Создание системы мониторинга состояния полей и хода полевых работ с помощью мобильного устройства

Основанием для выполнения работ является необходимость повышения эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения путем применения современных средств связи и соответствую-щих технических устройств.

В настоящее время точность и оперативность решения производственных задач агрономами Томской области затруднены из-за большой территориальной удаленности объектов сельскохозяйственного производства, использования для ведения мониторинга полей бумажных носителей и невозможностью применения в полевых условиях компьютера и Интернета.

Решением данной проблемы стали создание базы данных и разработка возможности оперативного, эффективного контроля и управления сельскохозяйственным производством. Мобильное устройство ("Планшет агронома") позволяет обеспечивать оперативный сбор, накопление и передачу данных о ходе полевых работ; анализ имеющегося картографического, архивного и справочного материала; контроль за использованием трудовых и материальных ресурсов.

Цель выполнения НИР – создание базы данных и возможности оперативного, эффективного контроля и управления полевыми работами для устойчивого развития сельских территорий, развития производства и обеспечения продовольственной безопасности региона на основе применения инновационных достижений науки и техники.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Собрать запросы ведущих предприятий Томской области для формирования актуальной базы справочных данных из следующего перечня: «Культуры», «Структуры посевных площадей», «Технологические операции», «Номенклатура», «Болезни и вредители», «Нормы высева семян», «Нормы внесения удобрений», «Погодные условия» и т.д.
2. Систематизировать собранную справочную информацию и произвести первоначальное наполнение базы данных.
3. Проработать возможности передачи информации с полей с помощью планшетов (фотографии о ходе работ, состоянии полей, вредителях и болезнях, консультации, отчеты, согласования и т.д.).
4. Разработать практические рекомендации по использованию и совершенствованию Планшета агронома. Наметить перспективы развития проекта.

1. Литературный обзор

Для создания "Планшета агронома" был проведен анализ мировых аналогов и методов их применения, близких по целям применения и техническим возможностям. К примеру, специалисты фирмы "Киевстар" разработали технологии М2М (machine-to-machine), которые позволяют агрономам передавать информацию друг другу и в центральный офис для принятия решений [1]. С его помощью аграрии фирмы UkrLandFarming смогли внедрить в производство принципы точного земледелия.

Предварительно были составлены карты минерального состава почв, в соответствии с которыми при посеве производили точечное внесение семян. Для контроля расхода топлива и оценки эффективности посев-ной/сбора урожая был внедрен GPS-мониторинг. Проект включал сбор информации с 1200 полей.

В разработке специалистов фирмы "Аксиома" было предусмотрено отражение следующей информации для агронома и учетчика [2]:

1. Сбор фактических данных о выполненных работах в режиме ре-ального времени (обмен данными с центральной базой с использованием мобильной связи GPRS);
2. Учет ТМЦ (товарно-материальные ценности) при погрузке из склада на машину и Расхода ТМЦ, при выдаче их из машины агрономам; непосредственно на полях и т.д.;
3 Сбор и оценка агрономических данных о состоянии посевов на полях с целью их визуального отображения на географической карте в центральной базе;
4. Использование GPS (контроль географических координат) для организации контроля за передвижением агронома и учетчика по полям;
5. Определение координат поля (с использованием GPS) для формирования географической карты полей и объема выполненной работы тракторами;
6. Использование единых классификаторов, созданных в центральной базе 1С, и передача только необходимых элементов справочников индивидуально для каждого агронома или учетчика;
7. Удобные отборы для больших справочников с целью упрощения ввода информации и уменьшения вероятности ошибки в т.ч. для справочников: агрегат, трактор, прицепные устройства, механизатор, номенклатура;
8. Настройка Констант в т.ч. выбор для КПК, включающая: текущего пользователя; текущее поле; настройки периода вывода информации; настройку режима передачи данных о маршруте движения.

Ввод фактических данных потребовал максимальной автоматизации в т.ч:

1. Получение на смартфон информации из 1С в виде Задания на выполнение работ, в котором уже указаны: технологическая операция, поле, агрегат;
2. Ежедневный ввод, на основании задания, документа Факт выпол-ненных работ, в котором указывают: данные бортового компьютера для вычисления объема работ, перечень материалов и их остатки, из которых рассчитывают их расход;
3. Организация удобных отборов, в т.ч.: Агрегата по выбранной технологической операции; Трактора по выбранному агрегату; Прицепных устройств по выбранному агрегату; Механизаторов по выбранному трактору; ТМЦ по наличию их остатков у агронома; Ввод зависимых операций, например, планирования и учета при работе тракторов как основной техники, работы по повозке материалов как зависимых операций, что упростило ввод информации и позволило контролировать объемы выполненных работ;
4. Перечень Справочников: Поля; Культуры; Структуры посевных площадей; Технологические операции; Агрегаты; Модели техники; Марки сельскохозяйственной техники; Техника; Маршруты; Номенклатура; Со-трудники; Контрагенты; Организации; Структурные единицы; Пользователи; Классификатор единиц измерения; Ячейки;
5. Документы: Задания на выполнение работ; Фактическое выполнение работ; Координаты полей; Протокол осмотра поля; Прием остатков ТМЦ агрономом; Приходные ордера; Расходные ордера.

Аналогичный программный продукт предложила европейским агрономам фирма FarmSoft Farm Management ERP [3]. Он позволяет осуществлять удаленный доступ к информации от отдельных хозяйств через компьютер, планшет iPad или смарт-телефон. Для структуризации информации были использованы рубрики:

"Опрыскивание", "Полив", "Посев", "Уборка", "Наблюдения". По мнению разработчиков, удаленный доступ обеспечивает достижение максимального качества, доходности и контроль для реализации лучших практик и стандартов безопасности пищевых продуктов.

"Электронный Агроном" – усовершенствованная разработка фирмы «AgroSoftex» [4]. Первоначально была ориентировано на персональный компьютер. Но поскольку у агронома в поле нет возможности пользоваться им, а решение необходимо принимать здесь и сейчас, специалисты фирмы разработали программное обеспечение, которое устанавливается на карманные компьютеры (КПК), коммуникаторы и другие электронные устройства, созданные под платформу Windows Mobile.

Программа содержит разделы: Программы-определители; Про-граммы-справочники; Программы-энциклопедии. К примеру, определитель вредителей включает в себя четыре подпрограммы: Определитель вредителей яйцекладке насекомым; по куколе; по личинке; по взрослому насекомому (рис. 1). Предполагается, что любой человек, даже не имеющий специального агрономического образования, сможет определить, какое насекомое отложило яйцекладку, кому принадлежит данная куколка и т.п., а, значит, вовремя принять правильное решение по предотвращению возникшей ситуации или же, наоборот, при понимании вредоносности или невредоносности насекомого на данной культуре, сэкономить средства на препараты без ущерба окружающей среде.

Ценность энциклопедий, по мнению авторов, заключается в том, что на сегодняшний день ни по одной культуре нет полного систематизированного справочника ни в бумажном, ни в электронном видах. Фирма преду-сматривает подписку на пакетное программное обновление и их постоянное обновление по достаточно высоким ценам.

"Дневник Агронома" является программой для ведения электронной книги истории полей севооборотов (рис. 2) и обмена информацией между сотрудниками, работающими на полях и в офисе с помощью беспроводной связи [5]. «Дневник Агронома» предназначен для широкого круга пользователей. По мнению разработчиков, инвесторы получают понимание того, что происходит в растениеводстве; руководители – инструмент для контроля и быстрой адаптации новых сотрудников агрономической службы. Агрономам приложение позволяет упрощать работу и всегда иметь с собой историю посевов, обработок и урожайности культур по каждому полю. Сотрудники планово-экономического отдела получают информацию для анализа. Механизаторы и водители, особенно новички, быстрее находят дорогу до нужного поля, что увеличивает время их полезной работы.

Возможности «Дневника Агронома» включают:
• наглядное отображение структуры посевных площадей (фактическое размещение культур на любую дату);
• ведение дневника технологических операций и расхода материалов (удобрений, семян, средств защиты растений);
• импорт электронных карт полей из специализированных ГИС про-грамм через формат KML;
• создание и изменение контуров полей при помощи редактора карты;
• добавление фотографий с привязкой к операции или конкретной точке поля;
• GPS/ГЛОНАСС навигацию по полям и дорогам хозяйства [6] Спра-вочники

«Дневник Агронома» предусматривает следующую структуру:

• Справочник «Поля (участки)»
• Справочник «Структуры полей»
• Справочник «Параметры паспортной ведомости»
• Справочник «Механический состав почв»
• Справочник «Культуры»
• Справочник «Плановые технологические операции»
• Справочник «Фактические технологические операции»
• Справочник «Комплекс марки техники и орудий»
• Справочник «Соответствие техники и сотрудников»
• Справочник «Файлы»

В 2007 году появились первые программные продукты украинской компании «Агрософтэкс» – электронные энциклопедии, которые содержат информацию о сортах, вредителях, болезнях и технологиях выращивания по каждой культуре, позволяют с помощью специальных фильтров выбрать то, что необходимо агроному в данный момент, например, выделить среди многообразия сортов только ранние, или только с красной чешуей, или только длиннодневные (рис. 3).

Проведенный анализ литературных источников позволил определить перспективные направления работы, их технический уровень, возможности хранения и передачи информации, а также избежать неудачных решений. Примеры их учета в разработке "Планшета агронома" будут приведены ниже в соответствующих разделах отчета.

2. Определение контента "Планшета агронома"

В связи с успешно проводимой в Томской области инвентаризацией земель сельскохозяйственного назначения на основе программы "Агроуправление" было принято решение обеспечит максимальную совместимость разделов в "Планшете агронома" и "Агроуправление". Ведущим специалистам Томской области были предложены для анализа названия разделов с просьбой выбрать необходимые для работы. В итоге для контента "Планшета агронома" за основу были оставлены следующие разделы:

Справочники
Справочник «Поля (участки)»
Справочник «Структуры полей»
Справочник «Параметры паспортной ведомости»
Справочник «Механический состав почв»
Справочник «Культуры»
Справочник «Плановые технологические операции»
Справочник «Фактические технологические операции»
Справочник «Комплекс марки техники и орудий»
Справочник «Соответствие техники и сотрудников»
Справочник «Файлы»

Документы планирования
Документ «План выпуска продукции растениеводства»
Документ «Технология выращивания»
Документ «Технологическая карта растениеводства»
Документ «Агроэкологический паспорт полей»
Документы учета фактических данных
Документ «Структура посевных площадей»
Документ «Агроэкологический паспорт полей»
Документ «Факт выпуска продукции растениеводства»

Схемы оперативного учета выполнения работ
Документ «Оперативный план работ на полях»
Документ «Факт работ на полях»
Документ «Задание механизатору»
Документ «Задание водителю»
Документ «Оперативная сводка о выполненных работах»
Документ «Регистрация нормативов»
Документ «Агроэкологические факторы полей»

Отчеты подсистем планирования и учета факта
Отчет «Фактическая структура посевных площадей»
Отчет «Плановая схема ротации севооборота»
Отчет «Фактическая схема ротации севооборота»
Отчет «Планируемая потребность в удобрениях N, P, K»
Отчет «Фактическое содержание N, P, K на дату»
Отчет «Сравнение содержания N, P,K между двумя датами»
Отчет «Плановый сбор по культурам»
Отчет «Фактический сбор по культурам»
Отчет «Фактический выпуск продукции по полям»
Отчет «Факт работ на полях»
Отчет «План работ на полях»
Отчет «План потребности в удобрениях»
Отчет «План потребности в семенах»
Отчет «План потребности в ГСМ»
Отчет «Потребность в СЗР»
Отчет «Фактическое использование ТМЦ»
Отчет «Оперативный отчет о ходе сельскохозяйственных работ»
«Отчет по технике»
Отчет «График полевых работ (новый)»
Отчет «Агроэкологические факторы полей»

Карта полей

Специалисты ООО "Межениновская" предоставили по всем разделам сведения, которые были введены "Планшет агронома" в качестве примера. В качестве дополнительных справочных материалов нами были использованы доступные Интернет-ресурсы, такие, как "Справочник агронома", "Болезни и вредители сельскохозяйственных культур) и т.д. Картографическими материалами стали карты полей, составленные и предоставленные Федеральным государственным бюджетным учреждением "Станция агрохимической службы "Томская" (почвы, рН, K2O, P2O5, гумус). Таким образом было произведено наполнение "Планшета агронома" актуальной информацией.

3. Разработка программного обеспечения

Приложение «Планшет агронома» – это универсальное приложение, которое предназначено для работы в полевых условиях. Оно позволяет ис-пользовать в сельскохозяйственных работах преимущества портативной электроники. Наличие архивов (история полей, карты содержания N,P,K и т.д., важные документы), справочников, фактических показателей и т.п. существенно упрощает и ускоряет процесс принятия решений агрономом. Первоначально приложение проектировалось именно как подручный инструмент для работников аграрного производства, которым необходимо вести учет различной объемной информации, накапливаемой в процессе работы. Для объединения всей этой информации в единый цельный продукт, пригодный для использования именно в условиях Томской области, и было разработано приложение «Планшет агронома».

Изначально задача включала в себя разработку приложения, имеющего возможность связи по каналу 3G/4G с другими устройствами. Приложение должно было содержать необходимую справочную информацию, а также иметь простой и удобный способ добавления новых справочников. В первую очередь рассматривались практичность и надежность работы такого приложения, а также – возможности:
• длительной работы в условиях отсутствия дополнительной подзарядки;
• персонализации данных на каждом устройстве;
• дальнейшей синхронизацией информации по выбору с другими устройствами.

В связи со всем вышеперечисленным, основная техническая задача заключалась в следующем:
1. Разработать приложение, применимое для работы в условиях местности;
2. Предложить механизм сбора, отображения и добавления справочной информации, разделенной по разделам, которые указаны заранее в памяти программы;
3. Реализовать динамическое добавление справочной информации путем накопления файловых данных в памяти устройства в сочетании со структуризацией этих данных внутри приложения;
4. Осуществить поддержку различных типов карт, необходимых для комфортной работы на местности. Реализовать базовые возможности работы с картой, необходимые для применения на практике;
5. Предуусмотреть возможность подгрузки файлов в приложение в режиме online с других устройств посредством синхронизации с другими устройствами, а также реализовать обмен справочной и другой информации между устройствами посредством сети интернет по технологиям 3G/4Gподключений;
6. Учесть особенности местности, а именно, относительно меньшие возможности по подзарядке планшета, ограниченность использования памяти и производительных ресурсов устройства.

В процессе анализа начальной задачи приложения было выявлено несколько моментов, существенно повлиявших на процесс, условия разработки, необходимые условия и конечный результат. В частности, было установлено, что на территории применения приложения фактически отсутствует 3G/4G любого из операторов, действующих на территории Томской области (рис. 4-7).

Как видно из рис. 4-7, на рассматриваемой территории возможно соединение лишь 2G-технологии, однако не все операторы готовы предоставить эту связь, а в случае предоставления – гарантировать ее стабильность. Кроме того, на сегодняшний день 2G-связь морально устарела и для подключения к сети Интернет практически не используется ввиду нестабильности, дороговизны и недостатков технического характера. Постоянные попытки наладить соединение у устройства будут вызывать разрядку аккумулятора и негативно отражаться на возможностях эксплуатации приложения.

В результате проведенного анализа было принято решение отказаться от необходимости online-синхронизации устройств в пользу offline-систематизации справочной информации на каждом из устройств в отдельности. В свою очередь, упор на offline-систематизацию данных позволил максимально упростить способ взаимодействия планшетов, сведя его к подключению друг к другу через компьютер-посредника, который будет хранить в себе всю необходимую справочную информацию, и, по необходимости, добавлять ее на другие устройства.

4. Выбор целевого устройства

При рассмотрении различных вариантов целевой направленности приложения было необходимо в первую очередь определить целевое устройство для разработки приложения, а во вторую – целевую платформу, фреймворк, среду разработки и средства разработки. В итоге в качестве эталонного устройства для разработки приложения был выбран планшет Samsung Galaxy Tab 4 под управлением операционной системы Android (рис. 8).

Было установлено, что данный планшет обладает основными характеристиками, необходимыми для работы в условиях сельской местности, в частности, небольшими габаритами, позволяющими легко использовать его в полевых условиях без опасности выронить из рук, выполняя какие-либо работы. Посредственная производительность компенсируется длительностью работы (в сочетании с качественным экраном это представляет большую ценность, чем энергозатратный высокопроизводительный процессор, поскольку основной задачей являлась необходимость разработки легкого приложения, не требующего высоких затрат производительности. В противном случае производительные возможности планшета были бы потрачены впустую).

При выборе устройства также было учтено, что конечное приложение на операционной системе Android значительно проще реализовывать в условиях открытости самой операционной системы, что в корне неправильно, если говорить об операционной системе iOS, характерной для Apple-устройств.
В итоге было принято решение отказаться от Apple-устройств в пользу устройств на операционной системе Android.

6. Выбор платформы и среды для разработки приложения

При разработке приложения на Android были возможны некоторые вариации способов разработки приложения (это касалось как платформы начальной реализации приложения, так и способа реализации приложения для отладки программы в процессе разработки).

Изначально рассматривался выбор разработки приложения в условиях так называемого нативного приложения, когда разработка под Android ведется исключительно в средствах, предоставленных самим производителем операционной системы. Как правило, такая разработка осложнена узостью применения инструментов разработки, однако гарантирует качество приложения в условиях разработки при строго определенных стабильных условиях.

Вторым вариантом стала разработка с применением вспомогательных фреймворков, которые осуществляют разработку на Android при помощи вспомогательных элементов, расширяющих ее возможности. В частности, рассматривалась платформа XamarinPlatform, использующая функции языка C# для реализации приложений под Android, iOS, Windows.Forms, Macи прочих целевых платформ без существенных различий в процессе разработки. Такая универсальность существенно упрощала процесс разработки, позволяя концентрироваться на целевых задачах программного обеспечения (основная поддержка кода относительно платформы была заключена в самом фреймворке).

Существенным плюсом стала мультиплатформенность, то есть воз-можность разработки на Xamarin сразу же нескольких целевых платформ. Это давало возможность дальнейшего развития приложения при необходимости реализации поддержки приложения на iOS-устройствах или с ПК под управлением Windows.
Выбор среды разработки заключался в основном в решении вопроса – что предпочтительнее – использовать предложенную самой компанией Xamarin интегрированную среду разработки, или же лучше рассматривать инструменты Xamarin в контексте применения его в качестве плагина разработки для MicrosoftVisualStudio 15? Было принято решение рассматривать MicrosoftVisualStudio в качестве основного инструмента разработки приложения. Расширенная поддержка языка C# позволяла более просто и эффективно реализовывать то, что изначально не было предусмотрено в условиях разработки в XamarinStudio. Другим существенным преимуществом VisualStudioв cтали более эффективные способы и инструменты отладки приложения в процессе разработки.

7. Выбор способа отладки промежуточных результатов

Существенным вопросом разработки стал выбор способа отладки приложения. Как правило, предпочтение отдается отладке приложения на самом Android-устройстве путем подключения Android-устройства через USB-канал. Это гарантирует качественную передачу данных без потерь, а также возможность отладки программы и вывода промежуточных результатов сразу же на экран устройства для тестирования показателей программы.

В качестве аналога было выбрано эмулирование Android-устройства в самой среде разработки. Такой способ является более ресурсозатратным, поскольку требует постоянной поддержки эмулирования операционной системы. Также эмулирование системы не позволяет рассматривать взаимодействие пользователя и приложения в процессе разработки, лишь эмитируя действия пользователя в программе, что может негативно сказаться на результатах отладки и устранения ошибок в программе. Естественно, что в данных условиях разработки предпочтение было отдано отладке через Android-устройство.

8. Моделирование основы дизайна программы

В связи с отсутствием строгих рамок к требованию дизайна приложе-ния, первоочередной проблемой стала разработка основного дизайна про-граммы.
Одним из условий разработки приложения была малая энергозатрат-ность. Это сразу отсеяло такие способы реализации дизайна, как «карусель», при которой происходит анимированная смена одного раздела на другой, другие анимированные схемы. Они давали бы излишне высокую нагрузку на процессор планшета. Было принято решение разрабатывать дизайн на основе простейших элементов распределения объектов: сетка, лист, таблица, список и прочие, в частности. Разработанные варианты представлены на рис. 10-13.

За основу было принято сочетание табличного и спискового дизайна (рис. 14).

Каждая отдельно взятая категория представляет собой лист с перечнем файлов, принадлежащих ей (рис. 15). Каждый перечень вмещает в себя уже добавленные файлы, а также содержит возможность добавления новых файлов, созданных или добавленных самостоятельно. Каждый взятый в отдельности файл можно открывать в любой программе, имеющейся на планшете по усмотрению пользователя. Если же таковой не находится, приложение по возможности использует для корректного отображения документов стандартные инструменты.

Карты было решено представить в виде вкладочного дизайна, поскольку изначально стояла задача реализации нескольких видов карт, что разумно укладывалось в одно представление на смежных вкладках. Для удобства рассмотрения карты было принято решение перевести приложение в горизонтальную плоскость, чтобы большая часть карты была захвачена при рассмотрении. Смена ориентации в момент рассмотрения карты была заблокирована для защиты от сброса места рассмотрения карты. Размер каждой карты составлял около 40 МБ и поз-волял в деталях без потери информации работать с интересуемым участком (рис. 16, 17).

9.Сравнение приложения с конкурирующими приложениями-аналогами

Существенным преимуществом разработанного приложения по отношению к приложениям-аналогам [1-6] стала заточенность его приложения под условия Томской области. Минимум использования ресурсов процессора и аккумулятора позволил более эффективно использовать «Планшет агронома» в полевых условиях приложения в качестве гибрида справочника, менеджера заметок, атласа местности и места хранения документов. В частности, упрощение коммуникаций и использования файлов позволило минимизировать энергозатраты исключительно до уровня работы самого экрана и беспрерывно использовать планшет в течение шести-семи часов работы (при полной зарядке в начале).

Кроме того, разработанный "Планшет агронома" обеспечивает гиб-кость и удобство в использовании приложений для просмотра файлов. В случае необходимости не составляет труда добавить новое приложение для конкретного вида файлов, если такое стороннее приложение уже существует. Если же оно отсутствует, реально добавить возможность самостоятельной обработки документа.

10. Перспективы дальнейшей разработки системы приложений

Разработка «Планшет агронома» представляет собой конечный, завершенный продукт, полностью отвечающий требованиям технического задания. В перспективе ее можно существенно расширить в функционале, в частности, в разделе разработки система взаимосвязи между устройствами. В данных условиях это пока невозможно по техническим причинам, но не стоит забывать о возможности разработки приложения-посредника для ПК, который будет осуществлять для остальных устройств роль сервера. Преимуществом подобного развития разработки станет возможность построения и развития из простого приложения целой системы коммуникаций между устройствами, с синхронизацией и взаимодействием, а также безошибочная сортировка данных внутри устройства силами сервера параллельно с подзарядкой аккумулятора устройства.

В плане долгосрочных разработок рассматриваются такие перспективные направления, как автоопределение полей по спутниковому снимку, автоопределение болезней и вредителей (распознавание образа), автоопределение положения устройства относительно остальных и относительно общей карты местности, автодогрузка и документирование всех изменений в структуре данных устройства для мониторинга изменения файловых данных и т.д. Эти разработки относятся к разряду долгосрочных. Они подразумевают участие специалистов конкретных областей знания, дополнительной длительной разработки и соответствующего финансирования.