劉 堅，吳為勝

(萍鄉(xiāng)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

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大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)設計開發(fā)

劉 堅，吳為勝

(萍鄉(xiāng)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

目前，國內農業(yè)生產中存在盲目施肥、施肥結構不合理及肥料利用率低等問題，造成了肥料大量浪費和環(huán)境污染問題。為此，基于精準農業(yè)技術的數字化管理技術，利用GIS軟件AreView、數據庫軟件Foxpro，建立了大田自動施肥作業(yè)的數字化管理系統(tǒng)，以自動傳感網絡獲取大田土壤肥力數據和空間位置信息，自動導入自動施肥數字化管理系統(tǒng)，生成大田土壤肥力地圖，通過單片機控制步進電機對相應區(qū)域進行自動精準施肥。本數字化管理系統(tǒng)還具有信息查詢、土壤肥力圖表輸出等功能，可進行可視化管理。大田試驗結果表明：基于數字化管理系統(tǒng)的大田自動施肥系統(tǒng)界面友好，施肥高效，能滿足大田土壤環(huán)境的數字化施肥，對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

大田；施肥；數字化管理；精準農業(yè)

0 引言

作為化肥消費大國，我國農業(yè)生產在化肥的施用方面存在化肥投入結構不合理的問題，化肥被農作物吸收利用的比率非常低。其中，氮肥、磷肥、鉀肥等化肥利用率均在55%以下，磷肥利用率更低至10%～25%。大量施用到農田中的化肥滯留在土壤中，或被水沖刷帶走，氮肥經反硝化細菌作用生成氮氣或溫室氣體一氧化氮，由此造成極大經濟損失和對土壤和大氣環(huán)境的污染。如何合理地、科學地進行化肥施用，研究施肥的方式方法、施肥時機和用量，對我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著非常積極的意義[1]。

隨著信息支持技術的發(fā)展，精準農業(yè)成為當今世界農業(yè)發(fā)展的主流，根據作物生長屬性，研究作物水養(yǎng)份需求，按需分配農業(yè)資源和生產要素，從而提高農業(yè)資源利用率、農業(yè)生產經濟效益和農產品產率，對實現我國農業(yè)現代化意義重大[2]。

近年來，作為精準農業(yè)技術發(fā)展方向之一，通過各種方法獲得土壤養(yǎng)分數據信息，據此制定施肥方案的測土施肥研究和實踐在我國取得了一定的成績[3]。

精準農業(yè)的一個重要組成部分—農業(yè)數字化管理系統(tǒng)的建立，是實現數字化管理的技術基礎。20世紀末提出的數字農業(yè)的概念，即指利用計算機、通信、網絡及人工智能等技術，對農業(yè)生產進行設計、協調、控制、服務和管理。例如，以作物與土壤相互作用機理為基礎，控制農作物合理施肥，從而提高作物管理水平和農作物產品品質。

數字化管理系統(tǒng)的建立核心在于建立相關數據庫。為此，本文通過無線傳感網絡建立大田施肥作業(yè)的土壤養(yǎng)分實時數據庫，通過文獻檢索、調研分析建立施肥建議專家系統(tǒng)，并通過單片機連接步進電機，進行自動施肥操作。因大田環(huán)境較之于溫室環(huán)境存在生產要素多變的特點，運用數字化管理技術定量地分析各因素與作物生長之間的關系，可實現精準科學施肥，提高化肥利用率、農業(yè)生產經濟效益及農作物產品品質，減少化肥環(huán)境污染，提高農民收入[4]。

1 設計原理及結構

1.1 總體結構設計

大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)基于RIA 體系結構,利用GIS軟件Are View、數據庫軟件Fox Pro開發(fā)，通過Visual Basic 6.0和Map Object 2.0編程語言來實現。

1.2 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

1)硬件設計包括土壤養(yǎng)分傳感器、計算機、單片機、步進電機及施肥終端。

2)系統(tǒng)軟件設計包括測土施肥數據庫模塊、推薦施肥運算模塊和施肥控制模塊等。

1.3 數據庫的建立

數據庫包括土壤養(yǎng)分屬性、空間位置實時數據庫及系列知識單元數據庫。其中，知識單元數據庫包括土壤類型、土壤肥力等級、專家施肥建議及邏輯運算數據庫，可以針對實時數據庫的具體數據信息，以知識單元數據庫為依據，進行推理，得出施肥決策。

將土壤養(yǎng)分空間數據與屬性數據連接起來，才能實現具體地塊的精準施肥操作的控制管理。本系統(tǒng)設計利用SQL Server數據庫作為數據服務器，空間數據以Shape File 格式進行存儲，在Visual Basic 6.0和Map Object 2.0編制的系統(tǒng)中自動連接屬性數據。

2 系統(tǒng)的開發(fā)過程

大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)的設計過程按照規(guī)范，分為需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計及物理結構設計4個步驟進行開發(fā)。

2.1 數據來源

傳感器采用現場采集和實驗室化驗補充數據，包括氮、磷、鉀等肥力數據，通過GPS與RS和傳感器傳輸至數字化管理系統(tǒng)。

從來源種類上來看，實體數據有農戶、地塊、網格、化肥、土壤養(yǎng)分。具體包括：①化肥(名稱、價格，以及氮、磷、鉀含量)；②生長性狀(葉面積、葉片數、穗位、株高)；③土壤養(yǎng)分(速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質)等。

2.2 土壤養(yǎng)分含量數據圖示

采用荷蘭ArcGIS的Spatial Analyst模塊為主要手段進行養(yǎng)分含量空間分類。模塊簡單易用，并可根據土壤養(yǎng)分差異進行繪圖打印，得到清晰的土壤養(yǎng)分含量圖示。

2.3 知識庫的建造

大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)數據庫包括各種知識子數據庫，包括土壤種類數據庫、土壤肥力數據庫、化肥配比與作物產量相關研究數據庫、化肥(品種、市場價格)數據庫、作物產品價格數據庫、邏輯運算庫和人機對話輸出庫。

邏輯運算庫包括多級計算推理數學公式，并與知識庫分開獨立運行，以保證較高的運算速度。

2.4 推薦施肥模塊的建立

采用嵌入模塊MapObject2.0，在ActiveXVB6.0下進行系統(tǒng)設計，邏輯推理將推薦施肥方式、施肥用量等結果傳輸到單片機控制系統(tǒng)，控制步進電機施肥。

在施肥推薦邏輯推理模塊中，對磷肥的施用計算采用總量平衡法進行滴灌，對氮肥的施用采用目標產量模型進行計算，以噴灌的方式給肥。

2.5 最佳施肥量的計算

邏輯運算庫依據不同品種大田作物的文獻分析和實驗，經數理統(tǒng)計分析得到不同作物的土壤養(yǎng)分校驗系數，據此可根據傳感器所得土壤養(yǎng)分數據，計算得到土壤單位面積的有效養(yǎng)分，并結合肥料價格、作物產品價格進行綜合計算，得出經濟效益最大化的施肥方式。

3 系統(tǒng)的運行

由檢測端土壤養(yǎng)分傳感器結合化學輔助分析方法，得到各塊大田的土壤養(yǎng)分信息，通過無線傳感網絡傳輸或用戶自主輸入養(yǎng)分信息；數字化管理系統(tǒng)進行系列邏輯運算，確定最大經濟效益的施肥配方、用量和方式；施肥推薦結果傳輸至單片機，由單片機輸出脈沖信號的寬度，調節(jié)步進電機轉速，從而控制施肥終端，根據空間數據對各塊大田進行精準施肥。

3.1 系統(tǒng)功能

1)根據傳感端的數據結果，與系統(tǒng)知識子數據庫進行邏輯分析，可以得出土壤肥力水平，以土壤肥力等級表示；

2)根據土壤肥力等級，結合土壤實時養(yǎng)分數據信息，進行化肥施用成本和作物產值的核算，得出經濟效益最大化的施肥技術方案；

3)根據施肥技術方案，自動控制施肥端進行精準施肥；

4)根據不同需求，可分別得出最佳產量的施肥方案或經濟效益最大化的最佳產投比施肥方案。

3.2 報表生成功能

系統(tǒng)的輸出庫可存儲一定時間內的數據報表，供輸出調用，或者用戶可利用系統(tǒng)另行自主創(chuàng)建報表。

3.3 地圖制作輸出

根據土壤的不同肥力情況，系統(tǒng)能夠以不同顏色及深淺打印輸出土壤肥力地圖，從而為用戶提供土壤肥力的直觀結果。

4 系統(tǒng)應用

試驗大田選擇江西某地水稻大田、湖北某地棉花大田及廣西某地甘蔗地，在3塊試驗田均勻分布安裝土壤養(yǎng)分傳感器和微施肥終端，實現對試驗田土壤養(yǎng)分的實時監(jiān)測和自動施肥。同時，選取3塊試驗田附近但不相鄰的3塊田為對照田，于2014-2015年進行大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)性能測試。

1)材料。肥料為硫酸銨、KCl、尿素、有機復合肥和硫酸鉀。

2)結果與分析。對大田施肥數字化管理系統(tǒng)試運行的效果進行分析，以化肥成本和作物產值計算得出經濟效益為指標。

水稻、棉花、玉米大田施肥經濟效益試驗田與對照田的對比關系如表1～表3所示。

表1 水稻田經濟效益試驗田與對照田的對比

表2 棉花田經濟效益試驗田與對照田的對比

表3 玉米地經濟效益試驗田與對照田的對比

從試驗田與對照田的化肥消耗與作物產值比例對比結果可以發(fā)現：本施肥數字化管理系統(tǒng)作用下的試驗田經濟效益較傳統(tǒng)施肥方式具有顯著提高，3塊試驗田經濟效益提高百分比分別為49%、48%和3%，效果顯著，具有較高的推廣運用價值。

5 結論

基于計算機、傳感器網絡、無線通信等技術，建立了大田自動施肥數字化管理系統(tǒng)，以作物生產需求研究為理論基礎，建立施肥相關知識數據庫，并建立邏輯運算庫。利用該系統(tǒng)，針對產能最大化或效益最大化的不同目標，運用不同算法，得出最科學的施肥技術方案，并通過單片機進行自動施肥的執(zhí)行動作，提高了作物施肥管理水平。性能測試試驗證明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以顯著提高作物經濟效益，有非常廣闊的應用前景。

[1] 鄭鐵志，劉玉梅．吉林省保護性耕作技術發(fā)展走勢[J]．農機科技推廣，2011(1)：18-19．

[2] 劉金銅，謝高地．精準農業(yè)概論[M].北京：氣象出版社，2002：47-53.

[3] 張良友．精準施肥技術在農業(yè)綜合開發(fā)項目區(qū)的應用[J]．安徽農業(yè)科學，2005，33(10)：1816．

[4] 趙春江,薛緒掌,王秀,等.精準農業(yè)技術體系的研究進展與展望[J].農業(yè)工程學報，2003,19(4)：7-12.

Design of Digital Management Automatic Fertilization System

Liu Jian，Wu Weisheng

(Pingxiang University, Pingxiang 337000, China)

Referring the problem of blindness in fertilization,unreasonable fertilizer proportioning,low utilization rate of fertilizer,and environment pollution,A digital management system of precision agriculture technology based on Are View,GIS software, Foxpro database software is established to realize automatic fertilizing in field ,in which the soil fertility data and spatial position is obtained through automatic sensor network and transformed to digital management system for generation of field fertilization map.The digital management system is divided into the fertilization database module, fertilizer recommendation module and fertilization control module. The stepper motor is controlled by the singlechip to fertilize precisely corresponding region , the digital management system also has the information search and soil Fertility chart output function, and it has visualized management function, system field test results show that the automatic fertilizing system for field based on digital management system has friendly interface,high fertilization efficiency, and can meet the digital fertilization of field soil, which is of great importance in sustainable development of agriculture.

field; fertilization; digital management; precision agriculture

2016-06-15

江西省教育科學規(guī)劃項目(2015-43)

劉 堅(1982-) ,男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，碩士，(E-mail)liujian0618@163.com。

吳為勝(1981-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，碩士。

S126

A

1003-188X(2017)10-0233-03