Использование мобильного телефона в системах точного земледелия

В настоящее время смартфоны стали полезным инструментом в сельском хозяйстве благодаря их мобильности  и доступной стоимости. Их вычислительная мощность позволяет  решать различные  практические  задачи, возникающие при внедрении систем точного земледелия. Кроме того, смартфоны в настоящее время оснащены различными типами физических датчиков и сенсоров, которые делают их перспективным инструментом для оказания помощи в решении разнообразных сельскохозяйственных задач. 
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 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, многомасштабностью 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.
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. 
    Один фактор, который повышает способность смартфонов помочь пользователям выполнять различные задачи,  являются многочисленные  встроенные датчики (например, датчики позиционирования, датчики движения, камеры и микрофоны). Многие отрасли народного хозяйства используют  смартфоны для облегчения  их работы, такие, например,  как здравоохранение и образование. 
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 авторы подразделяют  возможные приложения смартфонов 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
в три категории: датчики движения, 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. 
Недавний рост популярности смартфонов привлёк 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. 
Акселерометры, измеряющие силу ускорения, вызванную либо движением смартфона, либо изменением силы тяжести земли по  3-м осям, могут быть использованы  в качестве датчиков, распознавания активности, вождения  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. 
Применение смартфона для получения информации о состоянии сельскохозяйственных культур обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами (Таблица 2)


В работе 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. 
Схема работы системы представлена на рисунке 2. 


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.