基于县域测土配方施肥专家系统的智能配肥系统研制与应用

2017-04-19陈明刘绍贵杭天文

现代农业科技 2016年24期

陈明++刘绍贵++杭天文

摘要施肥方案的科学合理，肥料配置的方便精准是保证施配方肥下地的重要环节。本文基于县域测土配方施肥专家系统推荐的施肥方案数据，采用VB.NET语言、MapObjects组件、Modbus协议等关键性技术研发了一套能够现场查询、实时配制的智能配肥系统。结果表明：系统能够查询到辖区内每个地块，不同作物的科学、精准、个性化的配方；系统操控简便，农户可以独自完成从施肥方案的查询到配方肥料的一键配制；经过实践检验，系统起到了明显节本增收的作用。系统将技术、厂商和农户进行了有效连接，促进了测土配方施肥方案的落地。

关键词县域；测土配方施肥；专家系统；智能配肥系统；GIS技术；Modbus协议

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0295-05

目前，我国农业生产中肥料使用普遍存在着结构不合理，偏施、过量氮肥的情况。长期过量施用化肥會导致土壤的酸化，加剧养分的淋溶，降低了土壤保肥能力[1]，导致土壤的盐渍化、土壤的板结，影响农作物的连作[2]。我国化学肥料的生产同样也存在着很多问题：一是品种结构不合理，以生产低浓度、单一营养的肥料为主；二是复合肥加工工艺不先进[3]，目前的复合肥料生产工艺主要有团粒法、料浆法、掺混法、挤压法等[4-6]，这些工艺普遍存在着能耗高、效率低的弊端；三是新型高效肥料发展进程缓慢。

2009年扬州市耕地质量保护站承担了“县域测土配方施肥专家系统”研发工作，为全国农业部门开展测土配方施肥技术服务提供应用软件和技术支撑。截至2015年，全国已有1 000多个项目县应用扬州市耕地质量保护站研制的工具软件，成功建成了当地的测土配方施肥专家系统。项目县的农业技术员对辖区内的所有主推作物制定了参数模型并生成了施肥方案，通过专家会、商会等形式对参数模型和施肥方案结果进行了科学论断，最终形成了很多具有价值的工作成果。“测土─配方─供肥─施肥”是一个完整的技术流程。但由于种种原因，在很多情况下农民即使有了“县域测土配方施肥专家系统”生成的科学配方也买不到与之相对应的肥料。好的配方不能应用到实际生产中，无形之中就是对测土配方施肥专家系统成果的浪费。本研究就是利用现有的计算机技术，为测土配方施肥建设好“最后一公里”的道路，解决其所面临的窘境。从测土配方施肥的技术角度出发，在已有的“县域测土配方施肥专家系统”成果数据的基础之上，利用GIS组件进行二次开发，结合PLC层面上的Modbus协议，开发了智能配肥系统。系统有效地管理以县为单位的测土配方施肥成果数据，方便农户以地块为单位的作物施肥方案的查询并同步配制精确的配方肥，提升了测土配方施肥工作的实际指导意义。

1 系统设计

1.1 系统架构

基于面向对象的可视化设计，系统总体架构可以拆分为3层，如图1所示。农民、种植大户以及农场主需要使用系统进行作物施肥方案的查询，系统管理者需要对系统进行日常的管理，包括系统设置和数据更新。系统层为用户提供友好且美观的操作界面，保证系统具备良好的用户体验，方便使用。用户可以通过浏览地图来查询自家地块的作物施肥方案，并可以将肥料配比信息发送给配肥机械进行实时配肥。数据层主要对存放的空间数据、属性数据以及各种模型参数进行管理。数据层和系统层能够进行数据交换，系统层对数据进行管理和调用。

1.2 开发技术路线

本研究从用户对配肥机械的需求进行分析，再到对系统设计的可行性进行论证，搜集资料、数据准备和程序开发同步进行，经过与配肥机械进行对接调试，最终投入实际应用。具体开发技术线路如图2所示。

1.3 系统设计原则

1.3.1 规范性。建立标准的工作空间，形成规范的文件结构体系。数据存储严格按照文件结构体系，数据定义严格参照“县域耕地资源管理信息系统”数据字典的规范。

1.3.2 科学性。在作物目标产量预测、施肥模型参数设置、施肥方案生成等一系列过程当中都有成熟的科学理论依据作技术支持，并且生成的施肥方案结果通过了专家的论证，具有科学性、准确性和可控性。

1.3.3 易用性。系统能够长时间、不间断地运行稳定，保障农忙时节肥料配制高峰时期的平稳过渡。系统UI界面友好，操作简便。系统的后台数据维护简便，易于更新。

1.3.4 通用性。系统具有规范的接口，便于和第三方厂商的肥料机械进行系统对接。程序架构标准，方便功能扩展，能够满足未来用户的新需求。

1.4 系统功能模块

按照设计目标，系统以县级工作空间为单位，通过科学规范地管理数据，实现3个核心功能：一是方便快捷地部署数据；二是实现空间数据的可视化，方便用户进行施肥方案的查询；三是按照用户的需求，一键定制作物不同施肥时期的配方肥料。系统总共划分为5个功能模块，如图3所示。

1.4.1 数据管理。数据管理是以县级行政区域为单位，一个县的数据构成一个工作空间。数据管理包括数据的部署、删除以及用户在使用时对数据的选择。

1.4.2 地图操作。在系统中，空间数据以地图的形式展示，用户可以采用放大、缩小、漫游和全图等方式来操作地图。

1.4.3 信息查询。用户通过信息查询功能查看目标地块的相关信息。在信息查询界面中可以查看目标地块所有的属性数据，包括土壤养分、立地条件、理化性状、排灌条件等，可以查看指定作物的施肥方案。

1.4.4 肥料配制。根据查询的施肥方案，用户可以一键定制作物不同施肥时期的配方肥料。培肥机械自动完成称重、搅拌和封装。

1.4.5 系统设置。系统设置功能涵盖系统各个方面的设置，包括销售商设置、基础肥料设置、配肥机设置、打印机设置等。

2 系统开发

2.1 开发环境

程序运行环境定位于Windows平台。开发工具选择的是Microsoft Visual Studio 2008（VB.NET），由于它整合了新的对象并简化了程序语言，程序开发变得更加简洁，开发效率得到了提高[7]。运行框架则选择的是Microsoft. NET Fr-amework 3.5，它拥有多种新的功能特性，便于开发者编写用户体验尚佳的应用程序，可以有效实现跨技术边界的无缝通信。

2.2 数据管理模块实现

2.2.1 数据规范。数据的标准化有助于数据的存储和管理，便于数据的调用和挖掘。要提高数据应用的广度和深度，就需要制定出一套数据标准化的规则，从数据的采集、整理、制作、入库到应用，都要严格按照此规则来进行。

2004年，扬州市耕地质量保护站编写并发行了《县域耕地资源管理信息系统数据字典》[8-9]。此数据字典以《全国耕地地力调查与质量评价技术规范》《测土配方施肥技术规范（试行）》和《測土配方施肥专家咨询系统编制规范（试行）》为依据，经过多年的使用修订已经基本完善，被农业部作为耕地质量管理和测土配方施肥工作的相关数据规范使用，全国各省、市、县所有项目单位都按照此数据字典制作了当地的数据。由于本研究涉及的数据对象与耕地地力评价的数据对象基本是一致的，所以本研究沿用了此套数据字典。

2.2.2 数据库。微软公司的Access数据库提供可视化界面，可以对表、窗体、查询和报表这4个组成部分[10]进行浏览，提供了强大的数据分析汇总的能力，处理较大数据量时有助于提高工作效率。Access数据库可以允许系统的数据访问组件引擎来对数据库进行操作，支持多种程序语言的开发，定位为小型关系型数据库，广泛用于个人、小型企业和公司部门。

Access数据库有其自身优点，也有其不足的地方，结合本文所研究的系统来看，Access数据库凭着部署简单、免费使用的特点成为首选。当然，Access也有其不足，当数据库过大时，其性能严重下降，当数据读写操作刷新过快时也会引起数据库问题[11]，而这些问题出现的条件在本文所研究的系统当中几乎不存在，因此不会对系统的性能有任何影响。

2.2.3 工作空间建立。建立一个脉络清晰、结构合理的工作空间对于数据的存储、管理以及程序的调用都有着重大意义。本文所研究的系统涉及了多种类别的数据，针对不同类别数据的特点制定不同的存储策略是建立工作空间的基础。一个标准的工作空间结构如图4所示。

Model文件夹内存储层次模型、隶属函数模型和县级参数库。DataTable文件夹内存储原始属性数据库。RasterFile文件夹内存储栅格数据。VectorFile文件夹内存储矢量数据，为ShapeFile格式的空间数据。MapFile文件夹内存储用于显示的图集文件。QueryData.mdb主要存储用户查询时的相关历史记录。WorkSpace.wsx文件为工作空间配置文件，记录工作空间的配置信息。

2.3 地图控制模块实现

2.3.1 GIS组件。地理信息系统（Geographic Information System，简称为GIS），它是借助于计算机对基于空间分布的数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。1967年，罗杰·汤姆林森博士开发了世界上第一个地理信息系统（加拿大地理信息系统）用于对土壤、农业、野生动植物进行研究，以分析加拿大农村的土地能力。GIS技术在过去的50多年间得到了迅猛发展，其凭借特有的空间数据展示和分析能力已然已经成为了国防、交通、农业、地质勘查等众多行业应用研究的重要工具[12-13]。

在对系统的研发需求、组件的功能和性能、组件开发的难易度和组件的价格等诸多因素进行综合考虑后，本研究最终选择了ESRI公司的MapObjects组件。MapObjects组件具有众多可编程对象，为开发人员提供了有力的GIS制图支持。支持众多的数据格式，包括“县域测土配方施肥专家系统”所使用的ShapeFile文件，具有完善的图层管理机制，支持图层符号化渲染，提供多种数据查询方式，具有一定的空间分析能力。

2.3.2 地块查找与定位。智能配肥系统的最终用户为肥料销售人员以及农户，他们的文化水平和电脑应用能力普遍较低，在屏幕上通过地图来查找自家地块还存在一定的困难。为了能够引导他们快速查找地块，系统采取了卫星辅助定位、图层逐级显示和农户地块信息库等3项技术，帮助其查找自家地块。

得益于MapObjects组件对栅格文件的支持，数据制作者可以从相关部门购买目标区域内的卫星图片或者航拍片，在制作图集时，将这些卫星图片加入到系统中，可以让使用者根据卫星图片上村庄、建筑、道路以及沟渠等物体信息迅速找到目标地块。图集中包含多个图层，采用逐级显示技术可以在不同比例尺下看到不同的显示内容，解决了多图层同时显示会占用大量计算机系统资源的问题，还可以避免多图层重合显示会让使用者辨识困难的缺点。在查询地块施肥方案查询时，系统会自动建立农户与地块的关联信息，以后只需要按照查询向导选择乡镇、村、组，再选择农户姓名即可直接调出地块的施肥方案信息。

2.4 配方设计模块实现

本系统的核心功能之一就是查询目标地块的施肥方案信息。每个地块施肥方案信息生成的技术流程包括通过计算目标产量[14]─计算作物施肥方案─专家认证─方案发布等环节。具体如图5所示。

采用特尔菲法从全国耕地质量评价指标体系中选取与作物生产潜力密切相关的指标，构成评价指标体系，建立判别矩阵，计算各个评价指标组合权重，形成层次分析模型和隶属函数模型。系统根据这2种模型以及作物最高产量计算出地块的目标产量[14]。

模型参数库保存了目标产量预测、施肥用量推荐以及肥料配方设计过程中所需要的各种参数，基于Access格式文件建立。模型参数库涉及了作物品种、土壤肥料、植物营养、作物栽培等多方面的知识，确保系统从目标产量预测到施肥方案设计更加科学合理。

如果农业技术人员定制的模型参数不合适或者存在错误的操作，都会直接影响到系统最终生成的施肥方案。因此，在发布施肥方案之前需要经过专家们的科学认证，确保不会对农业生产产生负面影响。

2.5 肥料配制模块实现

2.5.1 通讯协议。Modbus协议目前已经成为全球工业领域最流行的通讯协议[15]。在我国，已经将Modbus协议作为国家标准（GB/T 19582—2008）。协议标准开放，可以免费使用，得到了全球众多厂商的支持。协议数据帧结构简单、紧凑，开发维护方便。集合Modbus协议的特性和实际情况，本研究采用了MTU模式和CRC16校验方式来进行通讯，保障数据传输的速度和安全。

2.5.2 通讯流程。实时配制肥料就需要在系统与配肥机械之间建立通讯，将肥料配比和用量的数据传递给配肥机械。通讯流程如图6所示。

2.5.3 通讯安全。在系统与配肥机械通讯的过程当中，由于人为或者环境的影响，可能发生数据传输错误，导致配制出错误配方的肥料、重复配制肥料或者系统运转中断等非正常情况的出现。因此，系统从传输机制、数据校验等层面进行了多重保护。通讯流程即是从传输机制层面确保肥料配制功能的逻辑正确，避免程序运行冲突，从而保障系统能够长时间稳定地运行。数据校验层面的保障则由功能代码来实现。对长时间不响应、CRC校验失败的消息，系统在发送失败后会重复发送，直到达到系统预设次数的上限。

3 系统推广与应用

到目前为止已经与无锡耐特公司、扬州牧羊集团、湖北比富得公司、秦皇岛三农机械公司等6家肥料机械生产厂商进行了合作，生产出了不同外观、不同特点的配肥机械。在《2015—2017年农业机械购置补贴实施指导意见》的指导下面向全国地区进行了销售，涵盖江苏、内蒙、贵州、湖南和福建等多个省份。

仪征市新集镇测土配方施肥合作社成为了第1家智能配肥系统的试验点，2011—2015年每年该机器为周围666.7 hm2左右耕地提供稻麦测土配方施肥方案及配方肥料。统计结果表明，与习惯施肥相比，每季平均节省肥料（纯养分）35.1 kg/hm2，平均增加产量459 kg/hm2，增收节支达1 098.45元/hm2。江苏省吴江、海安、姜堰、张家港以及外省的县市区先后也引入智能配肥系统，为农民提供个性化的配方肥料。得益于GIS技术和Modbus协议的引入，系统实现了空间数据的可视化以及肥料配制的一键式体验。面对新颖的供销模式，广大农民普遍给出了好评。

4 结语

在当前全国已有1 000多个项目县应用软件工具建成了当地的测土配方施肥专家系统的背景下，本研究集合了在各项领域中发挥强大作用的GIS技术以及在工业领域流行甚广的Modbus协议成功完成了智能配肥系统的研发，探索出了一条将测土配方施肥专家系统成果推广给了广大农户的新途径，顺利解决了测土配方施肥“最后一公里”的问题。

（1）系统成功实现了技术、厂商和农户的对接。在将测土配方施肥成果进行推广的同时，确保农户能够购买到相应配方的肥料，实现了测土配方施肥项目、肥料生产销售商家以及广大农户三方共赢的局面。

（2）凭借GIS技术所特有的空间数据展示技术和数据分析能力构建了一套用户体验极佳的交互系统。用户很容易通过地图浏览查询出目标地块的施肥方案。

（3）Modbus在系统和配肥机械之间起到了纽带作用，成功实现了两者之间的通讯，为肥料配制的自动化配制奠定了基础。系统从传输机制、数据校验等层面对通讯进行了多重保护，形成了一套完善的流程体系。用户可以根据自主意愿一键完成多个施肥时期配方肥的配制。

（4）相对于其他基于模型公式实时计算肥料配方的配肥机，本系统所有作物的施肥方案都经过了专家们的论证。在结果的科学性、准确性、可控性上更胜一筹。在特殊情况下，用户可以更改作物的目标产量或者是土壤的化验数据，系统也可以实时计算出新的配方或者用量，系统功能显得更加灵活。

（5）每个使用县域测土配方施肥专家系统的项目县，都已经积累了完整的基础数据和成果数据，可以进一步促进智能配肥系统的推广。智能配肥系统的设计符合测土配方施肥工作的要求，也会进一步加强测土配方施肥技术作用的发挥。

（6）经过地方测土配方施肥合作社的实践检验，智能配肥系统明显能够对农业生产起到节本增收的作用。

5 参考文献

[1] 刘绍贵.集约农业利用下红壤地区土壤肥力和环境质量变化及调控[D].南京：南京农业大学，2007.

[2] 张桃林，李忠佩，王兴祥.高度集约农业利用导致的土壤退化及其生态环境效应[J].土壤学报，2006（5）：843-850.

[3] 石元亮，王玲莉，刘世彬，等.中国化学肥料发展及其对农业的作用[J].土壤学报，2008（5）：852-864.

[4] 李玉峰.复合肥生产工艺综述[J].攀枝花学院学报，2002（5）：83-85.

[5] 张福锁，张卫峰，马文奇，等.中国化肥产业技术与展望[M].北京：化学工业出版社，2006：275.