《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于iOS的便攜式多變量農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)控儀設(shè)計(jì)
基于iOS的便攜式多變量農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)控儀設(shè)計(jì)
電子設(shè)計(jì)工程
馬蔚云,,馬新春 新疆電子研究所
摘要: 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(qiáng)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
Abstract:
Key words :

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(qiáng)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(shí)時(shí)的保證。在農(nóng)田試驗(yàn)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(yùn)行管理知識(shí)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(shí)時(shí)性,、時(shí)效性和有效性,與灌溉,、施肥等自動(dòng)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(shí)模型和決策模型的建立提供可靠的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持,。最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉,、施肥、施藥診斷的綜合診斷決策,。

1 設(shè)計(jì)原理
1.1 土地平整度
    土地平整工程是土地開發(fā)整理項(xiàng)目的核心工程,,目的是要達(dá)到便于機(jī)械化耕作,發(fā)揮機(jī)械效率,,提高機(jī)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(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利化、農(nóng)業(yè)機(jī)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(gè)項(xiàng)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(jī)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(jì)的一個(gè)重要指標(biāo),。
    在進(jìn)行田塊設(shè)計(jì)時(shí),,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(diǎn)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(jì)的田面沿水流方向傾斜的角度,。因此,,農(nóng)田平整精度評價(jià)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(diǎn),,不妨設(shè)任意樣本點(diǎn)坐標(biāo)為:(Xi,,Yi,Zi)
    根據(jù)最小二乘法的思想,,樣本點(diǎn)到擬合平面上對應(yīng)點(diǎn)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(jì)算公式如下:
    a.JPG
    假設(shè)土地平整后的擬合平面方程為:Z=AX+BY+C,則求解實(shí)際田面上的某測點(diǎn)到擬合平面垂直距離的計(jì)算公式為:
    b.JPG
    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:
    c.JPG
    式中,di為田塊內(nèi)第i個(gè)測點(diǎn)距離擬合平面的垂直距離,,cm,;d為所有測點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)量,。當(dāng)P值越小時(shí),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(jià)田間地面形狀的分布差異及特征,可利用分布偏差計(jì)算給出定量描述,。首先計(jì)算田塊內(nèi)各測點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)時(shí)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(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),,再通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算出距離,、面積等數(shù)據(jù)。由于地球是一個(gè)橢球,,為了精確計(jì)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(jì)算十分復(fù)雜,難以在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn),。為了簡化計(jì)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):
    d.JPG
    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:
    e.JPG

2 農(nóng)田農(nóng)情監(jiān)控儀設(shè)計(jì)
    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(diǎn)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,,無法對農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)全程進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)控,,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)??焖?、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(shí)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(shí)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(shí)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(tái)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(jī)因其體積較大,、費(fèi)用較高、功耗顯著造成性能價(jià)格比低,;無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測,,即便使用數(shù)傳電臺(tái),也會(huì)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(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此,,農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(jī)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(kuò)展時(shí)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,。

f.JPG


    本設(shè)計(jì)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(jì)方案,,降低功耗和成本,可靠性強(qiáng),,易于升級(jí),。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(jì)
    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(fèi)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(dòng)態(tài)監(jiān)測,、預(yù)報(bào)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(jí)政府和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門,。本項(xiàng)目將區(qū)域氣候模式,、遙感測墑模型、土壤水分預(yù)報(bào)模型和灌溉決策模型有機(jī)結(jié)合在一起,,實(shí)現(xiàn)了較長時(shí)段內(nèi)的土壤水分預(yù)報(bào)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(jī)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(bào)產(chǎn)品應(yīng)用到土壤水分預(yù)報(bào)模型中,,可提供格點(diǎn)化的土壤水分預(yù)報(bào)信息,更便于大范圍應(yīng)用,;研究了單點(diǎn)土壤水分預(yù)報(bào)模型和區(qū)域土壤水分預(yù)報(bào)模型,,實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)面結(jié)合,可同時(shí)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(shí)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(hào),、錄入與修改屬性數(shù)據(jù),,查詢和分析農(nóng)田信息的時(shí)空差異,,生成基于田區(qū)差異的肥料運(yùn)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(gè)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(diǎn)觸控直接操作,??刂品椒òɑ瑒?dòng),輕觸開關(guān)及按鍵,。與系統(tǒng)交互包括滑動(dòng)(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,。基于iOS的數(shù)據(jù)軟件可對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,。

4 應(yīng)用實(shí)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。

g.JPG


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

5 結(jié)束語
    針對目前的農(nóng)田手持機(jī)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(shí)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(shí)施更加精細(xì)化的種植,在解放勞動(dòng)力和提高經(jīng)濟(jì)收益方面,,有著明顯的效果,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。