基于智能手機(jī)的測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷濤 何方 孫修飛 萬(wàn)玉潔 陳瑤

摘 要：野外數(shù)據(jù)的調(diào)查與采集是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)信息獲取的重要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集已擺脫了傳統(tǒng)手工采集模式進(jìn)入到了數(shù)字化采集模式，但由于平臺(tái)的局限性，其發(fā)展受到了一定的限制。該文以智能手機(jī)為載體，以測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集為例，結(jié)合Webservice設(shè)計(jì)和研發(fā)了野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，探索以智能手機(jī)為載體的新移動(dòng)平臺(tái)特性，為今后的數(shù)據(jù)采集及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：野外數(shù)據(jù)采集；智能手機(jī)；空間定位；Webservice

中圖分類(lèi)號(hào) S147.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）10-0131-04

Design and Implementation of Field Data Acquisition System based on Intelligent Mobile Phone for Soil Testing and Formula Fertilization

Yin Tao et al.

（School of Resources and Environment，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China）

Abstract： The investigation and collection of field data is an important way to obtain basic information of agricultural production. With the development of science and technology，data acquisition has been away from the traditional manual acquisition mode into the digital collection mode，the development of which has been limited for the limitations of the platform. In this paper，combined intelligent mobile phones and field data collection by soil testing and formula fertilization，the field data acquisition system was designed and developed based on Webservice，the characteristics of which was explored to provide a new way of thinking for the future data collection and agricultural production.

Key words：Field data collection；Smartphones；Spatial orientation；Webservice

1 引言

數(shù)據(jù)的調(diào)查與采集是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)信息獲取的一個(gè)重要途徑，對(duì)很多部門(mén)在指導(dǎo)生產(chǎn)上都有很大的作用，既可以用采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析進(jìn)行科學(xué)生產(chǎn)，也可以促進(jìn)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，所以農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的調(diào)查與采集對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展至關(guān)重要。而目前工作人員大部分還是采用白天筆紙調(diào)查，晚上加班統(tǒng)計(jì)與記錄，最后通過(guò)電話(huà)等方式給省里或農(nóng)業(yè)部進(jìn)行匯報(bào)。這種傳統(tǒng)模式的數(shù)據(jù)采集不僅工作量大而且效率很低，也不能將調(diào)查數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳在第一時(shí)間用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字采集模式已逐漸進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)查當(dāng)中，其中最典型的是使用PDA進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，這種采集模式相對(duì)于傳統(tǒng)采集模式減少了數(shù)據(jù)采集工作量并提高了效率。但使用PDA進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集也有一定的缺陷，這一類(lèi)型的掌上電腦基本由公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)且價(jià)格相對(duì)較高，普通農(nóng)戶(hù)根本消費(fèi)不起，經(jīng)常只能看到少量農(nóng)技人員和生產(chǎn)大戶(hù)在田間使用；PDA的另一個(gè)缺陷是不能再野外使用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。而隨著智能手機(jī)和移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，以智能手機(jī)為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集將會(huì)被廣泛的應(yīng)用。智能手機(jī)擁有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，獨(dú)立的存儲(chǔ)及運(yùn)行空間，能夠自行安裝軟件、導(dǎo)航、游戲等第三方服務(wù)商提供的程序，并且可通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入手機(jī)[1]。智能手機(jī)是掌上電腦發(fā)展的產(chǎn)物，基本上具有掌上電腦的全部功能，甚至更強(qiáng)大，而隨著智能手機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大，它的價(jià)格也逐漸降低，500元便可以在市場(chǎng)上輕松的買(mǎi)到[2-3]。所以智能手機(jī)不僅能夠替代傳統(tǒng)的PDA，而隨著它的快速發(fā)展已經(jīng)完全普及。將開(kāi)發(fā)系統(tǒng)裝入智能手機(jī)中，既可以節(jié)約成本，又能將數(shù)據(jù)采集成果更廣泛更快速的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。

本文以測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)采集為例，采用基于智能手機(jī)的移動(dòng)GIS技術(shù)，結(jié)合Webservice探討與實(shí)現(xiàn)基于智能手機(jī)的測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立，不僅解決了常年困擾測(cè)土施肥項(xiàng)目快速采集數(shù)據(jù)的問(wèn)題，對(duì)其它部門(mén)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與智能手機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也具有重要的意義。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空間定位技術(shù) 移動(dòng)終端系統(tǒng)的空間定位是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)目標(biāo)在任何時(shí)間、任何環(huán)境、任何需求下都需要不間斷地獲取空間位置信息。在野外進(jìn)行工作時(shí)，隨著任務(wù)的改變，移動(dòng)終端系統(tǒng)的位置也會(huì)發(fā)生改變，所以在整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須依靠精確的定位來(lái)完成信息的交互。

智能終端定位是指通過(guò)移動(dòng)智能終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配合，確定用戶(hù)的實(shí)際位置信息（經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)），通過(guò)MMS、SMS、語(yǔ)音發(fā)給用戶(hù)或以這些為基礎(chǔ)來(lái)提供增值服務(wù)[4]。目前，確定目標(biāo)所處位置的技術(shù)也比較多，如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球移動(dòng)通信定位系統(tǒng)（Global System of Mobile communication，簡(jiǎn)稱(chēng)GSM）、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、超帶寬定位技術(shù)、RIFD定位技術(shù)、Zigbee定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)[5-7]，而目前使用最廣的為全球定位系統(tǒng)。

GPS定位服務(wù)已是智能手機(jī)的必備功能，系統(tǒng)有著完善的GPS定位模塊，因此基于智能下進(jìn)行相關(guān)位置服務(wù)較容易實(shí)現(xiàn)；而GSM定位服務(wù)也是智能手機(jī)的標(biāo)配，我們可以通過(guò)手機(jī)直接享用此服務(wù)。所以測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集信系統(tǒng)的空間定位可以直接使用智能手機(jī)上的輔助空間定位功能。在智能手機(jī)中，主要的定位方式有GSM定位、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位、GPS定位以及A-GPS定位。GSM定位與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的定位原理相同，都依賴(lài)于附近的基站網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)基站數(shù)量少的時(shí)候，該定位精度差有時(shí)甚至不能進(jìn)行定位，所以這2種定位并不適合該系統(tǒng)。GPS定位技術(shù)目前已經(jīng)成熟，且精度很高，由于GPS的信號(hào)不能夠穿透建筑物，因而不能在建筑物內(nèi)進(jìn)行定位；此外，GPS的定位速度較慢，移動(dòng)終端搜索衛(wèi)星信號(hào)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，降低了數(shù)據(jù)采集的效率。雖然GPS定位有一定缺陷但不影響在系統(tǒng)中使用。A-GPS（Assisted Global Positioning System）定位，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一種GPS的運(yùn)行方式。它可以通過(guò)利用移動(dòng)基站的資訊，再配合GPS衛(wèi)星，快速的給予接收機(jī)進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的GPS已能提供精確的位置信息，但有一定的局限性，在室內(nèi)和速度上較差，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，使用協(xié)助服務(wù)技術(shù)，可以減少定位所需時(shí)間，并且在蜂巢式網(wǎng)絡(luò)（智能手機(jī)使用的則是蜂巢式網(wǎng)絡(luò)）上使用定位服務(wù)已越來(lái)越普遍[8]，即A-GPS定位非常適合系統(tǒng)使用。

通過(guò)上面的分析，對(duì)于測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定位采取以下方案：優(yōu)先使用A-GPS定位技術(shù)，在附近沒(méi)有移動(dòng)基站時(shí)（即無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)），則采用GPS定位技術(shù)。

2.2 Webservice技術(shù) Webservice是一個(gè)平臺(tái)獨(dú)立的、自包含的、低耦合的、基于可編程的Web應(yīng)用程序，使用的標(biāo)準(zhǔn)為開(kāi)放的XML（標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言下的一個(gè)子集）標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置這些應(yīng)用程序，可用于開(kāi)發(fā)分布式的互操作的應(yīng)用程序[9]。Webservice技術(shù)可以使運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用不用借助專(zhuān)門(mén)或附加的第三方軟硬件，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換或集成。在不同應(yīng)用之間依據(jù)Webservice規(guī)范，對(duì)使用的任何語(yǔ)言、任何平臺(tái)或任何內(nèi)部協(xié)議，都可以進(jìn)行相互交換數(shù)據(jù)。它是一個(gè)自包含、自描述的網(wǎng)絡(luò)模塊，可以執(zhí)行具體的業(yè)務(wù)功能。因?yàn)榛诹艘恍┏Ｒ?guī)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有的技術(shù)，如XML和HTTP，所以Webservice的部署也很容易。Webservice技術(shù)的出現(xiàn)，讓W(xué)eb上的服務(wù)不再孤立，可以相互之間進(jìn)行調(diào)用與聯(lián)系，為信息的獲取與集成提供了一個(gè)快速、便捷的途徑，也為企業(yè)或多個(gè)組織之間的業(yè)務(wù)流程提供了一個(gè)通用機(jī)制。系統(tǒng)通過(guò)Webservice可實(shí)現(xiàn)不同采樣人員采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對(duì)比分析，也可以通過(guò)移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以智能手機(jī)為載體，結(jié)合Webservice技術(shù)，將野外采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給服務(wù)器。具體系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

由智能手機(jī)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)PC端或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，再由專(zhuān)業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與管理。在數(shù)據(jù)采集中，由于智能手機(jī)的特性，數(shù)據(jù)采集中還可以對(duì)圖像、影音等文件的采集，豐富采集數(shù)據(jù)的類(lèi)型，便于數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)分析。

3.2 功能模塊劃分 根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，測(cè)土配方施肥野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有基本GIS功能、空間定位功能、數(shù)據(jù)采集功能、系統(tǒng)管理4個(gè)模塊，具體情況見(jiàn)圖2。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是基于測(cè)土配方施肥采樣點(diǎn)位調(diào)查表建立野外數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫(kù)，然后根據(jù)移動(dòng)手機(jī)的界面、功能、4G移動(dòng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用等其它方面進(jìn)行了界面和功能的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)采集的掌上應(yīng)用，加快了采集速度，通過(guò)實(shí)時(shí)上傳或本地存儲(chǔ)解決了采集完成后，還需大量人力和時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入的問(wèn)題。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)建立：通過(guò)測(cè)土配方施肥采樣點(diǎn)位調(diào)查表了解數(shù)據(jù)格式及長(zhǎng)度，建立測(cè)土配方野外數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)及管理人員對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

（2）功能與界面設(shè)計(jì)：參考智能手機(jī)相關(guān)軟件界面及野外數(shù)據(jù)采集表中的格式，對(duì)野外數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和功能數(shù)據(jù)分類(lèi)，設(shè)計(jì)野外數(shù)據(jù)采集填寫(xiě)方式和邏輯關(guān)系處理，實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)的快速采集。

（3）數(shù)據(jù)管理：對(duì)采集后的數(shù)據(jù)實(shí)行統(tǒng)一管理，用戶(hù)端可以通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改、無(wú)用數(shù)據(jù)的刪除（包括采集過(guò)程中的錯(cuò)誤）、實(shí)時(shí)傳送與下載；管理端可以通過(guò)管理界面對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除和批處理。

圖3～圖5是采集模塊使用過(guò)程中的相關(guān)界面展示。圖3為數(shù)據(jù)添加和管理界面，用戶(hù)通過(guò)界面中的數(shù)據(jù)條進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的編輯與刪除，通過(guò)右上角的十字圖標(biāo)進(jìn)行新數(shù)據(jù)的添加，界面還展示了數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)；圖4顯示的為數(shù)據(jù)的填寫(xiě)方式，在采集過(guò)程中主要有3種填寫(xiě)模式：（1）直接輸入，通過(guò)手機(jī)輸入法對(duì)變數(shù)很高的字段直接輸入，如采樣地塊戶(hù)主名稱(chēng)；（2）選擇填寫(xiě)，主要針對(duì)縣區(qū)固定的字段數(shù)據(jù)在點(diǎn)擊輸入框后顯示一定數(shù)據(jù)，選中所需數(shù)據(jù)，如郵政編碼、采樣目的；（3）關(guān)鍵字輸入，屬于選擇輸入的一種，對(duì)于某些字段數(shù)據(jù)較多且復(fù)雜，通過(guò)關(guān)鍵字篩選所需數(shù)據(jù)，如村名稱(chēng)，一個(gè)縣區(qū)的村很多，通過(guò)輸入關(guān)鍵字直接獲取村名。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，加入一定的邏輯關(guān)系，讓有些數(shù)據(jù)可自行獲取，如在填入村名后，刷新后則鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)顯示，節(jié)約數(shù)據(jù)采集時(shí)間；圖5為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤后處理界面，在野外采集錄入過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏填現(xiàn)象，對(duì)后期數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)麻煩，通過(guò)設(shè)計(jì)關(guān)鍵字段必須填寫(xiě)，當(dāng)這些字段為空值，在保存時(shí)彈出錯(cuò)誤提示對(duì)話(huà)框，提醒科技人員進(jìn)行修改。

<5 結(jié)語(yǔ)

基于智能手機(jī)的測(cè)土配方野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用了最新且應(yīng)用大眾化的移動(dòng)平臺(tái)，加速了該系統(tǒng)的推廣與使用，特別是與移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，解決了傳統(tǒng)PDA在戶(hù)外不能使用網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)速慢的問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅可以用于測(cè)土配方施肥項(xiàng)目中，普通農(nóng)戶(hù)也可以使用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)查看。但是，該系統(tǒng)在推廣使用時(shí)也存在了一定的缺陷，如4G網(wǎng)絡(luò)的使用，4G網(wǎng)絡(luò)加速了Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，利于農(nóng)戶(hù)對(duì)信息的獲取與查看，但4G網(wǎng)絡(luò)的使用加速了流量的消耗，而目前流量費(fèi)用較高，農(nóng)戶(hù)并不愿意開(kāi)啟使用。建議農(nóng)業(yè)部門(mén)通過(guò)與移動(dòng)公司的合作，建立專(zhuān)門(mén)的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)，解決網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)用，讓數(shù)字化采集真正得到廣泛的應(yīng)用。

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（責(zé)編：張宏民）