基于Android的測(cè)土配方及查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳陽 冀汶莉 辜凱誠

摘要：近年來隨著我國互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)進(jìn)入新的階段。農(nóng)耕土壤作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)要素，也一直被各國所重視。但目前在國內(nèi)無論是個(gè)體農(nóng)戶還是一般農(nóng)場，都沒有建立有效的測(cè)土配方及查詢系統(tǒng)。作者通過移動(dòng)終端傳輸已知的土壤相關(guān)參數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用Spring boot框架設(shè)計(jì)完成了測(cè)土配方及查詢系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端農(nóng)戶基本信息管理、土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)管理以及土壤測(cè)土配方計(jì)算，完成了通過移動(dòng)終端的App進(jìn)行土壤參數(shù)上傳和查詢測(cè)土配方信息的功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)信息化；測(cè)土配方施肥；土地管理

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）22-0051-03

Abstract： With the rapid development of Internet and Internet of Things technologies， agriculture informatization has entered a new stage in recent years. As element for the sustainable development of agriculture， soil has always been valued by all countries. However， at present， individual farmers general farms in China， have no tracing and analysis of the important parameters of soil symmetry. The aim of the paper is to designed and completed a soil testing formulation and researching system. The system can manage the user basic information， soil moisture， nutrient data and soil testing formulas. The App could sent the soli data and search the soil testing information.

Key words： smart city； management system of underground pipeline network； risk assessment

農(nóng)業(yè)一直以來是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義[1]。而土壤耕地又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)和載體，世界各發(fā)達(dá)國家都十分重視保護(hù)和提高土壤耕地的質(zhì)量和可持續(xù)性發(fā)展。通過信息技術(shù)全面掌握土壤耕地對(duì)作物生長影響較大的重要參數(shù)，并通過農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)完成有效地施肥和管理不但可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且可以最大限度保護(hù)可耕種土地。

我國的農(nóng)業(yè)，尤其是在耕種土地方面，長期依賴人工和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)，為追求高產(chǎn)片面的提高各種肥料的投入。根據(jù)資料顯示，進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，國內(nèi)化肥的使用量越來越多，莊稼的產(chǎn)量也從原來的低產(chǎn)逐步上升，但是化肥的投入量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)施肥量[2]。這樣不但農(nóng)業(yè)投入成本較大，而且造成了化學(xué)肥料在土壤中堆積對(duì)耕地肥力造成影響。同時(shí)生長于土壤的農(nóng)產(chǎn)品，會(huì)有有害物質(zhì)殘留在里面，對(duì)人類的食品安全產(chǎn)生影響。另外地下水可能會(huì)因此有部分污染物超標(biāo)，沒有被農(nóng)作物利用的養(yǎng)分不僅造成了浪費(fèi)，而且給自然環(huán)境帶來污染隱患，更不利于農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展問題。測(cè)土配方施肥技術(shù)是使施肥能夠避免浪費(fèi)合理施肥的技術(shù)。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立科學(xué)有效的施肥體系，能夠最大限度發(fā)揮化肥在農(nóng)作物生長過程中的積極作用，也能最大限度地減少化肥對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境的負(fù)面影響。[3]

作者提出了基于Android的測(cè)土配方及查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。為了使采集的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)更加合理，首先確定實(shí)驗(yàn)農(nóng)地的劃分以和土壤信息采集點(diǎn)的設(shè)置。然后設(shè)計(jì)了測(cè)土配方的數(shù)學(xué)模型，并利用spring boot框架實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端的測(cè)土配方計(jì)算功能，并為管理員提供操作的可視化管理。最后利用Android技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了專業(yè)App，實(shí)現(xiàn)了通過智能終端的快速查詢功能，同時(shí)為農(nóng)戶提供簡單便捷的測(cè)土配方的推薦功能。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 Spring boot開發(fā)技術(shù)

作者在開發(fā)服務(wù)器功能時(shí)采用了目前流行的Spring boot框架設(shè)計(jì)方法。Spring是一個(gè)輕量級(jí)的IOC和AOP容器框架。輕量級(jí)是指實(shí)現(xiàn)程序不是很復(fù)雜，占用資源不是很多，沒有侵入性。IOC（Inversion of Control）中文解釋為控制反轉(zhuǎn)，是Spring的重點(diǎn)和核心。AOP（Aspect Oriented Programming）是一種面向橫切面編程的方式，可以方便地進(jìn)行功能性擴(kuò)展。

Spring Boot是對(duì)Spring框架的簡化。Spring Boot提供自動(dòng)化配置功能，只需要完整的配置和少量的業(yè)務(wù)處理程序就可以完成一個(gè)基本的Spring Web應(yīng)用。JPA是ORM技術(shù)的一種，也是 JCP區(qū)域發(fā)布的 Java EE標(biāo)準(zhǔn)之一。JPA的框架和接口簡單，基于非侵入式原則設(shè)計(jì)，因此較容易和其他框架或者容器集成。

1.2 測(cè)土配方的數(shù)學(xué)模型

測(cè)土配方施肥技術(shù)的理論體系從19世紀(jì)開始，同時(shí)各國專家學(xué)者也不斷為測(cè)土配方施肥理論體系補(bǔ)充新的內(nèi)容，再加上其他交叉學(xué)科的相互促進(jìn)，涌現(xiàn)出很多揭示有關(guān)植物營養(yǎng)和平衡施肥規(guī)律的理論[3]。本系統(tǒng)采用養(yǎng)分平衡法來完成測(cè)土配方計(jì)算。

養(yǎng)分平衡法是由美國著名土壤科學(xué)家Truog在第七次國際土壤學(xué)會(huì)上提出的，該方法認(rèn)為作物達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)量對(duì)養(yǎng)分的總吸收量減去土壤養(yǎng)分供應(yīng)量即為土壤所缺養(yǎng)分量，該值除以肥料的當(dāng)季利用率和肥料有效養(yǎng)分含量可得到施肥量[4]。計(jì)算公式如下所示：

在模型中，C指關(guān)于某養(yǎng)分應(yīng)施肥量，Wab指某一農(nóng)作物單位產(chǎn)量的養(yǎng)分吸收量，Ytar指某一地區(qū)某一農(nóng)作物目標(biāo)產(chǎn)量，Cs指試驗(yàn)田或者某地區(qū)土壤養(yǎng)分測(cè)定值，Ksoil指某一地區(qū)有效養(yǎng)分校正系數(shù)，Cf指某種化學(xué)肥料中養(yǎng)分含量，Kker指某一地區(qū)某種肥料利用率[5]。

計(jì)算這個(gè)數(shù)學(xué)模型之前需要首先獲取幾個(gè)重要的參數(shù)。首先是目標(biāo)產(chǎn)量，可以采用前三年畝產(chǎn)量的平均值作為它的近似。其次是校正系數(shù)，表示農(nóng)作物實(shí)際吸收某營養(yǎng)元素的值占其在土壤測(cè)得值的百分?jǐn)?shù)，這個(gè)數(shù)值可以由田間實(shí)驗(yàn)獲得。對(duì)于化學(xué)肥料中養(yǎng)分含量這個(gè)參數(shù)，不同類型的肥料也是已知的，某種肥料利用率也是通過田間試驗(yàn)得到的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成

通過實(shí)地走訪灞橋區(qū)農(nóng)戶和查閱相關(guān)科技文獻(xiàn)以及資料，確定了該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的主要功能。系統(tǒng)分為服務(wù)器端和移動(dòng)終端兩個(gè)主要部分。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

在服務(wù)器端完成土地所在行政區(qū)域的管理，土壤的養(yǎng)分基本參數(shù)管理以及測(cè)土配方的計(jì)算。在移動(dòng)終端通過App設(shè)計(jì)與開發(fā)，可以進(jìn)行土壤數(shù)據(jù)上傳、測(cè)土配方的查詢和顯示功能。

由于測(cè)土配方是以土壤的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，還設(shè)計(jì)很多相關(guān)的肥料和土壤吸收率等數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計(jì)測(cè)土配方的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型如圖3所示[6]：

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用了目前流行的MVC的開發(fā)框架，在阿里云Ali Cloud Engine平臺(tái)部署系統(tǒng)，并在該平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)的壓力和功能測(cè)試。

3.1 服務(wù)器端功能

本系統(tǒng)根據(jù)用戶的不同，設(shè)計(jì)了三種角色分別是管理員、普通用戶、超級(jí)管理員。用戶權(quán)限管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)用戶的認(rèn)證、不同角色用戶信息的管理和對(duì)不同角色用戶權(quán)限的分配。系統(tǒng)根據(jù)角色的不同選擇進(jìn)入不同的功能界面。登錄驗(yàn)證頁面如圖4所示：

在用戶信息的管理模塊，超級(jí)管理員用戶和管理員用戶具有對(duì)用戶的個(gè)人信息的維護(hù)權(quán)限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶信息的增刪改查。下圖左半部分是地區(qū)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)省市縣鎮(zhèn)農(nóng)場的五級(jí)管道鋪設(shè)時(shí)間等信息。界面顯示如圖5所示：

農(nóng)戶土壤數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作，可以對(duì)接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量查詢、批量修改和批量刪除以及導(dǎo)入導(dǎo)出的操作。如圖6所示。

測(cè)土配方施肥計(jì)算生成有兩種方式，第一種是服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)完成存儲(chǔ)后，自動(dòng)進(jìn)行測(cè)土配方施肥的計(jì)算，并且將生成的測(cè)土配方施肥結(jié)果回傳給農(nóng)戶的手持終端。第二種是如果有手動(dòng)需要的情況下，在每條傳輸過來的數(shù)據(jù)后面，有一個(gè)“生成施肥建議”的按鈕，點(diǎn)擊“生成施肥建議”服務(wù)器將生成的測(cè)土配方施肥結(jié)果回傳給農(nóng)戶的手持終端。如圖7所示。

3.2 移動(dòng)終端App功能

在手機(jī)端的App中首先由管理員上傳農(nóng)戶的土壤參數(shù)數(shù)據(jù)，方便服務(wù)器端建立土壤重要參數(shù)數(shù)據(jù)庫，其中土壤參數(shù)信息的上傳如圖8所示。在進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)為了數(shù)據(jù)的有效性和高辨識(shí)性，系統(tǒng)采用采集周圍的WIFI信號(hào)思路，經(jīng)過處理之后生成指紋上傳服務(wù)器，保存為該上傳土壤參數(shù)的位置指紋[7]。

用戶登錄以后可以通過查詢行政區(qū)域來檢索土地，當(dāng)農(nóng)戶確認(rèn)好行政區(qū)域后，就可以檢索出該行政區(qū)域下的所有土地以及存儲(chǔ)的土壤相關(guān)參數(shù)。如圖9所示。

用戶選擇農(nóng)作物后輸入目標(biāo)產(chǎn)量，傳輸?shù)椒?wù)器通過測(cè)土配方模塊計(jì)算后，返回的施肥方案顯示在移動(dòng)終端上，如圖10所示。

4 結(jié)論

本文首先分析了在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的社會(huì)環(huán)境下，傳統(tǒng)的施肥耕種存在的問題。結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)和國家對(duì)測(cè)土配方信息化的要求以及農(nóng)業(yè)耕種的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Android的測(cè)土配方及查詢系統(tǒng)。系統(tǒng)完成了對(duì)傳統(tǒng)測(cè)土配方工作的信息化過程，為測(cè)土配方信息化以及將智慧農(nóng)業(yè)如何惠及普通農(nóng)戶提供了新思路。

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【通聯(lián)編輯：王力】