淺析PDA技術(shù)在灌區(qū)灌溉管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫效麗 黃 濤 姜 濤 黃 波 劉媛媛

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)和DSP（digitalsignalprocess數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)的發(fā)展，PDA產(chǎn)品已經(jīng)從最初的個(gè)人資料存儲(chǔ)、管理發(fā)展到目前的具有能夠?qū)崿F(xiàn)資料同步、GPS、E-mail等多種功能的產(chǎn)品。近年來，PDA技術(shù)逐步在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中應(yīng)用，取得了顯著成就。鑒于嵌入式設(shè)備的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到草坪、樹木灌溉現(xiàn)場指導(dǎo)的切實(shí)需求，本文介紹了PDA技術(shù)在灌溉管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)能輔助草坪養(yǎng)護(hù)管理人員制定科學(xué)的灌溉制度，將草坪灌溉的研究成果轉(zhuǎn)化草坪灌溉的生產(chǎn)實(shí)踐，可以提高草坪養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的，從而提高水資源利用率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

二、系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩部分組成。它是一套功能實(shí)用、操作簡易、物美價(jià)廉的無線灌溉管理信息系統(tǒng)?；赑AD的灌溉管理信息系統(tǒng)，它設(shè)計(jì)的主要目的是便于灌區(qū)的灌溉管理工作，為使用者提供分析灌區(qū)的灌溉方案所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料、數(shù)學(xué)模型公式，并以交互的方式輔助用戶完成管理工作。本系統(tǒng)分為預(yù)警分析模塊與決策管理模塊，預(yù)警分析模塊可直接展現(xiàn)灌區(qū)灌溉相關(guān)信息；決策管理模塊可以根據(jù)預(yù)警分析信息進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的錄入，調(diào)用模型庫公式進(jìn)行非充分灌溉決策。

1.硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由掌上終端、無線網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?；赑DA的灌溉管理系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，供使用者選擇使用。

（1）PDA與無線網(wǎng)絡(luò)

可以內(nèi)置或外擴(kuò)一個(gè)無線局域網(wǎng)的 modem（或 GSM、CDMA），使之能夠有效進(jìn)入internet或局域網(wǎng)，實(shí)時(shí)與中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交互信息，便于灌區(qū)的管理與查詢。

（2）PDA與數(shù)據(jù)采集卡

可以外擴(kuò)一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，再配上溫度傳感器、濕度傳感器或其他傳感器，使之成為溫度儀表、濕度儀表；同時(shí)PDA上配有數(shù)據(jù)庫、分析軟件和無線網(wǎng)絡(luò)，就能成為有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信功能的分析儀表，方便灌溉管理部門使用。

（3）PDA與條碼掃描頭

可以外配一個(gè)條碼掃描頭，使之成為一個(gè)便攜條碼掃描設(shè)備。與通常意義的條碼讀寫設(shè)備相比，它便于攜帶，可配數(shù)據(jù)庫和通訊功能，故具有實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、上網(wǎng)功能，方便灌區(qū)工作人進(jìn)行水費(fèi)的征收與查詢。

根據(jù)灌區(qū)查詢系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)采用Client/Server和Browser/Server結(jié)合的方式，將系統(tǒng)建成既能資源共享、又能靈活延展的實(shí)用體系。PDA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫端及GIS部分以C/S方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)雨、水情信息的發(fā)布通過Web的方式實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建的系統(tǒng)以B/S方式實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過訪問站點(diǎn)及時(shí)獲取實(shí)時(shí)雨、水情信息。PDA系統(tǒng)以SQLSERVER2005及SQLServer2005CompactEdition為數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，利用ESRI公司的ArcGIS系列軟件產(chǎn)品的ArcPad作為系統(tǒng)開發(fā)的地圖瀏覽工具，應(yīng)用ArcPad獲取數(shù)據(jù)方便而快捷，大大提高了野外數(shù)據(jù)的有效性和可利用性。

2.軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由實(shí)時(shí)監(jiān)視信息、水情查詢信息、灌溉管理信息、工程管理信息、水費(fèi)征收信息、防洪抗旱信息等組成，可以實(shí)現(xiàn)信息的錄入、查詢等功能，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)信息庫、參數(shù)分析庫、知識(shí)查詢庫以及人機(jī)交互接口。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）知識(shí)查詢庫

知識(shí)查詢庫存放一些有關(guān)水利的法律法規(guī)信息，以及本單位的相關(guān)規(guī)章制度信息，包括節(jié)水宣傳信息、相關(guān)法律政策、中國水資源狀況、水資源自然常識(shí)等，可提供預(yù)警分析模塊查詢調(diào)用，幫助用戶全面了解科學(xué)灌溉知識(shí)。PDA查詢系統(tǒng)通過收集處理實(shí)時(shí)雨水情、氣象、遙測等基礎(chǔ)信息，進(jìn)行相關(guān)分析并作出評(píng)價(jià)，以助于通過會(huì)商實(shí)現(xiàn)防汛科學(xué)指揮，提高水利管理效率，為減災(zāi)防災(zāi)提供決策支持。

（2）數(shù)據(jù)信息庫

數(shù)據(jù)信息庫存放灌區(qū)決策管理過程中經(jīng)常用到的各種參數(shù)表、管理表。其中包括本灌區(qū)管轄的植被在不同養(yǎng)護(hù)等級(jí)下不同時(shí)間內(nèi)的灌溉系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，草坪草種種植面積數(shù)據(jù)，土壤質(zhì)地

式中 ：I—— 每次的灌溉水量（mm）;

H——土壤計(jì)劃濕潤層深度（mm），與草坪的根系深度有關(guān)；

θu，θd——適宜土壤體積含水量的上限值和下限值，與草坪種類額養(yǎng)護(hù)等級(jí)有關(guān)。

根據(jù)土壤有效含水量確定灌溉水量為：果，主要引用的模型公式有草坪耗水量法、水量平衡法、推算法、輪灌法等。預(yù)警分析模塊包含節(jié)水宣傳、數(shù)據(jù)查詢兩個(gè)功能子模塊，向用戶提供大量的節(jié)水灌溉相關(guān)法規(guī)、政策、常識(shí)以及各種草坪植被灌溉的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和各種參數(shù)。所有的信息都以知識(shí)儲(chǔ)備庫和數(shù)據(jù)信息庫為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)開發(fā)中知識(shí)儲(chǔ)備庫采用文本方式存儲(chǔ)，根據(jù)人機(jī)交互界面樹形目錄的分級(jí)節(jié)點(diǎn)，將文件存儲(chǔ)于若干級(jí)目錄下，不同節(jié)點(diǎn)訪問不同目錄下的文件。系統(tǒng)采用了移動(dòng)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫中的信息。鑒于硬件平臺(tái)的局限性，選擇結(jié)構(gòu)簡單、占有內(nèi)存少的PocketAccess,采用Microsoft基于WinCE的數(shù)據(jù)庫訪問對(duì)象ADOCE技術(shù)和SQL語言進(jìn)行訪問。ADOCE封裝了OLEDB程序中使用的大量COM接口，是一種高層的訪問技術(shù)，支持連接（Connection）、記錄集(Recordset)、字段（Field）等關(guān)鍵模塊，其開發(fā)流程如圖3所示。

鑒于PDA硬件資源有限，系統(tǒng)采用在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)PDA中數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建及維護(hù)，使用時(shí)只需使用同步工具M(jìn)icrosoftActiveSync即可將更新后的數(shù)據(jù)庫下載到PDA中，其優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)約了PDA的運(yùn)行內(nèi)存，使PDA資源利用率最大化。下面以水量平衡法和草坪耗水量法為例說明本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。

1.水量平衡法模型

根據(jù)草坪草適宜含水量確定灌溉水量：參數(shù)、噴灌指標(biāo)、本地區(qū)氣象數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)以及灌溉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，可供使用者查詢或決策管理。另外，還可以完成實(shí)時(shí)雨水情信息、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖等信息的收集、整理。信息經(jīng)自動(dòng)接收，少部分人工干預(yù)，進(jìn)行質(zhì)量控制及預(yù)處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。信息傳輸主要依托內(nèi)部通信系統(tǒng)和中國移動(dòng)通信、廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（3）參數(shù)分析庫

參數(shù)分析庫存放各種植被灌溉模型公式，包括確定草坪、樹木灌溉水量的水量平衡法、草坪耗水法和確定草坪、樹木水延續(xù)時(shí)間的論灌法、器測法、推算法，供有關(guān)專家或使用者根據(jù)不同需求調(diào)用不同的數(shù)學(xué)分析模型。

（4）人機(jī)交互接口

人機(jī)交互接口是使用者之間或使用者與專家之間相互交流的窗口。一方面用戶可以通過輸入各種參數(shù)信息，發(fā)布自己的建議或請(qǐng)求幫助信息；另一方面將專家針對(duì)用戶要求的回應(yīng)結(jié)果直觀地反饋給用戶，其中含雨水情、氣象、遙測信息的發(fā)布、查詢顯示。以B/S模式為用戶提供實(shí)時(shí)雨、水情的查詢和信息分析。

三、系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

為了便于灌區(qū)的灌溉管理工作，用戶可以自行輸入相關(guān)參數(shù)，也可以在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找調(diào)用，通過人機(jī)交互界面選擇預(yù)警分析灌區(qū)的植被類型，系統(tǒng)根據(jù)模型提供相應(yīng)的參數(shù)界面，提供輸入土壤、水質(zhì)、氣象、水量等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。預(yù)警分析是根據(jù)灌區(qū)的植被參數(shù)模型進(jìn)行判斷的，為灌區(qū)設(shè)計(jì)的灌溉管理系統(tǒng)歸納了國內(nèi)外對(duì)植被灌溉管理的研究成

式中：Wa——土壤有效含水量，指土壤中草坪能夠利用的全部水分，介于田

α——草坪在一定養(yǎng)護(hù)等級(jí)下所允許消耗的水分，以土壤有效含水量的百分?jǐn)?shù)表示。

2.草坪草耗水量法模型

草坪草耗水量法模型為：

ET=Km·KC·ET0

式中：

ET——草坪的日耗水量（mm/d）；

Kc——草坪的作物系數(shù)；

Km——草坪微氣象環(huán)境修正系數(shù)；

ET0——參考騰發(fā)量（mm/d）。

用Penman-Monteith公式計(jì)算ET0，即：

式中：

Rn——作物表面凈輻射（MJ/m-2·d）；

G——土壤熱通量密度（MJ/m-2·d）；

T——2m高處的日平均氣溫（℃）；

U2——2m高處24h平均風(fēng)速（m/s）；

VPD——2m高處水汽壓差（kPa）；

Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）；

γ——干濕表常數(shù)（kPa/℃）。

本系統(tǒng)在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上充分利用了WindowsCE開發(fā)平臺(tái)的可視化編程界面、事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制。該系統(tǒng)主要分成若干節(jié)點(diǎn)顯示不同目錄供用戶選擇，結(jié)果主要以Edit控件、Picture控件、ListBox控件進(jìn)行顯示。以數(shù)據(jù)查詢?yōu)槔?，在PDA系統(tǒng)登錄界面，通過服務(wù)區(qū)號(hào)、PDA編號(hào)、員工工號(hào)進(jìn)入本系統(tǒng)。在系統(tǒng)查詢界面，通過植被編號(hào)、植被名稱、植被種類、植被特性進(jìn)入植被預(yù)警分析界面，通過參數(shù)錄入信息分析該植被目前的現(xiàn)狀：干旱、適宜、汛情，預(yù)警分析結(jié)果通知管理員采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)是基于PDA技術(shù)和無線通信技術(shù)的灌溉管理系統(tǒng)，它具有友好的圖形界面、強(qiáng)大的計(jì)算及查詢功能，可將植被理論應(yīng)用到實(shí)踐中，為植被養(yǎng)護(hù)及節(jié)水灌溉提供了理論上的指導(dǎo)。將汛情旱情監(jiān)測預(yù)警與各類數(shù)字化信息實(shí)時(shí)顯示在PDA智能手機(jī)上，為汛情旱情監(jiān)測預(yù)警與防汛抗旱管理工作提供科學(xué)支持。本系統(tǒng)為灌區(qū)的灌溉管理、工程管理、水費(fèi)征收以及防汛抗旱工作發(fā)揮了積極作用，實(shí)現(xiàn)了科技信息化在水利信息化中的應(yīng)用。本系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用不僅能幫助植被養(yǎng)護(hù)工作人員和管理人員合理地制定出高質(zhì)量的植被養(yǎng)護(hù)制度，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的，為創(chuàng)建節(jié)水型社會(huì)做出貢獻(xiàn)■