基于Android手機(jī)系統(tǒng)的溫室番茄生長動(dòng)態(tài)模擬

羅新蘭，趙鑫勇，須暉，馬健，李天來，王蕊＊

（1.遼寧省設(shè)施園藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽110866；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院 遼寧 沈陽110866；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，遼寧 沈陽110866）

溫室園藝生產(chǎn)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的典型代表，具有高投入和高產(chǎn)出，知識(shí)與技術(shù)高度集成的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)常規(guī)農(nóng)業(yè)最大區(qū)別是溫室園藝生產(chǎn)充分利用對(duì)環(huán)境條件的可控性，從精確管理目標(biāo)控制出發(fā)，對(duì)作物生長發(fā)育生理生態(tài)過程進(jìn)行量化。作物生長發(fā)育模擬模型作為溫室作物模型中的重要模型，在估算作物生產(chǎn)潛力優(yōu)化作物栽培方案，研究和預(yù)測氣候?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及農(nóng)場經(jīng)營管理和農(nóng)業(yè)政策制訂等方面得到了廣泛的應(yīng)用［1～3］，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)提供了有力的方法和工具。作物模型是指作物生長發(fā)育系統(tǒng)與其環(huán)境因子之間交互關(guān)系的一種邏輯或定量的表達(dá)，是作物生長發(fā)育過程的計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)現(xiàn)，它是近40年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是將系統(tǒng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到作物科學(xué)的結(jié)晶［4～6］。目前我國溫室作物模型主要是基于Windows平臺(tái)的模擬系統(tǒng)軟件，就實(shí)際應(yīng)用效果而言，普通農(nóng)戶利用農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)軟件價(jià)格昂貴，功能單一，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的依賴性強(qiáng)，同時(shí)由于不同作物的差異性，使其在開源性、免費(fèi)性和人機(jī)交互等方面較差。

Android系統(tǒng)是一種基于Linux的自由開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦。隨著智能手機(jī)近年來的迅速發(fā)展，集通話、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等多功能的Android系統(tǒng)更是得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，開源、免費(fèi)的Android操作系統(tǒng)為開發(fā)農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)提供了顯著的優(yōu)勢和廣闊前景［7～11］。郭文川等［12］利用 Android手機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行植物葉片面積快速無損測量系統(tǒng)，楊林楠等［13］利用Android手機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了甜玉米病害智能診斷系統(tǒng)。本文從溫室番茄生產(chǎn)的實(shí)際情況出發(fā)，提出了一種基于Android系統(tǒng)的溫室番茄生長發(fā)育動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了一個(gè)通用性強(qiáng)、便于二次開發(fā)且人機(jī)交換技術(shù)豐富的數(shù)據(jù)庫和開發(fā)環(huán)境。該系統(tǒng)具有信息獲取便捷、實(shí)用、界面友好和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以在移動(dòng)電話、平板電腦、計(jì)算機(jī)等多個(gè)設(shè)備上應(yīng)用，有較強(qiáng)的實(shí)用性和發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 Android系統(tǒng)

隨著智能手持設(shè)備應(yīng)用的不斷發(fā)展，不同應(yīng)用程序之間存在的語言差異、平臺(tái)差異、協(xié)議差異、數(shù)據(jù)差異日益突出，成為應(yīng)用程序間互操作和集成的阻礙。Android是一個(gè)完全整合的移動(dòng)軟件系統(tǒng)平臺(tái)，它最大的特點(diǎn)是她的開放性。它采用軟件堆層（Software Stack）的架構(gòu)，主要分為三部分：底層以Linux內(nèi)核工作為基礎(chǔ)，由C語言開發(fā)，只提供基本功能；中間層包括函數(shù)庫Library和虛擬機(jī)Virtual Machine，由C＋＋開發(fā)；最上層是各種應(yīng)用軟件，包括通話程序、短信程序等，應(yīng)用軟件則由各公司自行開發(fā)，以Java作為編寫程序的一部分，其框架見圖1。

圖1 Android系統(tǒng)框架Fig.1 Android System framework

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

鑒于Android系統(tǒng)在目前手機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用的普遍性及其優(yōu)越的便捷性，本文提出了基于Java程序語言的移動(dòng)端作物生長模擬系統(tǒng)架構(gòu)。

本系統(tǒng)總體上設(shè)計(jì)為客戶機(jī)的架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫使用SQLite，這樣更加簡單方便，適合單機(jī)，可操作性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)端可在PC端添加?？蛻魴C(jī)（即智能平臺(tái)）負(fù)責(zé)前臺(tái)界面顯示和模擬，為完成系統(tǒng)各功能模塊的開發(fā)，首先建立了Android SDK＋Java JDK 6＋Eclipse 4.2的開發(fā)環(huán)境，基于Android 4.1.2版本的開發(fā)。本系統(tǒng)測試環(huán)境為：服務(wù)器聯(lián)想萬全T260G3S5606，操作系統(tǒng)Windows Server 2008?？蛻舳酥悄苁謾C(jī)采用GOOGLE N7（Android 4.1.2 系 統(tǒng)，硬 件 配 置 為 Nvdia Tegra 3 1.3GHz CPU ，16GROM ，1GRAM ，7英寸IPS電容屏）。

本文所設(shè)計(jì)的基于Android手機(jī)的溫室動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括人機(jī)交互界面、信息數(shù)據(jù)采集智能終端，數(shù)據(jù)庫和模型算法庫等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of System

1.3 設(shè)計(jì)中用到的Android主要組件：

1）活動(dòng)（Activity）

一個(gè)Activity表示用戶可視化界面，是最基本的Andriod應(yīng)用程序組件。用戶可以在上面進(jìn)行一些操作。一個(gè)應(yīng)用程序可以有一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)組成。每個(gè)活動(dòng)都是通過繼承活動(dòng)基類被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的類，活動(dòng)類將會(huì)顯示由視圖控件組成的用戶接口，并依次對(duì)響應(yīng)的事件響應(yīng)。

2）意圖（Intent）

Andriod中Intent是意圖的意思，就是指程序想做什么，應(yīng)用程序向Andriod提出要求，Andriod可以根據(jù)具體的事件內(nèi)容進(jìn)行響應(yīng)。它是對(duì)需要的聲明有一系列描述所需動(dòng)作和服務(wù)的信息構(gòu)成。

3）服務(wù)（Service）

服務(wù)是Andriod應(yīng)用程序中具有較長的生命周期但是沒有用戶界面的代碼程序。他在后臺(tái)運(yùn)行，并且可以與其進(jìn)行交互。與Activity的級(jí)別差不多，但是自己不能運(yùn)行，需要進(jìn)行調(diào)用。

4）內(nèi)容提供者（Content providers）

內(nèi)容提供者使程序中特定的數(shù)據(jù)可以被其他程序使用。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中，SQLite數(shù)據(jù)庫中，或者任何其他可以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的地方。

1.4 界面顯示模塊

程序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為保證操作簡單且能夠方便直觀地讀取數(shù)據(jù)，良好人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是必不可少的。一個(gè)復(fù)雜的Andriod界面往往需要不同的組件組合才能達(dá)到理想的效果。視圖界面包括很多組件：視圖組件（View）、視圖容器組件（View－Group）、布局組件（Layout）、布局參數(shù)（Layout－Params）等。定義并展現(xiàn)你的視圖層次的最常用的方法是使用XML布局文件［13，14］。一個(gè)簡單的xml布局代碼如下：

1.5 SQLite開發(fā)平臺(tái)的搭建

SQLite數(shù)據(jù)庫是一種基于C語言設(shè)計(jì)開發(fā)的免費(fèi)開源數(shù)據(jù)庫，不依賴第三方軟件且方便管理和維護(hù)，支持多種語言。根據(jù)溫室番茄生長發(fā)育數(shù)據(jù)信息，可以在Andriod系統(tǒng)中采用SQLite數(shù)據(jù)庫來完成各種數(shù)據(jù)處理。因此，在Linux操作系統(tǒng)中安裝SQLite作為溫室番茄生長動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺(tái)［15～17］。

2 溫室番茄生長動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 主要模型描述

模型主要通過植株各個(gè)器官（根、莖、葉片和果實(shí)等）的發(fā)育、數(shù)量、干物質(zhì)的積累和分配等，對(duì)作物整個(gè)生長發(fā)育過程進(jìn)行定量化描述，并進(jìn)行模擬。其中，通過對(duì)作物植株各器官的生成、發(fā)育、消亡等規(guī)律與速率的研究，得到作物在各個(gè)發(fā)育階段的器官數(shù)量，而作物器官的干物質(zhì)積累量可通過對(duì)作物碳平衡分析、干物質(zhì)分配分析得到。

溫室內(nèi)氣溫日變化的模擬結(jié)果可用于以小時(shí)為步長的番茄生長發(fā)育模擬模型［18～20］，公式如下：

其中：To為溫室內(nèi)揭苫前的氣溫，即溫室內(nèi)的最低氣溫。AT為溫室內(nèi)氣溫日較差，與天氣的陰晴有關(guān)，t為時(shí)刻（真太陽時(shí)），tmor為早上揭苫時(shí)間，Tair（t）溫室內(nèi)白天溫度。

番茄莖節(jié)、葉片、果實(shí)形成模擬模型的描述公式分別如下：

其中：Ns（1），NL（1），NF（1）分別為第1年齡級(jí)的每平方米莖、葉、果節(jié)數(shù)；INIT為新結(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)速率；DENS為定植密度；rL（T）—在CO2濃度為0.000 35%，溫度為T度時(shí)的葉片最大發(fā)育速率（1／d）；F（C）—CO2濃度的調(diào)節(jié)函數(shù)；TPL是主莖上每片葉擔(dān)負(fù)的果穗；PLSTN—當(dāng)天植株上的結(jié)點(diǎn)總數(shù)；FPN—與當(dāng)天植株上的總結(jié)點(diǎn)數(shù)PLSTN有關(guān)的每個(gè)新結(jié)點(diǎn)承擔(dān)的果數(shù)；RF—根據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)的座果率，在發(fā)育的不同階段，其值不同。

番茄莖節(jié)、葉片、果實(shí)干物質(zhì)模擬模型的描述公式分別如下：

其中：其中SLA（T，C，PAR）為某天的平均比葉面積，它隨溫度、CO2濃度、光量子密度而變化；FRPET是葉柄重量與葉片重量的比值；dALP（i）／dt為發(fā)育階段的葉面積潛在擴(kuò)展速率；FRSTM是莖節(jié)占葉片生長速率的比率；Nf（i）年齡組i的果實(shí)數(shù)量（N0.·－2）；POF（i）—年齡組i的單果干物質(zhì)積累最大速率／g·d－1；FN（T）—溫度因子：F（C）—CO2濃度因子。

2.2 應(yīng)用算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)溫室番茄生長動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)和模擬方法，本文在模型公式上，采用JAVA語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模擬算法庫，其流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flow

3 Android手機(jī)客戶端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

手機(jī)客戶端模塊的實(shí)現(xiàn)是利用人機(jī)交互界面，引用用戶的決策規(guī)則，在溫室番茄模擬系統(tǒng)所有源代碼編碼完成后，經(jīng)編譯后形成一個(gè).APK格式的打包文件，這個(gè)文件即為該系統(tǒng)的安裝文件。將.APK文件在手機(jī)中安裝后，會(huì)在手機(jī)的應(yīng)用程序列表中建立一個(gè)新的應(yīng)用程序圖標(biāo)，點(diǎn)擊該圖標(biāo)即可啟溫室番茄模擬系統(tǒng)［21］。啟動(dòng)后的主界面如圖4，a。

圖4 系統(tǒng)界面Fig.4 System interface

該Android系統(tǒng)的溫室番茄動(dòng)態(tài)模擬軟件有3個(gè)主要功能管理模塊，分別是溫室內(nèi)溫度模擬模塊、溫室番茄形態(tài)發(fā)育擬模塊、溫室干物質(zhì)需求模擬模塊。其中，溫室番茄形態(tài)發(fā)育擬模塊和溫室干物質(zhì)需求模擬模塊分別包括3部分，它們是葉片數(shù)、莖節(jié)數(shù)和果實(shí)數(shù)的模擬和葉干重、莖干重和果干重的模擬。

3.1 溫度模擬模塊

溫度模擬模塊主要模擬溫室內(nèi)的溫度，可以做到模擬出溫室內(nèi)的日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫值。將模擬所需要的參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫下，模擬結(jié)果分2種形式：一是保存在數(shù)據(jù)庫下，二是以文本文檔的形式保存在指定文件夾內(nèi)，通過nfc、藍(lán)牙、usb傳送出去。

3.2 形態(tài)發(fā)育模擬模塊

點(diǎn)擊進(jìn)入形態(tài)模擬模塊后，可以進(jìn)入子菜單（圖4，c），子菜單分成3個(gè)部分：葉的模擬、莖的模擬、果的模擬。以葉的模擬為例，先在日期里輸入定植日期和拉秧日期再點(diǎn)擊形態(tài)模擬模塊，可以查出長季節(jié)栽培時(shí)葉的信息，從開始到結(jié)束每一日葉的長勢，而且可以轉(zhuǎn)化成圖表的形式（圖4，e），更直觀的描述葉的發(fā)育，便于直觀理解深刻。

3.3 干物質(zhì)模擬模塊

干物質(zhì)模擬模塊操作，可以進(jìn)入子菜單如（圖4，d），子菜單分成3個(gè)部分：葉干物質(zhì)的模擬、莖干物質(zhì)的模擬、果干物質(zhì)的模擬。3個(gè)模擬值作出的圖形是以日序?yàn)閤軸，干重為y軸如（圖4，f）所示。

4 結(jié)果與分析

系統(tǒng)以google的Nexus7作為系統(tǒng)的測試機(jī)型，在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院日光溫室基地遼沈Ⅱ型日光溫室內(nèi)進(jìn)行測試。栽培管理方式按照遼寧省日光溫室番茄長季節(jié)栽培管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，利用自動(dòng)溫濕記錄儀對(duì)溫室內(nèi)外的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體溫度的模擬值與實(shí)測值日變化的對(duì)比情況詳見圖5。盡管溫室內(nèi)氣溫模擬值與實(shí)測值的最大溫差為1～2℃，但整體溫度模擬值與實(shí)測值的變化趨勢比較吻合，決定系數(shù)達(dá)到0.9643，F(xiàn)值為205.70，達(dá)到0.01顯著水平，可以滿足生產(chǎn)者對(duì)于溫室調(diào)控及栽培管理決策制定的要求。從圖6中可以看出，葉片數(shù)、莖節(jié)數(shù)、果實(shí)數(shù)的平均相對(duì)誤差為分別為4.6%，0.9%，8.0%。圖7為各器官干物質(zhì)積累模擬值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果。試驗(yàn)中的模擬值與實(shí)測值吻合較好，葉片、莖、果實(shí)的平均相對(duì)誤差為分別為1.9%，9.7%，6.7%。

圖5 晴天溫室內(nèi)溫度的模擬值與實(shí)測值日變化Fig.5 Diurnal trends of simulated and observed temperature on clear day in greenhouse

圖6 番茄器官數(shù)的模擬值與觀測值Fig.6 simulated and observed numbers of organ at tomato plant

圖7 干物質(zhì)積累模擬和實(shí)測對(duì)比Fig.7 The comparison of simulation values and the observed values that the dry material accumulates

以上測試數(shù)據(jù)表明：該模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、操作簡便，具有不受空間限制、移動(dòng)性好、應(yīng)用中系統(tǒng)穩(wěn)定、模擬響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。可以滿足溫室管理及栽培管理人員的預(yù)測需求，適合推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論與討論

本文采用Android操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于溫室環(huán)境數(shù)據(jù)為參數(shù)模擬溫室內(nèi)部環(huán)境因素和番茄生長狀態(tài)的系統(tǒng)。采用Android SDK＋Java JDK 6＋Eclipse 4.2和SQLite數(shù)據(jù)庫構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上利用模擬算法庫和Android操作系統(tǒng)便捷的人機(jī)交換技術(shù)，通過軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的采集，內(nèi)部算法模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，采用的技術(shù)先進(jìn)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可滿足溫室番茄生長模擬的需求。預(yù)計(jì)系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和完善，將在農(nóng)業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

本研究結(jié)合全新的免費(fèi)開源Android手機(jī)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)施該模擬系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：

（1）通過系統(tǒng)預(yù)置溫室溫度模擬模塊、番茄形態(tài)發(fā)育擬模塊、番茄干物質(zhì)積累模擬模塊，開發(fā)了基于Android手機(jī)系統(tǒng)的溫室小氣候及番茄形態(tài)發(fā)育及干物質(zhì)積累模擬系統(tǒng)。通過自動(dòng)獲取在線信息，可以實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測溫室小環(huán)境及番茄生長發(fā)育狀況。該系統(tǒng)具有程序小巧，占用內(nèi)存小，cpu使用率低的優(yōu)勢。

（2）本文構(gòu)建了基于Android手機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，具有開源、免費(fèi)、無限制添加新的功能部件，支持面向?qū)ο蟮腏AVA，以小型的SQLite為數(shù)據(jù)庫，對(duì)于更新數(shù)據(jù)，完善系統(tǒng)規(guī)則庫有著重要作用。

（3）系統(tǒng)中應(yīng)用溫室番茄動(dòng)態(tài)模擬模型，實(shí)現(xiàn)了溫度模擬模塊、形態(tài)模擬模塊和干物質(zhì)模擬模塊在手機(jī)操作系統(tǒng)中的運(yùn)行，是一種有效使用溫室作物生長模型為設(shè)施生產(chǎn)管理提供技術(shù)支持的方法。

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