基于土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的多區(qū)間測土配方系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

余勇

摘要：測土配方施肥對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高糧食單產(chǎn)有著重要的意義。該文設(shè)計了一個基于土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的多區(qū)間測土配方肥生產(chǎn)系統(tǒng)，并從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、軟硬件通信設(shè)計、作物施肥專家?guī)鞓?gòu)建等方面對測土配方系統(tǒng)進行了闡述。在河南省數(shù)十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站實際運行使用結(jié)果表明，系統(tǒng)達到了預(yù)期目標(biāo)，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法；測土配肥系統(tǒng)；配方肥

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0261-02

Abstract： Formula fertilization by soil testing to improve the efficiency of agricultural production， has an important significance to improve the grain yield. This paper describes the design of a multi interval soil testing and prescription production system based on soil nutrients abundance and deficiency index， and from the aspect of hardware design， system architecture design， software and hardware design of communication， crop fertilization expert database construction on soil testing system are introduced. In Henan， dozens of villages and towns dohi stations running results showed， the system has achieved the anticipated target， and achieved good economic benefit and social benefit.

Key words： soil nutrients abundance and deficiency index； soil testing and fertilizer system； formula fertilizer

1 背景

作為世界農(nóng)業(yè)大國，改革開放三十多年來，我國的農(nóng)業(yè)取得了令世界矚目的成就，同時也為我國的糧食安全做出了重大貢獻。然而，我國的有效耕地資源十分匱乏，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很多方面處在粗放階段，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障主要農(nóng)產(chǎn)品有效供給，和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是國家一直在著力解決的問題。肥料在糧食增產(chǎn)過程中起著關(guān)鍵的作用，在糧食增產(chǎn)貢獻率中肥料占到35%—40%，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，地塊不同，地力不同，茬口不同，所種作物不同，需要施肥的營養(yǎng)元素和比例也不相同，然而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施肥完全憑經(jīng)驗，沒有科學(xué)的指導(dǎo)，也沒有科學(xué)的施肥方法，導(dǎo)致肥料浪費和環(huán)境污染，甚至?xí)?dǎo)致肥料偏施，不僅達不到施肥增產(chǎn)的效果，還會因為施肥導(dǎo)致作物產(chǎn)量的下降。

測土配方施肥項目是當(dāng)前國家著力推進的一項利民惠農(nóng)工程，依托各級農(nóng)機站等農(nóng)業(yè)服務(wù)部門，利用計算機技術(shù)構(gòu)建測土配方施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)專家指導(dǎo)、精準(zhǔn)施肥?；谕寥镭S缺指標(biāo)和農(nóng)作物種植需求的多區(qū)間測土配肥生產(chǎn)系統(tǒng)通過構(gòu)建專家?guī)臁⑥r(nóng)戶信息庫、田塊土壤豐缺指標(biāo)庫、平衡肥生產(chǎn)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)適應(yīng)不同地塊、不同作物、不同茬口需求的自動化平衡肥生產(chǎn)，同時打印出一對一的施肥建議和施肥方法說明書，農(nóng)戶即可共享專家經(jīng)驗和知識，實現(xiàn)精準(zhǔn)、科學(xué)施肥。本文主要從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、軟硬件通信設(shè)計、作物施肥專家?guī)鞓?gòu)建等方面對系統(tǒng)進行說明。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，明確定義了各子模塊接口，并采用西門子S7-200型PLC作為控制核心，其中，提升機部分負(fù)責(zé)將緩沖倉中的原材料提升到料倉，緩沖倉的原材料緩沖工作同料倉加料工作并行進行，大大提高了系統(tǒng)工作的效率，稱重單元按照在上位機上安裝的智能配肥系統(tǒng)軟件發(fā)送給PLC的控制指令實現(xiàn)定量加料，混合機構(gòu)負(fù)責(zé)將不同原料充分?jǐn)嚢?，并通過成品料灌裝模塊進行裝袋操作，裝袋的同時，打印標(biāo)簽條碼模塊將肥料類型、重量、養(yǎng)分含量、針對的作物名稱、施肥田塊、施肥建議和施肥方法等內(nèi)容進行打印，形成本袋肥料的施肥說明書。硬件系統(tǒng)在運行于工控機上的智能配肥軟件系統(tǒng)的控制下工作。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其中服務(wù)器端采用WCF技術(shù)，客戶端使用C#語言進行開發(fā)。其中，農(nóng)戶信息管理模塊負(fù)責(zé)以行政區(qū)劃為基礎(chǔ)的本區(qū)域內(nèi)農(nóng)戶信息的管理；田塊土壤信息管理模塊負(fù)責(zé)管理農(nóng)戶擁有的田塊信息；田塊信息不僅包括田塊名稱、面積等基本數(shù)據(jù)，還包括由當(dāng)?shù)赝练收静蓸訖z測出的氮磷鉀等營養(yǎng)元素含量，這也是后續(xù)配肥過程中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源之一。配肥信息查詢、銷售數(shù)據(jù)管理、原材料和包裝袋管理等模塊實現(xiàn)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的管理和統(tǒng)計查詢。作物施肥專家?guī)煜到y(tǒng)負(fù)責(zé)管理不同作物、不同茬口、不同地力、不同施肥期的情況下建議的施肥量、施肥方法等配肥決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。配肥終端系統(tǒng)負(fù)責(zé)向硬件系統(tǒng)發(fā)送配肥指令、打印標(biāo)簽條碼等工作。配肥終端系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)設(shè)備可根據(jù)需要在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站安裝、配置，以服務(wù)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2。

3 軟硬件通信設(shè)計

軟硬件通信采用串口通信的方式，通信協(xié)議采用工業(yè)界常用的Modbus通信協(xié)議為基礎(chǔ)協(xié)議，通過自定義數(shù)據(jù)格式和含義的方式實現(xiàn)格式數(shù)據(jù)的傳輸。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用雙重驗證方式確保數(shù)據(jù)傳輸正確。首先采用CRC校驗方法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行正確性校驗，沒有通過驗證，則請求重新傳輸數(shù)據(jù)；其次上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，PLC接收到數(shù)據(jù)并通過CRC校驗之后，數(shù)據(jù)被放入專用的數(shù)據(jù)校驗寄存器，供上位機讀取并核對，如果發(fā)現(xiàn)讀取的數(shù)據(jù)同發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸錯誤，請求重新數(shù)據(jù)傳輸。

4 作物施肥專家?guī)鞓?gòu)建

作物的施肥量和施肥種類需要根據(jù)地力、茬口、作物的不同而調(diào)整，根據(jù)農(nóng)業(yè)部2011年發(fā)布的《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范（2011版）》標(biāo)準(zhǔn)，在確定經(jīng)濟合理的肥料施用量方法方面，主要包括土壤與植物測試推薦施肥法、肥料效應(yīng)函數(shù)法、土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法、養(yǎng)分平衡法等方法。這些方法各有特點，應(yīng)用時往往可以并存，互相滲透和補充，力求達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和經(jīng)濟效益平衡的目標(biāo)。

4.1 專家決策支持系統(tǒng)

采用土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法等方法，并根據(jù)作物類別、茬口、施肥時期等多種因素去確定施肥量和施肥方法，對于普通農(nóng)民甚至是基層農(nóng)技工作者來說都是一件困難的事情。通過構(gòu)建一套專家決策支持系統(tǒng)，將專家的經(jīng)驗量化、標(biāo)準(zhǔn)化和流程化，構(gòu)建成專家知識庫，并為配肥終端系統(tǒng)提供自動配肥參數(shù)支持。

專家決策支持構(gòu)建采用圖形化的方法，將問題、回答（帶有注釋的剪線表示）、結(jié)論進行圖形化表示，采用組件拖動的方式實現(xiàn)流程的建立，使得系統(tǒng)更易于使用。專家決策支持構(gòu)建界面如圖3。

4.2 基于土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法的施肥量計算

參照農(nóng)業(yè)部《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范（試行）修訂稿》，以測土施肥為理論的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法是通過多點田間試驗，將土壤有效養(yǎng)分的化學(xué)測定值（相對值）按田間試驗所獲得的作物相對量（用缺素區(qū)產(chǎn)量占全肥區(qū)產(chǎn)量百分比即相對產(chǎn)量的高低來表達土壤養(yǎng)分的豐缺情況）劃分為3～5個等級作為土壤豐缺指標(biāo)，然后按等級布置田間試驗，求得在某一類型土壤上作物產(chǎn)量與施肥關(guān)系的曲線，作為建議施肥量的依據(jù)。土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)田間試驗可采用“3414”實施方案，相對產(chǎn)量低于60%（不含）的土壤養(yǎng)分為低；相對產(chǎn)量60%～75%（不含）為較低，75%～90%（不含）為中，90%～95%（不含）為較高，95%（含）以上為高，從而確定適用于某一區(qū)域、某種作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)及對應(yīng)的肥料施用數(shù)量。對該區(qū)域其他田塊，通過土壤養(yǎng)分測試，就可以了解土壤養(yǎng)分的豐缺狀況，提出相應(yīng)的推薦施肥量[1]。

以土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法為基礎(chǔ)，根據(jù)田塊所在區(qū)域的實際情況，由當(dāng)?shù)貙＜揖C合肥料效應(yīng)函數(shù)法、養(yǎng)分平衡法等方法，提出相應(yīng)的推薦施肥量，設(shè)計一種多區(qū)間測土配方施肥量的計算公式如下：

5 結(jié)束語

基于土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的多區(qū)間測土配方系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方式，可以根據(jù)田塊土壤養(yǎng)分實測數(shù)據(jù)，結(jié)合茬口、所種作物、目標(biāo)產(chǎn)量等因素，實現(xiàn)智能化、自動化配肥生產(chǎn)。硬件系統(tǒng)采用西門子S7-200型PLC作為控制核心，采用模塊化的設(shè)計理念，明晰的硬件結(jié)構(gòu)，提高了運行可靠性。軟件系統(tǒng)人機接口友好，功能豐富，方便基層農(nóng)技工作人員操作應(yīng)用。

本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高糧食單產(chǎn)有著重要的意義，通過在河南省數(shù)十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站實際運行使用，達到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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