摘要：針對農田精細化管理的目的，采用了GIS技術、空間數據處理、WiFi、ARM、蘋果公司iOS等技術。建立土壤溫度、濕度、光照強度、光合有效輻射、風向風速、雨量等數據采集系統，可對采集數據進行分析處理和數據模型建立，給出水分監測探頭布設的方式，為農田科學化精細生產管理提供可靠的、實時的保證。在農田試驗表明：此系統可達到節水增產的目的。
關鍵詞：GIS；WiFi：ARM；節水增產
近年來，由于新疆農田生產管理技術和管理模式停滯不前，農業生產管理人員水平不一，農情基礎數據信息缺乏，資源不能合理利用和共享，使該區農業的進一步發展受到了嚴重的制約。因此，隨著農田膜下滴灌等節水灌溉技術的大面積推廣應用，迫切需要提出與現有的節水灌溉設備、方式和灌溉技術等相配套的農田生產檢測管理系統，以提升該區農田生產的管理技術和管理水平。目前國內已開發的一些農田生產管理系統產品，由于沒有解決農田信息采集的空間變異、農田灌溉、施肥等的智能診斷決策、渠系運行管理知識模型構建等瓶頸問題，使農田生產管理系統產品缺乏實時性、時效性和有效性，與灌溉、施肥等自動控制設備成為兩張皮，不能真正達到精準控制灌溉、施肥的目的。本系統應用地理信息、空間數據處理、WiFi、藍牙、ARM、iOS等技術，建立土壤墑情、溫度、PH值等數據采集系統，并進行采集數據的分析處理和數據模型建立，研究水分監測探頭布設的方式，為農田生產管理系統的知識模型和決策模型的建立提供可靠的、實時的數據支持。最終實現農田灌溉、施肥、施藥診斷的綜合診斷決策。
1 設計原理
1．1 土地平整度
土地平整工程是土地開發整理項目的核心工程，目的是要達到便于機械化耕作，發揮機械效率，提高機耕質量，灌水方便均勻，利于壓鹽、排水、改良土壤等，滿足作物高產穩產對水分及土質的需要。土地平整工程是實現農田水利化、農業機械化的重要條件，是建設高產穩產、旱澇保收高標準農田的重要措施，內容包括田塊優化布局、田地平整及土壤改良等，其中田地平整是核心內容。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，要結合整個項目區的地形、土地利用方式和水土保持方案等綜合考慮。平整后的田塊應有利于作物的生長發育，有利于田間機械化作業，有利于水土保持，滿足灌溉排水要求和防風要求，便于經營管理。田面平整精度是田塊設計的一個重要指標。
在進行田塊設計時，可以用很多指標來描述其屬性，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，通常用各測點到擬合平面垂直距離的標準差來表示，平整度的數值越小，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計的田面沿水流方向傾斜的角度。因此，農田平整精度評價系統的核心算法包括田面平整度算法和田面坡度算法。
假設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，不妨設任意樣本點坐標為：(Xi，Yi，Zi)
根據最小二乘法的思想，樣本點到擬合平面上對應點的距離最小，即達到最佳擬合的目的。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，以標準差P(cm)作為衡量土地平整度的指標。則：
式中，di為田塊內第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為田塊內所有測點的數量。當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，常規平地方法和激光平地技術所能達到的田面最小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。
標準偏差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。首先計算田塊內各測點到擬合平面的垂直距離di(cm)，再根據小于某一數值(如3 cm)的測點的累積百分比數來反映地面平整度的分布狀況。以美國土地利用局規定的標準為例，激光平地后，田塊內偏差值小于1．5 cm的測點的累積百分數最大可達80％以上。
1．2 GPS面積測量儀原理
GPS面積測量儀采用GPS全球衛星定位系統能夠提供實時的經度、緯度、高程等導航和定位信息，利用GPS的定位功能，得出各個點的坐標，再通過數學方法計算出距離、面積等數據。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換成平面坐標。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行轉換，然而投影法計算十分復雜，難以在單片機中實現。為了簡化計算，將地球視為正球體。取地球半徑為6 371 116 m，則可轉換成平面坐標：
式中：R為地球半徑，x為經度，m；y為緯度，m。則在地球表面Y經度處，經度差、緯度差各為一度的方格面積為：
2 農田農情監控儀設計
農業具有地域分散、對象多樣、環境因子不確定等特點。傳統農業生產主要依靠人的經驗進行，無法對農業的生產全程進行實時精準監控，實現最優化的生產。快速、有效采集和描述影響作物生長環境的空間變量信息，是實踐“精細農業”的重要基礎。因此進行農田環境監控、隨時掌握農業環境因素變化，從而采取相應的最優對策顯得十分重要。
傳統的農田信息監測主要靠農業技術人員實地現場采集數據、A／D轉換、通過PC保存分析數據，或者通過數傳電臺的方式進行數據傳輸。這些方式存在很多問題：由于農業環境相對惡劣，嚴寒、高溫、高濕等氣候因素很容易導致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；無法實現遠程監測，即便使用數傳電臺，也會受到地形的限制，距離僅限于幾十公里之內；無法進行24小時實時監測。因此，農業環境的遠程實時監控問題亟待解決。
目前國內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，使得系統功能擴展時出現一系列不可預知的調試問題。在數據傳輸部分有的采用CDMA模塊，但成本太高，不宜推廣。
本設計提出了基于ARM、WiFi、藍牙的嵌入式農田環境信息采集發送系統設計方案，降低功耗和成本，可靠性強，易于升級。可采集的農田數據有：包括土壤墑情、鹽堿度、養分、土壤平整度、農田長勢圖片、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的農田數據管理信息系統設計
資源緊張是我國和世界面臨的嚴重問題。對于水資源本來就匱乏的新疆來說，干旱發生十分頻繁，水資源供求矛盾日趨尖銳。但另一方面，農業用水由于灌溉設施、技術、方式落后，又存在著嚴重的浪費現象，水分利用效率低。本研究以農田節水灌溉和提高水分利用效率為目標，建立新疆部分農田水分動態監測、預報和灌溉決策系統。從獲得最佳經濟效益和提高水分利用效率的角度進行綜合分析，提出灌與不灌、灌溉期和灌溉量等決策建議，服務于各級政府和農業生產部門。本項目將區域氣候模式、遙感測墑模型、土壤水分預報模型和灌溉決策模型有機結合在一起，實現了較長時段內的土壤水分預報和灌溉決策。灌溉決策引入了目標函數模型，將灌溉決策和經濟效益、水分利用效率有機地結合起來。體現了資源利用的科學性；將數值天氣預報產品應用到土壤水分預報模型中，可提供格點化的土壤水分預報信息，更便于大范圍應用；研究了單點土壤水分預報模型和區域土壤水分預報模型，實現了點面結合，可同時滿足地方和區域需要，并進行周年服務，有利于提高服務質量和效果。
以作物管理知識模型為智能決策支撐，建立基于田區作物產量、土壤養分和苗情監測的農田精確施肥決策支持系統。本系統可接收GPS信號、錄入與修改屬性數據，查詢和分析農田信息的時空差異，生成基于田區差異的肥料運籌和播種密度處方。
iOS是由蘋果公司為iPhone開發的操作系統。它主要是給iPhone、iPod touch以及iPad使用。就像其基于的Mac OSX操作系統一樣，它也是以Darwin為基礎的。iOS的系統架構分為4個層次：核心操作系統層(the Core OS layer)，核心服務層(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，輕觸開關及按鍵。與系統交互包括滑動(swiping)、輕按(tapping)、擠壓(pdnching)及旋轉(reverse pinching)。
通過監控儀采集到的各種數據傳輸到iPad后。基于iOS的數據軟件可對數據進行管理。
4 應用實例
系統已成功應用在某農業示范基地的農作物生產管理系統中，系統包括農田基礎數據采集、歷史數據對比分析、水分監測探頭布設。軟件主界面如圖2所示。
通過對農田數據的采集和分析。可以對農作物實施精細化種植。
5 結束語
針對目前的農田手持機功能單一，無法進一步給出診斷和決策，以上采用多變量數據采集的分析診斷決策系統。使用基于iOS的數據管理信息系統，并采用多種傳感器監測土壤，以達成多變量綜合采集分析的目的。經過對某農業示范基地實際應用，結果表明，基于iOS的便攜式多變量農田數據監控儀可以對農田實施更加精細化的種植，在解放勞動力和提高經濟收益方面，有著明顯的效果。