农村环境保护（一村一）课程教学设计方案及农机移动监控与导航技术

农村环境保护（一村一）课程教学设计方案一、教学内容说明《农村环境保护》课程是根据中央广播电视大学关于培养目标和课程设置的规定为一村一名大学生专科开设的课程。课内学时90，5学分。通过本课程的学习，使学生在环境保护方面有一较深的了解并为今后的工作打下基础。随着农业经济的不断发展，农村环境保护工作也愈来愈显得十分重要。首先，人们生活水平提高，对食品组成结构要求也愈来愈提高，这就要求在农业生产中生产营养丰富，品质优良的粮食和蔬菜；其次农民对生存环境也有新的理解和要求，各种环保新意识的教育和法规的不断完善，农民需要自己生存的环境更清洁、更优雅，更文明。我国是一个发展中国家，在农村经济发展和建设的过程中，也要借鉴其它行业发展过程中的经验教训，也要重视在农业发展中的环境保护，如果不注意环境问题，就会出现食品硝酸盐超标，食品重金属污染(Hg、Cd、Pb、Ni、Cu、Cr等)，地下水污染（如硝酸盐等）。也会在农业生产过程中，对大气环境造成污染如温室气体排放等。因此，及时地、因地制宜地在农村进行环境保护工作，使农业生产走一条健康的道路，这是从事农村工作的广大干部和技术人员的职责，也是广大农民的义务。通过本课程的学习使学生基本掌握农村资源开发利用与持续发展，生态学的原理及其在农业发展中的应用与实践，农村能源利用与环境，废弃物处理与资源化利用，大气污染、水体污染、土壤污染与防治，农业环境监测与环境标准，清洁生产与绿色食品等内容。二、教材情况1、文字教材《农村环境保护》为合一型，由中央广播电视大学出版社出版，2005年6月第一版，主编李国学教授。文字教材较系统、较全面地介绍了农村环境保护课程内容。2、录像教材，为重点讲授型，包括习题课、复习课在内。由李国学教授主讲，每课内容安排如下：讲次章节内容学时1第一章环境的基本概念，环境、社会环境、自然环境，环境问题；农业环境污染与农业环境问题；大气环境、水体环境、土地资源环境、聚落环境。0.51第二章自然资源概述；水资源的利用和保护；土地资源的利用和保护；生物资源的利用和保护0.52第三章生态系统；生态农业；生态学在环境保护中的应用13，4第四章农村能源类型、农村能源存在的问题；各种生物质能源潜力、生物质能的利用技术；利用生态学原理解决农村能源、太阳能的利用、地热能利用、节能25，6，7第五章水污染概述；水体中主要污染物的行为及其影响；水体污染对农业的影响；水体污染的控制与治理2.57，8第六章大气组成与结构；大气污染及污染特征；大气污染物对环境的影响；全球气候变暖和臭氧层破坏；大气污染控制技术19．10，11第七章土壤的基本概述；几种主要重金属对土壤的污染与防治；农业化学品对土壤污染及防治2.511．12，13第八章废弃物的概述；有机固体废弃物的农业利用技术；无机废物的处理与利用3.014第九章农业环境监测概述、农业环境监测程序和方法；环境标准、农业环境的标准、环境标准的新概念115，16第十章清洁生产概念、如何进行清洁生产；绿色食品和有机食品的产生和发展、绿色食品和有机食品的概念及产地的环境条件、绿色食品的生产技术关键、绿色食品的市场营销2合计163、根据教学进度、安排10次教学、难点提示、综合练习和部分答案，同时，网上可通过BBS回答问题：次数内容1第一章；第二章2第三章；第四章3综合练习一4第五章5第六章6综合练习二7第七章8第八章9第九章；第十章10综合练习三三、课程教学进度安排表时间学习内容学习要求教学安排第1周第一章

绪论了解环境的含义和特点。掌握农业环境概念及保护农业环境对农业生产的作用。1．自学

2．完成本章练习题第2周第二章农业自然资源持续利用与保护了解自然资源的含义、分类和特点。掌握生物资源的概念、特征及生物多样性的利用和保护。重点掌握水资源、土地和土壤资源以及气候资源的特点、存在的主要问题及利用和保护。1．自学

2．完成本章练习题

3．学习小组活动第3~4周第三章生态学的原理及其应用了解生态系统的基本概念、功能和生态平衡含义和特点。握生态农业的类型、模式和实用技术。重点掌握生态学在环境影响评价、解决环境问题及综合利用资源和能源等内容。1．自学

2．完成本章练习

3．收看录像1，2

4．完成形考册一

5．集中辅导答疑第5~6周第四章农村能源的开发与环境卫生防护了解农村能源类型和特点。掌握生物质能源和生物质能的生物化学转换技术。重点掌握新能源的类型和农村能源建设与节能。1．自学

2．完成本章练习第7~8周第五章水污染及其防治了解水污染的原因、污染物种类和水质指标和标准。掌握水体中主要污染物的行为及特点。重点掌握水体污染对农业的影响的特点和控制水污染的方法。1．自学

2．完成本章练习

3．收看录像3—6第9~10周第六章大气污染及其控制了解大气的组成、污染和污染特征。掌握大气污染物对环境的影响以及全球气候变暖的原因。重点掌握大气污染的控制技术。1．自学

2．完成本章练习

3．学习小组活动

4．集中辅导答疑

5．完成形考册二第11~12周第七章土壤污染及其防治了解土壤、土壤环境的组成、环境容量和土壤环境容量。握几种重金属对土壤的污染及其防治。重点掌握农业化学品对土壤的污染及其防治对策。1．自学

2．完成本章练习

3．收看录像7—11第13~14周第八章废弃物处理与资源化利用了解固体废弃物的种类、来源和污染的特点。握固体废物的污染控制途径与技术政策。重点掌握几种主要固体废弃物包括秸秆、畜禽粪便、生活垃圾和污泥等的处理方法与资源化途径。1．自学

2．完成本章练习

3．集中辅导答疑第15周第九章农业环境监测与环境标准了解农业环境监测的基本含义、目的和作用。掌握农业环境监测的程序和方法。重点掌握农业环境标准及其新概念以及主要几种农业环境标准。1．自学

2．完成本章练习

3．完成形考册三第16周第十章清洁生产与绿色食品了解清洁生产的基本含义、目的和作用。掌握绿色食品生产的发展过程、种类以及市场营销方案。重点掌握绿色食品生产的环境条件选择和关键技术内容。1．自学

2．完成本章练习

3．学习小组活动第17~19周期末复习1．集中答疑及网上答疑

2．收看录像12—16

3．完成形考册四

4．交形成性考核册第20周期末考试四、教学媒体使用信息表教学媒体主要内容主要作用时间安排文字教材系统介绍全部内容系统传授知识共17周，自学为主录像教材重点讲解；现场，参观讲授重点讲解根据教学进度收看网上辅导（电大在线）教学大纲，辅导教学过程辅导。重点揭示，习题解析，公布各案按章更新内容五、对教师和学习者建议1、农村环境保护内容多，覆盖面广，需要记忆与理解概念较多，还要结合实际具体的分析的解决一些问题，教学要求比较高。但考试题绝不会超出教学大纲和考试大纲的要求，学员只要按照教学大纲的要求，记住一些重要的概念，理解基本的原理，遇到问题时会用这些原理去分析、去解决，考试就不会有问题。2、请学员特别注意该记忆的内容就要记住，来不得半点含糊，还要会说明、分析和概括所要求的问题。最好是带着问题去看书，边看书边找到问题的答案，作一些必要的笔记，重点的东西一定要有标记，这样便于完成每章后的练习和计分作业，也便于最后的总复习。文字教材是课程的基础，要充分的自主学习，有问题时再看录像、网上辅导或与教师联系寻求帮助。3、学习和辅导本课程一定要注意理论联系实际，能用学到的理论解决遇到的实际问题。4、平时作业非常重要，阅读文字教材，是不是读懂了，要通过做每章后的思考题和做作业检查、自测。另外，平时成绩，又称为形成性考核成绩，占课程总成绩的20％。其中包括中央电大通过作业本布置的平时记分作业4次，由地方电大确定的记分作业2次。通过平时作业及时复习课程内容，及时发现问题，期末通过考试就比较有把握。平时作业完成没达到50％，期末不允许参加考试。5、面授辅导课：一般不赞成再组织系统面授。应组织以答疑及分析平时作业中典型错误为主要内容的辅导课，每周以1～2学时为宜。农机移动监控与导航技术MobileMonitoringandNavigationTechnologyforAgriculturalMachineryAbstract:Withtheimplementationoflandtransferpolicy,agriculturalmechanizationandinformatizationadvancecontinuously,agriculturalcooperatives,agriculturaltradeassociations,andotherorganizationalformsemergeandgrowgradually.Asthestrongtimelinessandcoherenceofagriculturalproduction,agriculturalmachineriesneedtobeallocated,monitored,andscheduledrationallyandeffectivelyforwiderangeagriculturaloperations.ThemobilemonitoringandnavigationtechnologysystemforagriculturalmachinerywasdesignedanddevelopedbasedonGNSS,WebGIS,andmobilecommunicationstechnology.Thesystemincludesthreelevels.Thetoplayerfacestoadvancedcommandersoftheagriculturalorganizations,whichcanbeusedtomonitor,command,andnavigatealltheagriculturalmachineries,aswellasdoingstatisticalanalysisoftheagriculturaloperations.ThemiddlelayerbasedonTabletPCfacestomiddlecommanders,suchasthegroupleaderoftheagriculturalmachineriesunit,whoshouldmonitor,command,andnavigatetheunitanytimeandanywhere.Thebottomlayerofthesystemfacestotractordrivers,whichrealizespositionreporting,autonomousnavigation,centernavigation,voicecalls,messageexchange,andotherfunctionsthroughtheGNSSnavigationandcommunicationterminalsequippedonthetractors.ThesystemwasexperimentedduringthespringploughinginPingguandautumnharvestinShunyi.Theresultsshowthatthethree-level-systemcanimprovetheefficiencyofagriculturalmanagementsignificantly.Keywords:AgriculturalMachinery;TabletPC;MobileMonitoring;CenterNavigation;WebGIS【摘要】随着我国土地流转政策的实施，农业机械化和信息化进程的持续推进，农机合作社、农机行业协会等组织形式不断涌现，并逐渐发展壮大。由于农业生产具有较强的时效性和连贯性，对于大范围的农机作业，需要对农机资源进行合理配置、移动监控和有效调度。本文基于GNSS、WebGIS和移动通信等技术，设计并研发了农机移动监控与导航技术体系。体系包括上中下三个层次。高层面向农机组织的高层指挥人员，可对所有农机进行监控、指挥与导航，以及农机作业统计分析。中层面向中层指挥人员，如机组组长，以平板电脑为指挥平台，实现对机组随时随地的监控、指挥与导航。体系的末端是机手和农机，通过GNSS导航通信终端，实现位置报告、自主导航、中心导航、语音通话、短信交互等功能。在北京市平谷区某农机协会和顺义区某农机专业合作社的春耕和秋收工作中，对本文提出的三级农机导航体系进行了试验，试验表明，该农机导航体系可显著提高农机管理效率。【关键词】农业机械；平板电脑；移动监控；中心导航；WebGIS1引言资助信息：国家“863”计划课题（2012AA101902）;土壤植物机器资助信息：国家“863”计划课题（2012AA101902）;土壤植物机器系统技术国家重点实验室开放课题基金。交通、物流等行业的监控与调度技术已日臻成熟，农机监控与导航技术与之虽然内核一致，但对功能和性能的需求存在较大差异，因此前者不能直接应用于农机监控与调度。地理信息系统（GIS）技术、无线通信技术和GNSS定位技术的发展为农机监控调度提供了有效的支持。彭波等人采用GPS、全球移动通讯系统(GSM)技术以短信息的方式实现对农场农机的合理调度[1]。王壮等人基于GIS、通用分组无线服务技术(GPRS)和GPS技术研发了农机监控调度系统，实现了农机的实时监控，以辅助农机管理人员科学有效地管理农机，提升作业效率[2]。史国滨等人通过GPRS远程采集数据，建立农业生产数据存储系统，运用WebGIS技术实现机车实时定位、数据图表统计分析等，为农业灾情及农业生产提供科学预测并指导决策[3]。上述研究对农机监控调度起到了重要的指导作用，有效服务了管理人员。但是调研发现，在实际作业过程中，直接监控调度农机的是机组组长等中层指挥人员，他们需要辗转在各个作业现场指挥机手，而现有系统并不能满足这些中层指挥人员的需求。为了更好地满足农机组织的需要，本文在对农机组织调查研究的基础上，重新拟定机监控与导航的应用模式，并进行技术实现与试验，以满足农机组织的管理需求。2系统设计2.1应用需求分析2.1.1组织分工FigureSEQFigure\*ARABIC1.Diagramofagricultureorganizationmanagementsystem图SEQ图\*ARABIC1.农机组织管理体系示意图在农机组织中，如REF_Ref312504975\h图1所示，农机作业中涉及高层指挥人员、中层指挥人员（机组组长）和基层工作人员（机手）等三个层级。高层指挥人员主要宏观管理和决策，中层指挥人员主要在室外移动监控指挥，机手则在田间操作农机进行生产作业。农机组织对农机的调度基本流程为：接到作业订单后，农机组织分配农机组成临时机组，每个机组指定一位组长在作业现场负责作业过程管理，包括农机的监控调度、油料与物资配送、故障检修、作业转移等，直至订单结束。在这种管理与作业模式下，不仅要为高层指挥人员与基层机手提供监控与导航服务，也要求为移动办公的机组组长提供移动监控与指挥的手段，以便机组组长实时掌握农机的位置、作业状态、作业需求等。2.1.2中心导航在跨区作业中，机手前往陌生地区时容易迷路，尤其是在林网密布的田野里，如何将机手准确引导到目标农田里，是一个值得研究的技术问题。传统导航仪在城市中应用可以很好地实现自主导航，但由于农村地图数据非常不详细，无法满足农机的自主导航应用。这就要求指挥人员可以向车载终端发送目标农田的位置，由导航仪生成最优路径，引导机手前往目的地，实现中心导航。2.2应用模式设计基于上述分析，综合卫星定位、WebGIS、卫星遥感和移动通信等技术，如REF_Ref312268594\h图2所示，建立“高层指挥人员—中层指挥人员—基层工作人员”三个层次的农机移动监控与导航技术体系，以满足不同规模机组、合作社对农机监控与调度的需求。该体系包括以下三部分：1）高层指挥人员：通过固定监控终端实现农田与农机信息的管理、农机实时监控、指挥与导航、农机作业统计分析等功能。2）中层指挥人员：通过移动监控终端（如平板电脑）实现农机的移动监控、指挥与导航功能。3）基层工作人员：通过车载定位终端实现位置报告、自主导航、中心导航、语音通话和信息交互等功能。FigureSEQFigure\*ARABIC2.Mobilemonitoringandnavigationtechnologysystemforagriculturalmachinery图SEQ图\*ARABIC2.农机移动监控与导航技术体系2.3系统结构设计系统结构如REF_Ref312268614\h图3：FigureSEQFigure\*ARABIC3.Structureofmobilemonitoringandnavigationsystem图SEQ图\*ARABIC3.移动监控与导航系统结构示意图系统功能如图4所示：FigureSEQFigure\*ARABIC4.SystemFunctionDesign图SEQ图\*ARABIC4.系统功能设计2.3.1车载定位终端车载定位终端是安装在农机上集成了定位、通信和地图导航等功能的车载GNSS导航通信终端，以一定的时间间隔（如10s）上报位置至中心服务器，具有位置报告、自主导航、中心导航、语音通话、信息交互等功能。中心导航是指通过GPRS通信模块接收从指挥中心下发的目标农田的位置，生成导航路径。2.3.2中心服务器中心服务器分为数据库服务器和通信服务器。数据库服务器主要用于存储和管理农机、农田等的位置和属性数据。通信服务器主要用于信息中转，接收车载终端报告的位置信息和短消息，存入数据库，供监控终端读取，并对监控终端下发的命令进行转发。2.3.3监控终端监控终端分为固定型监控终端和移动型监控终端。1）固定型监控终端：即PC机，主要面向高层管理人员，实现农机的监控、指挥、导航和农机作业统计分析等。终端主要功能有：实时监控、信息管理、短信交互、中心导航、移动分组、统计分析等。移动分组是指根据订单情况将农机分成临时机组，方便组长进行组内监控指挥；统计分析包括农机的轨迹回放，作业面积、行驶里程的统计。2）移动型监控终端：以平板电脑为平台，主要服务机组组长等中层管理人员，实现移动监控、指挥和导航。其功能是固定型监控终端功能的简化，包括实时监控、信息管理、语音通话、短信交互、中心导航等。3G无线通信实现了个人终端用户在全球范围内的任何时间、任何地点、与任何人、用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。它的广阔的网络覆盖率和快速的数据传输速率也让移动监控成为可能。3系统实现3.1硬件配置车载终端选择GD300型导航通信终端。该终端使用WinCE6.0操作系统，具备GPS定位、GPRS通信、GSM通话、SMS短信、GPS导航、中心导航等功能。移动监控终端选择平板电脑。该终端使用Andriod2.2操作系统，具备GPS定位、3G数传、语音通话、互联网浏览等功能。3.2中心服务器开发数据库服务器主要用于存储和管理农机、农田等的位置和属性数据，包括农田基本信息表、农机基本信息表、农机历史位置表等。数据库选用SQLServer2005。通信服务器主要实现位置数据和消息的转发，要求高效率、高性能。操作系统采用WindowsServer2003，开发语言采用C++。通信服务器与车载终端建立UDP连接，实时接收车载终端报告的位置信息；并通过SMS短信收发模块，向车载终端发送中心导航指令。3.3监控模式选择C/S结构的监控终端存在地图数据更新与维护困难、存储空间要求较大、监控软件升级不便等问题。当前，以GoogleEarth为代表的WebGIS已得到广泛的应用[4]，特别是农村地区地图详实、遥感影像分辨率高。为此，本文采用B/S（浏览器/服务器）模式，基于GoogleEarth进行应用开发。在该模式下，程序开发主要集中在服务器端，通过JavaScript将GoogleMaps嵌入到自己的网页中，实现自有数据和地图数据的融合；客户端通过Web浏览器与应用系统实现交互，系统的升级只集中在服务器上，方便维护与版本控制。3.4功能实现基于VisualStudio2008平台，采用VB.NET、JavaScript语言，对监控终端设计的功能进行实现。3.4.1移动监控移动监控数据流图如REF_Ref312856299\h图5。FigureSEQFigure\*ARABIC5.Dateflowdiagramofmobilemonitoring图SEQ图\*ARABIC5.移动监控数据流图由于受无线通信方式传输速率的限制，移动监控终端在界面、功能等方面相对固定监控终端有所简化。实时监控车载定位终端定时（10s）将位置上报中心服务器，移动监控终端采用AJAX技术[4]，用定时器以一定的时间间隔获取农机最新位置，局部刷新地图区域，将农机的位置实时显示在地图上，并根据农机的速度推测它的作业状态，以不同颜色的图标显示。管理人员可以实时、直观地了解农机的位置与状态。Ajax这种“局部刷新、按需请求数据”的通信方式给用户访问提供了迅速、平滑、友好的交互过程。信息管理针对纸质订单人工管理耗时、耗力、不易查询等问题，设计农田、农机信息管理功能。系统提供农田、农机信息的录入、更新、删除、查找等操作，并以不同的图标颜色表征不同的状态。实现订单的电子化管理，也可以更直观地了解各作业订单的空间关系，配合农机的分配与调度。中心导航中心导航的数据流如REF_Ref312856299\h图5的红色虚线部分。移动指挥人员根据作业任务的需要，在地图上选择确定所辖农机作业的目的地（目标农田），通过地图控件获取该目的地的经纬度坐标，经数据库和通信服务器以及短信收发模块，以SMS短信的方式下发到车载导航通信终端中。车载终端获得中心导航指令短信后，进行协议解析，提取目的地经纬度，并驱动最优路径搜索模块，在终端上生成并显示最优路径，进而以语音导航的方式引导机手前往目的地。中心导航消息协议格式如下：Header:Type:Destination:Longitude:LatitudeHeader：消息头。车载终端接收到消息后，解析消息头，判断这不是普通的短消息；Type：消息类型，代表导航终点；Destination：导航目的地（目标农田）和作业任务描述；Longitude：导航目的地的经度；Latitude：导航目的地的纬度。短信交互如REF_Ref313026827\h图6所示，移动指挥人员以短消息的形式向有关人员手机发送作业指令和任务描述等。数据流如REF_Ref312856299\h图5的蓝色虚线部分，其过程与中心导航类似，只是不需要数据的打包和解析。FigureSEQFigure\*ARABIC6.Messageinteraction图SEQ图\*ARABIC6.短信交互3.4.固定监控终端首页如REF_Ref312857446\h图7所示。FigureSEQFigure\*ARABIC7.Homepageofcentermonitoringterminal图SEQ图\*ARABIC7.固定监控终端首页除移动监控终端所实现功能外，固定监控终端还实现了移动分组、轨迹回放等功能，在此不再赘述。4结论根据农机组织在农机作业中对移动监控与导航的应用需求，提出了三级农机移动监控与导航体系，开发了农机移动监控与导航系统，重点实现了移动监控终端的农机实时监控、信息管理、短信交互、中心导航、移动分组、统计分析等功能。2011年春耕和秋收期间结合北京市平谷区农业机械产业协会和顺义区北京兴农天力农机服务专业合作社的实际生产作业，进行了农机移动监控与导航试验。试验表明该技术具有很好的实用性，能实时、准确地反映农机作业情况。通过该系统，机组负责人可以快速、准确地定位农机；中心导航功能让不熟悉道路的机手快速准确地找到作业田块；轨迹回放功能让管理人员更直观地了解作业信息。农机监控与导航技术对农业机械化、农机信息化和智能化的发展具有重要意义，能优化农机资源配置，提高作业效率，有着广阔的应用前景。致谢感谢平谷区农业机械产业协会、北京兴农天力农机服务专业合作社提供的示范农机和示范期间的配合。References(参考文献)PengBo,ZhangWeina,DesignandimplementationofaGPSandGSMbasedfa