基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现

基于精确地理位置的农田信息采集是实施精准农业的基础工作。介绍了一种基于掌上电脑和DGPS/背夹式GPS设备的农田信息采集系统的开发过程。该系统在Microsoft eMbedded Visual C++ 3.0集成开发环境下，采用嵌入式GIS开发组件，实现了掌上电脑环境下GPS、GIS功能的集成。系统由GPS实时通讯和数据处理模块、基于WinCE的基本GIS功能模块和农田信息采集功能模块等组成模块，能够实现与DGPS设备或背夹式GPS设备的实时通讯和定位数据的解析，实现了矢量农田地理信息的显示、操作、查询等基本GIS功能，同时，系统能够采集农田地物分布和多种影响作物生长的环境差异性信息。该文还介绍了使用Microsoft数据库访问组件对象ADOCE对Pocket Access数据库的操作方法，实现了对嵌入式农田信息采集系统中农田信息的有效管理。     

集成GPS和GIS技术的变量灌溉控制系统(英)

结合中国现实国情，应用先进的单片机、GIS、GPS以及变量控制技术，设计了一种经济实用、先进的变量灌溉控制系统。系统设计采用AT89C51单片机作为系统微处理器， Jupiter GPS OEM二次开发作为GPS接收机，IC卡作为GIS数据传递媒体 ,并根据矢量法提出一种简单快速的田间定位和数据查询算法。灌溉机在田间工作时，系统可从GPS OEM得到位置信息，进行地块识别和位置判断;然后根据位置信息从IC卡的GIS信息中查询土壤属性数据或处方数据，结合机械行走速度、施水幅宽等进行运算，得出某一时刻的灌水量; 最后向控制器发出指令，实现变量节水灌溉。田间和实验室模拟试验结果表明，自行研制的低成本GPS OEM接收机，可获得与Ag GPS132相当的定位精度，控制系统能根据处方图的不同需水量, 通过电磁阀驱动电路得到变化的输出，实现自动变量施水,系统也能根据需水量进行手动灌溉。     

蔬菜安全生产管理与服务网络平台设计及实现

为了进一步推进蔬菜生产的安全化、信息化和现代化,促进蔬菜安全生产,该文以国家综合示范项目为基点,以国家蔬菜生产基地——寿光的专业数据为例,综合采用J2EE（Java2平台企业版,Java2 Platform-Enterprise Edition）技术、地理信息系统技术（GIS）、网络技术（Internet）、无线通讯技术、数据库技术（DBMS）以及可移动电话或手机GPS定位技术,研究、设计和建设了蔬菜安全生产管理与服务网络平台,包括基于WebGIS的蔬菜安全生产有线网络系统、基于GIS与无线通讯的氮肥平衡推荐系统和基于3DGIS的蔬菜安全生产可视化系统。该平台能够辅助政府机构实时对蔬菜的安全生产进行监控,提供决策依据,为蔬菜生产用户提供氮肥平衡推荐和蔬菜栽培技术指导,并将氮肥平衡推荐功能扩展到低端硬件手机用户,实现生产信息技术到田间地头的延伸。     

中国旱作节水农业项目管理决策支持系统的设计

“中国旱作节水农业决策支持系统”是以GIS为平台结合数据库技术、多媒体技术、超文本技术和模拟分析技术以及分布式网络技术等现代计算机综合技术的具体应用。整个系统提供了对全国旱作节水农业动态发展的各类信息进行输入、存储、查询检索、统计分析、辅助决策的环境，目的在于探索应用现代技术进行旱作节水农业资源评估和项目管理，为各级有关部门投资决策、技术咨询提供自动化管理和服务的方法。该文阐述了系统设计思想与其中的关键技术。     

基于网络RTK的离心式无人机变量施药可行性初探

针对植保无人机施药准确性和作业效率需求的提高,验证网络实时动态(Real-Time Kinematic,RTK)载波差分技术在无人机施药上的可行性,设计了一种基于网络RTK的离心式变量施药系统。采用STM32F103为控制核心,通过串口获取GPS定位信息,并连接DTU模块实现网络RTK技术,通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术调节占空比的大小,从而调节离心喷头的转速以及蠕动泵的流量。系统在工作时,通过农情信息完成处方图构建,通过高精度GPS模块获取经纬度信息,在施药过程中系统实时检索无人机所在位置,调出处方决策信息,按照处方信息调节离心喷头和蠕动泵的输出比例,从而控制无人机的施药粒径大小和施药量大小,并将作业数据上传至监控平台。通过试验表明系统能正确执行变量施药任务;在使用离心喷头进行变量施药任务时,受到系统稳定性和离心喷头特性的影响,在处方交界区域会存在一个不稳定区域;离心喷头在较高转速下进行变化时,在处方交界区域粒径大小的变化越平滑。该结果满足预期试验设计,可为植保无人机变量施药技术改良提供基础与参考。     

分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现

分布式智能型温室计算机控制系统以中心计算机和单片机智能控制仪为控制核心，基于人工智能和农业温室专家系统知识库，采用主从式监控管理形式，对温室内环境因子进行实时监测和智能化决策调节，为农作物创造最优化的生长条件，系统主要由环境因子实时监控模块，智能决策模块，数据处理模块，数据库管理模式，人工控制模块，系统参数设定模块等几部分构成，具有决策智能，易于操作，运行可靠，便于升级扩充等特点，已实现产品化。     

基于无线传感器网络的设施农业车辆定位系统设计与试验

为解决目前设施农业机械定位系统稳定性差、定位精度低和成本高等问题,该文设计了一套基于Nano PAN5375模块的无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)定位系统。该定位系统的3个信标节点负责和定位节点的无线测距,安装有定位节点的车辆构成的移动节点负责无线测距和定位坐标的计算。WSN节点采用的是基于Nano PAN5375的WD5032N模块。Nano PAN5375模块通过串行外设接口和微处理器进行通信,实现无线通信和无线测距的功能。设计了WD5032N模块的供电底板电路,满足其微处理器和Nano PAN5375模块的供电要求,以及通过串口和液晶显示屏模块通信实时显示定位坐标X和Y。节点软件以Keil MDK为开发环境,采用单片机C语言开发,实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。在定位节点上,采用基于线性调频扩频技术的对称双向双边测距算法来计算定位节点到各个信标节点之间的距离,并使用三边质心定位算法计算出未知节点的坐标位置信息,最后使用卡尔曼滤波算法对目标状态的观测值进行迭代,解决因为测量噪声对于定位精度造成的影响。在WD5032N上分别采用3DB天线和5DB天线进行室内和室外测距和定位试验,结果表明,基于Nano PAN5375的WSN定位系统稳定性好,定位精度高,在3个信标节点组成的合适的等边三角形3条边线范围内定位精度能达到1 m左右,而在接近三角形边线外侧的位置定位精度是1~2 m左右,可以满足一般设施农业车辆的定位精度要求。该文为农业机械精确定位的深入研究提供了参考。     

基于掌上电脑的农田信息快速采集与处理系统的研究

为了解决精细农业中空间信息及属性信息的快速获取与分析处理问题，提出并实现了基于掌上电脑的农田信息快速采集与实时处理系统。分析了具体实现系统功能的若干关键技术，如地理信息系统(GIS)、空间索引、Windows CE数据库技术、采样控制等因硬件环境的不同而产生的问题及相应的解决方案，又针对农场环境下的特殊性，提出并实现了一个面向对象的农场模型，以便于更好的描述农场环境及更方便的确定采样方案。作为一种实时系统，该系统可结合全球定位系统(GPS)和各种传感器，快速地测量和分析农田信息。应用该系统对两种GPS(Ag132与MAP330)进行了精度比较试验，快速而方便地证实了Ag132有更好的精确性与稳定性，更适于农业生产要求。试验的过程与结果也间接表明了该系统具有较好的实用性，为精细农业田间信息快速采集和处理设备的研制与开发奠定了基础。     

基于GPS和SMS技术的土壤养分水分速测系统的研究

为了满足精确施肥中对高密度、全面的农田土壤信息采集、数据无线传输和施肥决策的需要,本系统利用计算机技术和无线数传技术(SMS)对GPS、GIS和土壤养分水分速测系统进行有机集成.一方面通过AT891v55单片机,使差分GPS和土壤水分测定仪有机集成,实现土壤采样、水分测定、定位一体化;另一方面研制开发了集成针对石灰性褐土的速测值向常规值转换模型的土壤养分速测仪,并利用BENQ M22 SMS数传模块实现土壤养分速测系统与土壤养分管理决策系统的远程数据通讯和资源共享;同时利用Visual Basic和MapObjects控件集成GIS,实现具有空间属性的土壤养分数据可视化管理和分析处理.     

精细农业机械化作物生产计算机集成技术(英)

介绍了一项适用于精细农业机械化的新技术：计算机集成作物生产技术（CCP）。该技术融合信息采集、网络通讯、数据处理、过程决策、自动执行等功能，能有效地完成作物生产的精确机械化作业。计算机集成作物生产技术的3个主要功能是先根据需要实时采集传感数据，然后根据传感信息构建合理的行动决策，最后将传递上述决策并付诸实施。为了说明CCP的工作原理和结构设计，介绍了由伊利诺依大学机械电子系统实验室设计开发的CCP技术系统的关键功能。研究结果表明，在车辆自动导航，主从机械控制，在线式变量作业等利用农业机械实施田间作物生产作业的领域，有必要在农业机械上集成CCP技术，使机械自动地完成各项最优化项目作业。最后，根据以往工作中的经验，简要讨论了目前CPP技术发展所面临的问题和挑战。     

集成3S，ZigBee和射频识别的土壤采样远程智能管理系统

为实现农田土壤样本采样及管理智能化,设计了基于3S(GIS:geographic information system;GPS:global positioning system;RS:remote sensing)、ZigBee无线通信、射频识别(radio frequency identification,RFID)、4G等技术的土壤采样智能管理系统,该系统由采集节点、协调器网关、移动终端和远程管理软件组成,其中采集节点用来获取土壤样本的地理位置信息、RFID电子标签数据以及土壤环境的温湿度。协调器网关由ZigBee协调器连接4G模块组成,实现ZigBee无线网络转换为4G网络。4G模块经配置软件配置好服务器IP和端口号等信息后,将采集节点获取的数据传输到远程服务器的管理软件中。通过系统稳定性试验测试,丢包率为0.2%,该系统具有较高的可靠性。移动终端采用掌上电脑PDA(personal digital assistant),实现土样采集的现场监测管理。远程管理软件应用Web、SQL Server(structured query language server)、Socket等技术开发了数据接收显示、百度地图、数据自动成图(2D、3D)等功能模块。利用GPS信息在百度地图中可以实现采样点的实时跟踪,调用数据库数据或者本地试验数据可以自动生成有关土壤信息的空间分布图。该系统采集土壤样本信息的同时也可获取相应的土壤样本养分信息,将土壤养分信息数据按照RFID标签导入土壤管理软件中对应的土样信息栏,生成了土壤养分空间分布图,为后续变量施肥提供决策支持。     

处方农作车载嵌入式信息处理系统的研制

针对智能化精细处方农作系统田间作业机组对车载信息采集和处理的需要,以ARM(adanced RISC machines)工控系统和嵌入式GIS为核心,集成DGPS(differential global positioning system)系统和机组作业速度检测装置等,研制了一套处方农作车载嵌入式信息处理系统。该系统通过RS-232接口获取DGPS系统的动态GPS定位信息,通过USB接口输出农田信息分布图或输入作业处方图,通过CAN总线采用iCAN协议与农田信息采集系统和变量农作控制器互联。嵌入式GIS由eSupermap 6.0开发而成,运行于ARM工控系统的Windows CE 5.0操作系统;可通过网格划分和属性编辑实现GPS定位信息与农田信息的融合,生成农田信息分布图;还可通过坐标匹配进行机组当前作业位置在工作空间图中的网格识别,实现处方图的解译。模拟测试试验结果表明:该系统信息处理功能正常,能够完成农田信息分布图的生成和处方图的解译,机组作业速度检测绝对误差≤0.1km/h、处方图解译最大延迟时间≤1s、3km/h作业速度下的网格判别误差约为-0.5～0.6m,适合各种智能化处方农作系统田间作业机组的车载信息处理应用。     

基于虚拟仪器技术的采棉机智能监控系统开发与应用

为了解决嵌入式Win CE平台上虚拟仪器软件开发的技术瓶颈问题——由于个人电脑和高级精简指令集计算机机器(advanced RISC machines,ARM)平台差异性,嵌入式平台下的虚拟仪器开发存在着控制器局域网络(controller area network,CAN)总线高速通讯、跨平台链接库调用等技术难题,该文在ARM11平台和Win CE操作系统环境下,对CAN总线通讯和虚拟仪器触摸板模块(Lab VIEW touch panel module)进行了技术开发方法研究,介绍了嵌入式平台下CAN总线通讯机理及实现方法,开发了底层驱动和动态链接库,实现了嵌入式Win CE平台下CAN数据无缝链接交换关键技术。在此基础上,以中国农业机械化科学研究院研制的六行打包式棉花收获机为应用对象,开发了基于CAN总线的嵌入式虚拟仪器智能监控系统,并在新疆阿克苏地区阿拉尔垦区建设兵团农一师棉田进行了实地测试和功能验证,试验结果表明该虚拟仪器系统能够有效地实现多个CAN节点间的数据通信,可以完成对棉花收获机的工作状态在线监控和故障报警。该文为虚拟仪器技术在嵌入式平台上的应用提供了有效解决方法,对于大型智能机械装备自动化和信息化监控仪器开发具有指导和借鉴意义。     

面向异构平台的谷物测产数据采集及实现

为了实现谷物现场测产系统采集数据并向测产服务系统进行实时传递,以满足各种终端设备对数据的访问需求,采用Web技术开发了谷物测产数据服务系统,实现了工控机、移动终端和服务器等异构平台之间的数据交互和共享。测产数据由装载在现场联合收割机上的工控机实时采集,利用无线通讯技术通过Socket连接服务器进行数据传输,服务器端按照数据交换协议进行数据解析、产量计算、数据存储和可视化。测产数据服务由基于SOAP(simple object access protocol)协议的Web Service接口提供。该文采用GZIP(GNUzip)压缩技术降低测产数据访问服务时的带宽消耗,由数字签名和信息加密技术保障数据安全。测产实践表明,该数据采集和服务平台能够高效地接收处理实时传来的数据进行数据可视化、计算以及数据推送,实现了异构平台之间数据交互和共享。     

基于WebGIS的气象探测环境实景监控系统

随着气象综合观测体系的发展,原有的气象探测保障体系已不能满足气象探测建设的需求,建设稳定可靠的气象探测环境实景监控系统成为气象探测保障工作重点。该系统以网络视频监控平台技术为基础,将气象数据管理与WebGIS技术相结合,形成省、市、县三级统一的气象观测环境实景监控管理平台。系统借助气象内网,采用B/S结构设计,包括台站地理信息中心、基础信息维护、视频监控管理中心、系统管理四个模块,实现了台站信息管理、实时视频采集、存储、视频数据与气象数据叠加显示等功能,现场测试结果表明系统操作方便、稳定性好。     

变量喷雾装置响应性能的试验研究

采用GPS定位和雷达测速技术,构建了一套变量喷雾装置,并开发设计出其相应的软件控制系统。在试验研究过程中,通过实时监测喷雾参数来描述喷雾过程的动态特性,以此测定该变量喷雾控制系统的响应能力,并为喷雾处方图与变量喷雾装置的精度匹配提供可靠依据。试验结果表明,变量喷雾装置的定量喷雾误差控制在4.65%以内前提之下,响应延时会影响到变量喷雾作业的均匀性,选择合适的行进速度以及设置一定的预留时间能在一定程度上减少这种影响。     

基于ArcIMS的地图发布在浙江省海涂土壤资源动态监测系统中的应用

作为浙江省海涂土壤资源动态监测系统的子系统,针对浙江省“数字海涂”建设中用户的要求和实际工作的需要,采用ESR I ArcIMS4.0的体系结构和网络发布模块,同时进行了客户端界面二次开发和一些特殊功能的定制,实现了研究区土壤资源、海涂围垦等信息的电子地图网络发布功能。     

玉米精准变量播种技术与装备研究进展

变量播种技术可依据农田环境空间异质性调整玉米播种量,实现生长环境与播种量的合理精准匹配,是突破玉米单产提升瓶颈、提高资源利用效率、实现玉米生产提质增效的重要手段。该研究按照玉米变量播种技术实施过程,从土壤肥力指标精确获取技术、最佳播量决策技术以及播量精准调控技术3个方面对玉米变量播种技术与装备进行综述。阐述了基于近地传感和遥感的土壤肥力指标快速获取的研究与应用现状,并对影响土壤肥力指标由点到面转化的土壤属性空间插值方法和影响土壤肥力分类结果的农田管理区划分方法进行了系统总结;重点分析了基于农田管理区和基于模型的变量播种决策方法的研究现状与优缺点,依据国外变量播种决策研究思路,同时结合中国国情提出了基于模糊推理、田间试验和机器学习的3种播量决策方法;综述了国外变量播种控制系统的结构组成与工作原理,归纳了国内电驱排种系统在作业速度测量、排种器驱动方式等方面取得的研究进展,并重点剖析了变量播种过程中存在的播种滞后问题及其补偿方法。针对中国玉米变量播种技术仍处于初级阶段,最佳播量决策技术与播量精准调控技术薄弱的问题,提出未来在玉米变量播种领域需开展的研究重点和发展建议:1)研发符合中国国情的变...     

基于网络集成的弧齿锥齿轮数字化闭环制造技术

为突破弧齿锥齿轮数字化闭环制造过程信息继承性与集成性低的局限,实现弧齿锥齿轮齿面数字化闭环过程的集成运行和齿面制造信息的集成管理,该文提出了一种弧齿锥齿轮的网络化闭环制造模型,建立了网络化闭环制造的运行机制,采用基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol,传输控制/网络通讯协定)的分布式集成控制模式构建网络化闭环制造模型的通信网络,利用Web服务应用集成方法建立闭环制造过程信息集成机制,并通过设计开发闭环制造集成系统实现网络化闭环制造信息的集成统一管理。应用结果表明:该模型及其实现技术可行实用,实现了齿面制造过程的数字化和集成化运行,使齿轮副的齿面精度和啮合性能都得到明显提高。以该文的准双曲面齿轮副滚动检测试验为例,辐射噪声降低约7%,振动加速度幅值降低约15%。该研究为弧齿锥齿轮的网络化和集成化制造提供参考。