鍵詞：GIS；WiFi：ARM；節(jié)水增產(chǎn)

    近年來，由于新疆農(nóng)田生產(chǎn)管理技術(shù)和管理模式停滯不前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員水平不一，農(nóng)情基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息缺乏，資源不能合理利用和共享，使該區(qū)農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。因此，隨著農(nóng)田膜下滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，迫切需要提出與現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備、方式和灌溉技術(shù)等相配套的農(nóng)田生產(chǎn)檢測管理系統(tǒng)，以提升該區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)的管理技術(shù)和管理水平。目前國內(nèi)已開發(fā)的一些農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)產(chǎn)品，由于沒有解決農(nóng)田信息采集的空間變異、農(nóng)田灌溉、施肥等的智能診斷決策、渠系運行管理知識模型構(gòu)建等瓶頸問題，使農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)產(chǎn)品缺乏實時性、時效性和有效性，與灌溉、施肥等自動控制設(shè)備成為兩張皮，不能真正達(dá)到精準(zhǔn)控制灌溉、施肥的目的。本系統(tǒng)應(yīng)用地理信息、空間數(shù)據(jù)處理、WiFi、藍(lán)牙、ARM、iOS等技術(shù)，建立土壤墑情、溫度、PH值等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的分析處理和數(shù)據(jù)模型建立，研究水分監(jiān)測探頭布設(shè)的方式，為農(nóng)田生產(chǎn)管理系統(tǒng)的知識模型和決策模型的建立提供可靠的、實時的數(shù)據(jù)支持。最終實現(xiàn)農(nóng)田灌溉、施肥、施藥診斷的綜合診斷決策。

1 設(shè)計原理
1．1 土地平整度
    土地平整工程是土地開發(fā)整理項目的核心工程，目的是要達(dá)到便于機械化耕作，發(fā)揮機械效率，提高機耕質(zhì)量，灌水方便均勻，利于壓鹽、排水、改良土壤等，滿足作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對水分及土質(zhì)的需要。土地平整工程是實現(xiàn)農(nóng)田水利化、農(nóng)業(yè)機械化的重要條件，是建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、旱澇保收高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的重要措施，內(nèi)容包括田塊優(yōu)化布局、田地平整及土壤改良等，其中田地平整是核心內(nèi)容。田地平整既要符合地面灌溉排水要求，又要便于耕作保水保肥和田間管理，要結(jié)合整個項目區(qū)的地形、土地利用方式和水土保持方案等綜合考慮。平整后的田塊應(yīng)有利于作物的生長發(fā)育，有利于田間機械化作業(yè)，有利于水土保持，滿足灌溉排水要求和防風(fēng)要求，便于經(jīng)營管理。田面平整精度是田塊設(shè)計的一個重要指標(biāo)。
    在進(jìn)行田塊設(shè)計時，可以用很多指標(biāo)來描述其屬性，如田塊的大小、方向、田面平整度、田面坡度等，其中田面平整度(用P表示)和田面坡度(用θ表示)可以用來表征田塊平整精度。田面平整度是指衡量田面起伏程度的指標(biāo)，通常用各測點到擬合平面垂直距離的標(biāo)準(zhǔn)差來表示，平整度的數(shù)值越小，說明田面起伏越小，田面越平整。田面坡度是指為了滿足田間灌溉的需要而設(shè)計的田面沿水流方向傾斜的角度。因此，農(nóng)田平整精度評價系統(tǒng)的核心算法包括田面平整度算法和田面坡度算法。
    假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為：Z=AX+BY+C
    已知有若干的樣本點，不妨設(shè)任意樣本點坐標(biāo)為：(Xi，Yi，Zi)
    根據(jù)最小二乘法的思想，樣本點到擬合平面上對應(yīng)點的距離最小，即達(dá)到最佳擬合的目的。因此，考慮求解該距離平方和M的最小值。計算公式如下：
   
    假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為：Z=AX+BY+C，則求解實際田面上的某測點到擬合平面垂直距離的計算公式為：
   
    對所有求得的距離求平均值d，以標(biāo)準(zhǔn)差P(cm)作為衡量土地平整度的指標(biāo)。則：
   
    式中，di為田塊內(nèi)第i個測點距離擬合平面的垂直距離，cm；d為所有測點距離擬合平面垂直距離的平均值，cm；n為田塊內(nèi)所有測點的數(shù)量。當(dāng)P值越小時，說明田面起伏越小，田面越平整。P=0是理論上可達(dá)到的最佳精度，而較高的P值則意味著較差的土地平整精度。在美國，常規(guī)平地方法和激光平地技術(shù)所能達(dá)到的田面最小P值分別為2～2．5 cm和小于1．2 cm，在葡萄牙則是3～4 cm和小于1．7cm。
    標(biāo)準(zhǔn)偏差P反映了田面平整的總體狀況，要想評價田間地面形狀的分布差異及特征，可利用分布偏差計算給出定量描述。首先計算田塊內(nèi)各測點到擬合平面的垂直距離di(cm)，再根據(jù)小于某一數(shù)值(如3 cm)的測點的累積百分比數(shù)來反映地面平整度的分布狀況。以美國土地利用局規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為例，激光平地后，田塊內(nèi)偏差值小于1．5 cm的測點的累積百分?jǐn)?shù)最大可達(dá)80％以上。
1．2 GPS面積測量儀原理
    GPS面積測量儀采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實時的經(jīng)度、緯度、高程等導(dǎo)航和定位信息，利用GPS的定位功能，得出各個點的坐標(biāo)，再通過數(shù)學(xué)方法計算出距離、面積等數(shù)據(jù)。由于地球是一個橢球，為了精確計算距離或面積，一般采用投影的方式轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)。在我國，對于大比例尺的地圖通常采用高斯一克呂格投影進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然而投影法計算十分復(fù)雜，難以在單片機中實現(xiàn)。為了簡化計算，將地球視為正球體。取地球半徑為6 371 116 m，則可轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)：
   
    式中：R為地球半徑，x為經(jīng)度，m；y為緯度，m。則在地球表面Y經(jīng)度處，經(jīng)度差、緯度差各為一度的方格面積為：
   

2 農(nóng)田農(nóng)情監(jiān)控儀設(shè)計
    農(nóng)業(yè)具有地域分散、對象多樣、環(huán)境因子不確定等特點。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人的經(jīng)驗進(jìn)行，無法對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)全程進(jìn)行實時精準(zhǔn)監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)。快速、有效采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是實踐“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的重要基礎(chǔ)。因此進(jìn)行農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控、隨時掌握農(nóng)業(yè)環(huán)境因素變化，從而采取相應(yīng)的最優(yōu)對策顯得十分重要。
    傳統(tǒng)的農(nóng)田信息監(jiān)測主要靠農(nóng)業(yè)技術(shù)人員實地現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、A／D轉(zhuǎn)換、通過PC保存分析數(shù)據(jù)，或者通過數(shù)傳電臺的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這些方式存在很多問題：由于農(nóng)業(yè)環(huán)境相對惡劣，嚴(yán)寒、高溫、高濕等氣候因素很容易導(dǎo)致PC無法正常工作：PC機因其體積較大、費用較高、功耗顯著造成性能價格比低；無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，即便使用數(shù)傳電臺，也會受到地形的限制，距離僅限于幾十公里之內(nèi)；無法進(jìn)行24小時實時監(jiān)測。因此，農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控問題亟待解決。
    目前國內(nèi)外的研究大多采用單片機作為微控制器，由于其自身性能的局限性，使得系統(tǒng)功能擴展時出現(xiàn)一系列不可預(yù)知的調(diào)試問題。在數(shù)據(jù)傳輸部分有的采用CDMA模塊，但成本太高，不宜推廣。

    本設(shè)計提出了基于ARM、WiFi、藍(lán)牙的嵌入式農(nóng)田環(huán)境信息采集發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計方案，降低功耗和成本，可靠性強，易于升級。可采集的農(nóng)田數(shù)據(jù)有：包括土壤墑情、鹽堿度、養(yǎng)分、土壤平整度、農(nóng)田長勢圖片、主要蟲害狀況，氣象信息，種植面積，種植品種，灌溉狀況，施肥情況，測土情況等。

3 基于iOS的農(nóng)田數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)設(shè)計
    資源緊張是我國和世界面臨的嚴(yán)重問題。對于水資源本來就匱乏的新疆來說，干旱發(fā)生十分頻繁，水資源供求矛盾日趨尖銳。但另一方面，農(nóng)業(yè)用水由于灌溉設(shè)施、技術(shù)、方式落后，又存在著嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象，水分利用效率低。本研究以農(nóng)田節(jié)水灌溉和提高水分利用效率為目標(biāo)，建立新疆部分農(nóng)田水分動態(tài)監(jiān)測、預(yù)報和灌溉決策系統(tǒng)。從獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和提高水分利用效率的角度進(jìn)行綜合分析，提出灌與不灌、灌溉期和灌溉量等決策建議，服務(wù)于各級政府和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門。本項目將區(qū)域氣候模式、遙感測墑模型、土壤水分預(yù)報模型和灌溉決策模型有機結(jié)合在一起，實現(xiàn)了較長時段內(nèi)的土壤水分預(yù)報和灌溉決策。灌溉決策引入了目標(biāo)函數(shù)模型，將灌溉決策和經(jīng)濟(jì)效益、水分利用效率有機地結(jié)合起來。體現(xiàn)了資源利用的科學(xué)性；將數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用到土壤水分預(yù)報模型中，可提供格點化的土壤水分預(yù)報信息，更便于大范圍應(yīng)用；研究了單點土壤水分預(yù)報模型和區(qū)域土壤水分預(yù)報模型，實現(xiàn)了點面結(jié)合，可同時滿足地方和區(qū)域需要，并進(jìn)行周年服務(wù)，有利于提高服務(wù)質(zhì)量和效果。
    以作物管理知識模型為智能決策支撐，建立基于田區(qū)作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分和苗情監(jiān)測的農(nóng)田精確施肥決策支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)可接收GPS信號、錄入與修改屬性數(shù)據(jù)，查詢和分析農(nóng)田信息的時空差異，生成基于田區(qū)差異的肥料運籌和播種密度處方。
    iOS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)。它主要是給iPhone、iPod touch以及iPad使用。就像其基于的Mac OSX操作系統(tǒng)一樣，它也是以Darwin為基礎(chǔ)的。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)分為4個層次：核心操作系統(tǒng)層(the Core OS layer)，核心服務(wù)層(the Core Services layer)，媒體層(the Media layer)，可輕觸層(the Cocoa Touch layer)。
    iOS的用戶界面的概念基礎(chǔ)上是能夠使用多點觸控直接操作。控制方法包括滑動，輕觸開關(guān)及按鍵。與系統(tǒng)交互包括滑動(swiping)、輕按(tapping)、擠壓(pdnching)及旋轉(zhuǎn)(reverse pinching)。
    通過監(jiān)控儀采集到的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)絠Pad后?；趇OS的數(shù)據(jù)軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

4 應(yīng)用實例
    系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某農(nóng)業(yè)示范基地的農(nóng)作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)包括農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)對比分析、水分監(jiān)測探頭布設(shè)。軟件主界面如圖2所示。

    通過對農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集和分析?？梢詫r(nóng)作物實施精細(xì)化種植。

5 結(jié)束語
    針對目前的農(nóng)田手持機功能單一，無法進(jìn)一步給出診斷和決策，以上采用多變量數(shù)據(jù)采集的分析診斷決策系統(tǒng)。使用基于iOS的數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，并采用多種傳感器監(jiān)測土壤，以達(dá)成多變量綜合采集分析的目的。經(jīng)過對某農(nóng)業(yè)示范基地實際應(yīng)用，結(jié)果表明，基于iOS的便攜式多變量農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)控儀可以對農(nóng)田實施更加精細(xì)化的種植，在解放勞動力和提高經(jīng)濟(jì)收益方面，有著明顯的效果。