Использование мобильного телефона (smartphone) в точном земледелии

В статье рассмотрены различные возможности использования встроенных в смартфоны датчиков для решения возникающих задач.Введение в сельскохозяйственное производство точного земледелия и, в частности, технологий дифференцированного применения средств химизации требует большого объема информации о состоянии поля и растений. Для ее получения необходимо использовать специальное технологическое оборудование и получать услуги, такие, например, как системы мониторинга урожайности, позиционирования GPS, математическое обеспечение (GIS) для сбора информации о параметрах плодородия поля, состоянии посевов, хранения, обработки и принятия оптимальных управленческих решений.

Для принятия управленческих решений о дозах и сроках дифференцированного применения средств химизации необходимо знать характер распределения основных агрохимических показателей плодородия поля. К таким показателям в первую очередь следует отнести кислотность, содержание фосфора, калия, нитратного азота, органического вещества и микроэлементов. Количество параметров, которые необходимо измерять, зависит от моделей или алгоритмов используемых для определения дифференцированных доз внесения. Получение избыточной информации, которая не будет применена для решения конкретной задачи, не целесообразно.

В результате выполненного анализа разработана структурная схема наиболее распространенных способов получения данных о состоянии поля (рис. 1).

При разработке технологий дифференцированного применения удобрений необходимо, прежде всего, знать количество элементов питания, содержащихся в почве, и характер их распределения. Анализ и моделирование пространственных данных о пестроте параметров плодородия поля требует применения комплексного подхода и различных методов, характеризующих ту или иную особенность явления. Сложность такого анализа обусловлена несколькими факторами: наличием большого объема количественной и качественной информации о параметрах плодородия поля, многомасштаб-ностью и многопеременностью, наличием различных факторов влияния.

По мере развития информационно коммуникационных систем (ИКТ) появляются новые способы получения информации о состоянии поля, растений и окружающей среды такие, например, как цифровые фотографические методы, полусферическая фотография, стереозрение (StereoVision), световые сенсоры, кинетические сенсоры (Kinect sensor), сенсоры LIDAR, термография, спектроскопия в видимом диапазоне VIS/NIR, системы электронного носа и другие. Среди них особое место занимают смартфоны [1].

Среди технологий, изобретенных в последние несколько десятилетий, смартфоны приобрели большие доли рынка среди различных секторов пользователей по причине их полезности, простоты в использовании и доступности. Количество новых пользователей смартфонов продолжает расти. Предполагается, что, к 2017году число пользователей будет более 2 миллиардов человек во всем мире [2].

Один фактор, который повышает способность смартфонов помочь пользователям выполнять различные задачи, являются многочисленные встроенные датчики

Рис. 1. Способы получения данных о состоянии системы «почва + растение»

(например, датчики позиционирования, датчики движения, камеры и микрофоны). Многие отрасли народного хозяйства используют смартфоны для облегчения их работы, такие, например, как здравоохранение [3 ,4] и образование[5,6].

Недорогой смартфон, оснащенный различными датчиками, открывает новые возможности для сельских фермеров, которые ранее имели ограниченный доступ к последней сельскохозяйственной информации (например, о рынке, погоде и болезнях растений) и помощи со стороны специалистов сельского хозяйства и государственных служащих. Между тем, фермеры, крупные хозяйства, которые уже используют информационные технологии, теперь могут использовать смартфон с различными датчиками для повышения производительности и облегчения решения различных задач на протяжении всего сельскохозяйственного цикла.

В работе [1] авторы подразделяют возможные приложения смартфо-нов в сельском хозяйстве на четыре категории: сельское хозяйство, управленческие функции, информационное обеспечение, а также взаимодействие со службами распространения знаний. Сельскохозяйственными приложениями являются те, которые помогают в сельскохозяйственной деятельности, например, с целью выявления болезней и определения норм применения пестицидов. Приложения для управления хозяйством облегчают пользователям лучше управлять ресурсами и сельскохозяйственной деятельностью более эффективно и в целях получения большей прибыли и повышения продуктивности сельского хозяйства. Информационная система включают в себя системы, которые предоставляют необходимую информацию для фермеров, в том, числе информацию о хозяйстве, окружающей среде и о рынке. Система по взаимодействию со службами распространения знаний обеспечивает доступ к экспертам для получения консультаций необходимых для более эффективного ведения хозяйства.

Датчики, включенные в смартфоны, могут быть классифицированы на три категории: датчики дви- жения, экологические датчики, и датчики положения (Таблица 1).

Первая категория, датчики движения, обеспечивает измерение ускорения и вращающей силы. Примерами датчиков движения являются акселерометры, гироскопы, датчики силы тяжести, вращательные векторные датчики.

Вторая категория – это экологические датчики, обеспечивающие измерение состояния окружающей среды. Температура воздуха измеряется термометром, давление барометром, а освещенность - фотометром.

Третья категория – датчики положения определяют физическое положение устройства. Такие датчики включают GPS, и датчики ориентации [7].

Недавний рост популярности смартфонов привлек внимание исследователей к изучению возможности использования датчиков смартфона в своей работе. Многие датчики были применены успешно во многих областях. Спутниковая система навигации встроенная в смартфон (GPS), позволяет определять текущее местоположение устройства. Помимо прямого использования местоположения в приложениях (например, карты), данные GPS также используются для определения траектории движения агрегатов. [8].

Акселерометры, измеряющие силу ускорения, вызванную либо движением смартфона, либо изменением силы тяжести земли по 3-м осям, могут быть использованы в качестве датчиков [3] распознавания активности [9], вождения [10] и так далее. Встроенные камеры (передние и задние камеры) смартфонов значительно улучшились за последние годы. Разрешающая способность их сопоставима со специальными карманными фотоаппаратами. Поэтому получаемые при помощи смартфона изображения и видео после их обработки с использованием специальных компьютерных алгоритмов могут быть использованы в точном земледелии наряду с информацией, получаемой посредством систем технического зрения[11].       !►

Таблица 1. Общие датчики смартфона [11, 12]

Сенсор	Описание	Использование
Акселерометр	Определяет ускорение в м/с2	Обнаружение движения и ориентации смартфона
Гироскоп	Определяет частоту вращение в рад/ сек вокруг осей x,y,z	Обнаружение вращения, поворотов
Световой сенсор	Определяет уровень освещенности в Люксах	Контроль освещенности
Барометр	Измерение атмосферного давления в Па	Измерение изменения давления
Бесконтактный датчик	Измеряет расстояние до объекта	-
Датчик влажности	Измеряет влажность окружающей среды, (%)	Определение точки росы, абсолютной и относительной влажности
Глобальная Система Позиционирования (GPS)	Определяет координаты смартфона	Определение координат, наблюдаемого объекта
Датчик изображения (камера)	Фиксирует изображение и видео	Получение фотографии объекта или видеофильма
Аудиосенсор	Преобразует звуковой сигнал в электрический.	Запись голоса
Датчик идентичности отпечатка пальца	Определяет отпечаток пальца пользователя	Определение пользователя по отпечатку пальца

ВЕСТИ ИЗ ТИМИРЯЗЕВКИ

Таблица 2. Сравнение использования в сельском хозяйстве сенсоров смартфона и традиционных методов

Функции	Традиционные методы	Преимущества смартфона
Растениеводство
Определение болезни растений
Пользователь делает снимки пораженных болезнью листьев и отсылает их в лабораторию для дальнейшей диагностики Пользователь получает сообщение о типе болезни и совет по борьбе с ней.	(а)    Эксперт производит визуальную диагностику. (б)    Лабораторная диагностика биохимическая диагностика.	(а)    Фермер без опыта в диагностике болезни растений может осуществить диагностику. (б)    Фермер получает быстрее результат. Фермер может получить локализованную информацию о вредителях.
Калькулятор удобрений
Используя изображение листьев растения, приложение смартфона анализирует содержание хлорофилла и количество необходимых азотных удобрений.	(а)    Визуальный осмотр с использованием цветовой диаграммы листа (LCC) (б)    анализатор СПАД	( а) Они могут быть более точными и более надежными, чем визуальная инспекция (б) Они дешевле, чем СПАД анализаторы
Оценка потребности растений в воде
Датчик изображения смартфона используется для мониторинга яркости света, отражаемого растениями, приложение PocketLAI определяет индекс площади листьев (LAI), который является ключевым фактором для расчета требований сельскохозяйственных культур в воде. Приложение RaGPS вычисляет солнечное излучение и эквивалентное испарение от положения солнца с помощью GPS смартфона	(а)    Прямые методы измерения LAI непосредственно на листьях или посредством обработки изображения листа. (б)    Косвенное оценивающий LAI. Получение таких данных из близлежащих метеорологических станций.	Смартфоны в настоящее время являются весьма доступными (а)    Приложение PocketLAI не разрушительно для растения, поскольку оно использует косвенный метод. (б)    PocketLAI дешевле и более компактен, чем обычно дорогие приборы. С его помощью можно оценить потребности урожая в воде, где нет поблизости метеостанции.
Анализ зрелости урожая
Светочувствительные матрицы смартфона позволяют измерять степень зрелости плодов	(a)    Оценка невооруженным глазом. (б)    Количественные методы оценки, включая исследования механических, химических, и ароматических компонентов, некоторые из которых являются разрушительными для фруктов	Это - неразрушающий метод, который является идеальным для сохранения фруктов

Исследуемая часть растения

Рисунок 2. Схема работы системы определения болезни растений с использованием смартфона

Среди технологий, изобретенных в последние несколько десятилетий, смартфоны приобрели большие доли рынка среди различных секторо пользователей по причине их полезности, простоты в использовании и доступности․

Применение смартфона для получения информации о состоянии сельскохозяйственных культур обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами (Таблица 2)

В работе [12] рассмотрен способ определения болезни растений с использованием смартфона. Установленное на мобильный телефон программное обеспечение позволяет сфотографировать пораженную болезнью часть растения, например лист, немедленно проанализировать фотографию и принять необходимые меры для подтверждения потенциального заболевания и принятия соответствующих действий по устранению болезни.

Предложенный способ не нуждается в сложных алгоритмах и дорогом оборудовании для обработки изображений и поэтому может быть легко реализован с использованием языков программирования Java или С.

К сожалению, еще мало смартфонов с набором перечисленных в статье датчиков. Например, Смартфон Nokia 6 оснащен 4 ГБ оперативной памяти LPDDR3 и встроенным накопителем на 64 ГБ. Слот под карты памяти microSD позволяет расширить память до 128 ГБ. В наличии также весь традиционный набор интерфейсов, выключая 3,5мм аудио, MicroUSB, акселерометр, электронный компас, гироскоп, датчик освещенности и сенсор приближения.

Cмартфон Samsung Galaxy A7 имеет оперативную память – 2 ГБ; встроенную – 16 ГБ (11,2 ГБ доступно); слот для карт памяти micro SD/HC/XC (до 64 ГБ), cенсоры: акселерометр, датчики приближения и освещенности, датчик Холла. Но даже со смартфоном, у которого есть система GPS и фотокамера можно решать многие задачи точного земледелия.