大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

劉 堅(jiān)，吳為勝

(萍鄉(xiāng)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

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大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

劉 堅(jiān)，吳為勝

(萍鄉(xiāng)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

目前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在盲目施肥、施肥結(jié)構(gòu)不合理及肥料利用率低等問題，造成了肥料大量浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。為此，基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的數(shù)字化管理技術(shù)，利用GIS軟件AreView、數(shù)據(jù)庫軟件Foxpro，建立了大田自動(dòng)施肥作業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)，以自動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)獲取大田土壤肥力數(shù)據(jù)和空間位置信息，自動(dòng)導(dǎo)入自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)，生成大田土壤肥力地圖，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)對相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)施肥。本數(shù)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(jìn)行可視化管理。大田試驗(yàn)結(jié)果表明：基于數(shù)字化管理系統(tǒng)的大田自動(dòng)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(shù)字化施肥，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

大田；施肥；數(shù)字化管理；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

0 引言

作為化肥消費(fèi)大國，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在化肥的施用方面存在化肥投入結(jié)構(gòu)不合理的問題，化肥被農(nóng)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(nóng)田中的化肥滯留在土壤中，或被水沖刷帶走，氮肥經(jīng)反硝化細(xì)菌作用生成氮?dú)饣驕厥覛怏w一氧化氮，由此造成極大經(jīng)濟(jì)損失和對土壤和大氣環(huán)境的污染。如何合理地、科學(xué)地進(jìn)行化肥施用，研究施肥的方式方法、施肥時(shí)機(jī)和用量，對我國農(nóng)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(shù)的發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流，根據(jù)作物生長屬性，研究作物水養(yǎng)份需求，按需分配農(nóng)業(yè)資源和生產(chǎn)要素，從而提高農(nóng)業(yè)資源利用率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)率，對實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化意義重大[2]。

近年來，作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向之一，通過各種方法獲得土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)信息，據(jù)此制定施肥方案的測土施肥研究和實(shí)踐在我國取得了一定的成績[3]。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分—農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理系統(tǒng)的建立，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理的技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)末提出的數(shù)字農(nóng)業(yè)的概念，即指利用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)及人工智能等技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)、控制、服務(wù)和管理。例如，以作物與土壤相互作用機(jī)理為基礎(chǔ)，控制農(nóng)作物合理施肥，從而提高作物管理水平和農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)。

數(shù)字化管理系統(tǒng)的建立核心在于建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。為此，本文通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立大田施肥作業(yè)的土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，通過文獻(xiàn)檢索、調(diào)研分析建立施肥建議專家系統(tǒng)，并通過單片機(jī)連接步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行自動(dòng)施肥操作。因大田環(huán)境較之于溫室環(huán)境存在生產(chǎn)要素多變的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字化管理技術(shù)定量地分析各因素與作物生長之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)科學(xué)施肥，提高化肥利用率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益及農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)，減少化肥環(huán)境污染，提高農(nóng)民收入[4]。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)基于RIA 體系結(jié)構(gòu),利用GIS軟件Are View、數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)。

1.2 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

1)硬件設(shè)計(jì)包括土壤養(yǎng)分傳感器、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及施肥終端。

2)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括測土施肥數(shù)據(jù)庫模塊、推薦施肥運(yùn)算模塊和施肥控制模塊等。

1.3 數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫包括土壤養(yǎng)分屬性、空間位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及系列知識單元數(shù)據(jù)庫。其中，知識單元數(shù)據(jù)庫包括土壤類型、土壤肥力等級、專家施肥建議及邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)庫，可以針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的具體數(shù)據(jù)信息，以知識單元數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，進(jìn)行推理，得出施肥決策。

將土壤養(yǎng)分空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)連接起來，才能實(shí)現(xiàn)具體地塊的精準(zhǔn)施肥操作的控制管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用SQL Server數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，空間數(shù)據(jù)以Shape File 格式進(jìn)行存儲(chǔ)，在Visual Basic 6.0和Map Object 2.0編制的系統(tǒng)中自動(dòng)連接屬性數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)的開發(fā)過程

大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程按照規(guī)范，分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4個(gè)步驟進(jìn)行開發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)來源

傳感器采用現(xiàn)場采集和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)補(bǔ)充數(shù)據(jù)，包括氮、磷、鉀等肥力數(shù)據(jù)，通過GPS與RS和傳感器傳輸至數(shù)字化管理系統(tǒng)。

從來源種類上來看，實(shí)體數(shù)據(jù)有農(nóng)戶、地塊、網(wǎng)格、化肥、土壤養(yǎng)分。具體包括：①化肥(名稱、價(jià)格，以及氮、磷、鉀含量)；②生長性狀(葉面積、葉片數(shù)、穗位、株高)；③土壤養(yǎng)分(速效磷、速效鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì))等。

2.2 土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)圖示

采用荷蘭ArcGIS的Spatial Analyst模塊為主要手段進(jìn)行養(yǎng)分含量空間分類。模塊簡單易用，并可根據(jù)土壤養(yǎng)分差異進(jìn)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(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括各種知識子數(shù)據(jù)庫，包括土壤種類數(shù)據(jù)庫、土壤肥力數(shù)據(jù)庫、化肥配比與作物產(chǎn)量相關(guān)研究數(shù)據(jù)庫、化肥(品種、市場價(jià)格)數(shù)據(jù)庫、作物產(chǎn)品價(jià)格數(shù)據(jù)庫、邏輯運(yùn)算庫和人機(jī)對話輸出庫。

邏輯運(yùn)算庫包括多級計(jì)算推理數(shù)學(xué)公式，并與知識庫分開獨(dú)立運(yùn)行，以保證較高的運(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，邏輯推理將推薦施肥方式、施肥用量等結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)施肥。

在施肥推薦邏輯推理模塊中，對磷肥的施用計(jì)算采用總量平衡法進(jìn)行滴灌，對氮肥的施用采用目標(biāo)產(chǎn)量模型進(jìn)行計(jì)算，以噴灌的方式給肥。

2.5 最佳施肥量的計(jì)算

邏輯運(yùn)算庫依據(jù)不同品種大田作物的文獻(xiàn)分析和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得到不同作物的土壤養(yǎng)分校驗(yàn)系數(shù)，據(jù)此可根據(jù)傳感器所得土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算得到土壤單位面積的有效養(yǎng)分，并結(jié)合肥料價(jià)格、作物產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)行綜合計(jì)算，得出經(jīng)濟(jì)效益最大化的施肥方式。

3 系統(tǒng)的運(yùn)行

由檢測端土壤養(yǎng)分傳感器結(jié)合化學(xué)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(wǎng)絡(luò)傳輸或用戶自主輸入養(yǎng)分信息；數(shù)字化管理系統(tǒng)進(jìn)行系列邏輯運(yùn)算，確定最大經(jīng)濟(jì)效益的施肥配方、用量和方式；施肥推薦結(jié)果傳輸至單片機(jī)，由單片機(jī)輸出脈沖信號的寬度，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制施肥終端，根據(jù)空間數(shù)據(jù)對各塊大田進(jìn)行精準(zhǔn)施肥。

3.1 系統(tǒng)功能

1)根據(jù)傳感端的數(shù)據(jù)結(jié)果，與系統(tǒng)知識子數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(jù)土壤肥力等級，結(jié)合土壤實(shí)時(shí)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)信息，進(jìn)行化肥施用成本和作物產(chǎn)值的核算，得出經(jīng)濟(jì)效益最大化的施肥技術(shù)方案；

3)根據(jù)施肥技術(shù)方案，自動(dòng)控制施肥端進(jìn)行精準(zhǔn)施肥；

4)根據(jù)不同需求，可分別得出最佳產(chǎn)量的施肥方案或經(jīng)濟(jì)效益最大化的最佳產(chǎn)投比施肥方案。

3.2 報(bào)表生成功能

系統(tǒng)的輸出庫可存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)表，供輸出調(diào)用，或者用戶可利用系統(tǒng)另行自主創(chuàng)建報(bào)表。

3.3 地圖制作輸出

根據(jù)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(jié)果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

試驗(yàn)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(yàn)田均勻分布安裝土壤養(yǎng)分傳感器和微施肥終端，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)田土壤養(yǎng)分的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)施肥。同時(shí)，選取3塊試驗(yàn)田附近但不相鄰的3塊田為對照田，于2014-2015年進(jìn)行大田自動(dòng)施肥數(shù)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(jī)復(fù)合肥和硫酸鉀。

2)結(jié)果與分析。對大田施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)試運(yùn)行的效果進(jìn)行分析，以化肥成本和作物產(chǎn)值計(jì)算得出經(jīng)濟(jì)效益為指標(biāo)。

水稻、棉花、玉米大田施肥經(jīng)濟(jì)效益試驗(yàn)田與對照田的對比關(guān)系如表1～表3所示。

表1 水稻田經(jīng)濟(jì)效益試驗(yàn)田與對照田的對比

表2 棉花田經(jīng)濟(jì)效益試驗(yàn)田與對照田的對比

表3 玉米地經(jīng)濟(jì)效益試驗(yàn)田與對照田的對比

從試驗(yàn)田與對照田的化肥消耗與作物產(chǎn)值比例對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：本施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)作用下的試驗(yàn)田經(jīng)濟(jì)效益較傳統(tǒng)施肥方式具有顯著提高，3塊試驗(yàn)田經(jīng)濟(jì)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(yùn)用價(jià)值。

5 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信等技術(shù)，建立了大田自動(dòng)施肥數(shù)字化管理系統(tǒng)，以作物生產(chǎn)需求研究為理論基礎(chǔ)，建立施肥相關(guān)知識數(shù)據(jù)庫，并建立邏輯運(yùn)算庫。利用該系統(tǒng)，針對產(chǎn)能最大化或效益最大化的不同目標(biāo)，運(yùn)用不同算法，得出最科學(xué)的施肥技術(shù)方案，并通過單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)施肥的執(zhí)行動(dòng)作，提高了作物施肥管理水平。性能測試試驗(yàn)證明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以顯著提高作物經(jīng)濟(jì)效益，有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 鄭鐵志，劉玉梅．吉林省保護(hù)性耕作技術(shù)發(fā)展走勢[J]．農(nóng)機(jī)科技推廣，2011(1)：18-19．

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

[3] 張良友．精準(zhǔn)施肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項(xiàng)目區(qū)的應(yīng)用[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33(10)：1816．

[4] 趙春江,薛緒掌,王秀,等.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(2015-43)

劉 堅(jiān)(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