大田自动施肥数字化管理系统设计开发

刘 坚，吴为胜

(萍乡学院，江西 萍乡 337000)



大田自动施肥数字化管理系统设计开发

刘 坚，吴为胜

(萍乡学院，江西 萍乡 337000)

目前，国内农业生产中存在盲目施肥、施肥结构不合理及肥料利用率低等问题，造成了肥料大量浪费和环境污染问题。为此，基于精准农业技术的数字化管理技术，利用GIS软件AreView、数据库软件Foxpro，建立了大田自动施肥作业的数字化管理系统，以自动传感网络获取大田土壤肥力数据和空间位置信息，自动导入自动施肥数字化管理系统，生成大田土壤肥力地图，通过单片机控制步进电机对相应区域进行自动精准施肥。本数字化管理系统还具有信息查询、土壤肥力图表输出等功能，可进行可视化管理。大田试验结果表明：基于数字化管理系统的大田自动施肥系统界面友好，施肥高效，能满足大田土壤环境的数字化施肥，对农业可持续发展意义重大。

大田；施肥；数字化管理；精准农业

0 引言

作为化肥消费大国，我国农业生产在化肥的施用方面存在化肥投入结构不合理的问题，化肥被农作物吸收利用的比率非常低。其中，氮肥、磷肥、钾肥等化肥利用率均在55%以下，磷肥利用率更低至10%～25%。大量施用到农田中的化肥滞留在土壤中，或被水冲刷带走，氮肥经反硝化细菌作用生成氮气或温室气体一氧化氮，由此造成极大经济损失和对土壤和大气环境的污染。如何合理地、科学地进行化肥施用，研究施肥的方式方法、施肥时机和用量，对我国农业可持续发展有着非常积极的意义[1]。

随着信息支持技术的发展，精准农业成为当今世界农业发展的主流，根据作物生长属性，研究作物水养份需求，按需分配农业资源和生产要素，从而提高农业资源利用率、农业生产经济效益和农产品产率，对实现我国农业现代化意义重大[2]。

近年来，作为精准农业技术发展方向之一，通过各种方法获得土壤养分数据信息，据此制定施肥方案的测土施肥研究和实践在我国取得了一定的成绩[3]。

精准农业的一个重要组成部分—农业数字化管理系统的建立，是实现数字化管理的技术基础。20世纪末提出的数字农业的概念，即指利用计算机、通信、网络及人工智能等技术，对农业生产进行设计、协调、控制、服务和管理。例如，以作物与土壤相互作用机理为基础，控制农作物合理施肥，从而提高作物管理水平和农作物产品品质。

数字化管理系统的建立核心在于建立相关数据库。为此，本文通过无线传感网络建立大田施肥作业的土壤养分实时数据库，通过文献检索、调研分析建立施肥建议专家系统，并通过单片机连接步进电机，进行自动施肥操作。因大田环境较之于温室环境存在生产要素多变的特点，运用数字化管理技术定量地分析各因素与作物生长之间的关系，可实现精准科学施肥，提高化肥利用率、农业生产经济效益及农作物产品品质，减少化肥环境污染，提高农民收入[4]。

1 设计原理及结构

1.1 总体结构设计

大田自动施肥数字化管理系统基于RIA 体系结构,利用GIS软件Are View、数据库软件Fox Pro开发，通过Visual Basic 6.0和Map Object 2.0编程语言来实现。

1.2 硬件系统和软件系统

1)硬件设计包括土壤养分传感器、计算机、单片机、步进电机及施肥终端。

2)系统软件设计包括测土施肥数据库模块、推荐施肥运算模块和施肥控制模块等。

1.3 数据库的建立

数据库包括土壤养分属性、空间位置实时数据库及系列知识单元数据库。其中，知识单元数据库包括土壤类型、土壤肥力等级、专家施肥建议及逻辑运算数据库，可以针对实时数据库的具体数据信息，以知识单元数据库为依据，进行推理，得出施肥决策。

将土壤养分空间数据与属性数据连接起来，才能实现具体地块的精准施肥操作的控制管理。本系统设计利用SQL Server数据库作为数据服务器，空间数据以Shape File 格式进行存储，在Visual Basic 6.0和Map Object 2.0编制的系统中自动连接属性数据。

2 系统的开发过程

大田自动施肥数字化管理系统的设计过程按照规范，分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计及物理结构设计4个步骤进行开发。

2.1 数据来源

传感器采用现场采集和实验室化验补充数据，包括氮、磷、钾等肥力数据，通过GPS与RS和传感器传输至数字化管理系统。

从来源种类上来看，实体数据有农户、地块、网格、化肥、土壤养分。具体包括：①化肥(名称、价格，以及氮、磷、钾含量)；②生长性状(叶面积、叶片数、穗位、株高)；③土壤养分(速效磷、速效钾、碱解氮、有机质)等。

2.2 土壤养分含量数据图示

采用荷兰ArcGIS的Spatial Analyst模块为主要手段进行养分含量空间分类。模块简单易用，并可根据土壤养分差异进行绘图打印，得到清晰的土壤养分含量图示。

2.3 知识库的建造

大田自动施肥数字化管理系统数据库包括各种知识子数据库，包括土壤种类数据库、土壤肥力数据库、化肥配比与作物产量相关研究数据库、化肥(品种、市场价格)数据库、作物产品价格数据库、逻辑运算库和人机对话输出库。

逻辑运算库包括多级计算推理数学公式，并与知识库分开独立运行，以保证较高的运算速度。

2.4 推荐施肥模块的建立

采用嵌入模块MapObject2.0，在ActiveXVB6.0下进行系统设计，逻辑推理将推荐施肥方式、施肥用量等结果传输到单片机控制系统，控制步进电机施肥。

在施肥推荐逻辑推理模块中，对磷肥的施用计算采用总量平衡法进行滴灌，对氮肥的施用采用目标产量模型进行计算，以喷灌的方式给肥。

2.5 最佳施肥量的计算

逻辑运算库依据不同品种大田作物的文献分析和实验，经数理统计分析得到不同作物的土壤养分校验系数，据此可根据传感器所得土壤养分数据，计算得到土壤单位面积的有效养分，并结合肥料价格、作物产品价格进行综合计算，得出经济效益最大化的施肥方式。

3 系统的运行

由检测端土壤养分传感器结合化学辅助分析方法，得到各块大田的土壤养分信息，通过无线传感网络传输或用户自主输入养分信息；数字化管理系统进行系列逻辑运算，确定最大经济效益的施肥配方、用量和方式；施肥推荐结果传输至单片机，由单片机输出脉冲信号的宽度，调节步进电机转速，从而控制施肥终端，根据空间数据对各块大田进行精准施肥。

3.1 系统功能

1)根据传感端的数据结果，与系统知识子数据库进行逻辑分析，可以得出土壤肥力水平，以土壤肥力等级表示；

2)根据土壤肥力等级，结合土壤实时养分数据信息，进行化肥施用成本和作物产值的核算，得出经济效益最大化的施肥技术方案；

3)根据施肥技术方案，自动控制施肥端进行精准施肥；

4)根据不同需求，可分别得出最佳产量的施肥方案或经济效益最大化的最佳产投比施肥方案。

3.2 报表生成功能

系统的输出库可存储一定时间内的数据报表，供输出调用，或者用户可利用系统另行自主创建报表。

3.3 地图制作输出

根据土壤的不同肥力情况，系统能够以不同颜色及深浅打印输出土壤肥力地图，从而为用户提供土壤肥力的直观结果。

4 系统应用

试验大田选择江西某地水稻大田、湖北某地棉花大田及广西某地甘蔗地，在3块试验田均匀分布安装土壤养分传感器和微施肥终端，实现对试验田土壤养分的实时监测和自动施肥。同时，选取3块试验田附近但不相邻的3块田为对照田，于2014-2015年进行大田自动施肥数字化管理系统性能测试。

1)材料。肥料为硫酸铵、KCl、尿素、有机复合肥和硫酸钾。

2)结果与分析。对大田施肥数字化管理系统试运行的效果进行分析，以化肥成本和作物产值计算得出经济效益为指标。

水稻、棉花、玉米大田施肥经济效益试验田与对照田的对比关系如表1～表3所示。

表1 水稻田经济效益试验田与对照田的对比

表2 棉花田经济效益试验田与对照田的对比

表3 玉米地经济效益试验田与对照田的对比

从试验田与对照田的化肥消耗与作物产值比例对比结果可以发现：本施肥数字化管理系统作用下的试验田经济效益较传统施肥方式具有显著提高，3块试验田经济效益提高百分比分别为49%、48%和3%，效果显著，具有较高的推广运用价值。

5 结论

基于计算机、传感器网络、无线通信等技术，建立了大田自动施肥数字化管理系统，以作物生产需求研究为理论基础，建立施肥相关知识数据库，并建立逻辑运算库。利用该系统，针对产能最大化或效益最大化的不同目标，运用不同算法，得出最科学的施肥技术方案，并通过单片机进行自动施肥的执行动作，提高了作物施肥管理水平。性能测试试验证明：系统运行稳定，可以显著提高作物经济效益，有非常广阔的应用前景。

[1] 郑铁志，刘玉梅．吉林省保护性耕作技术发展走势[J]．农机科技推广，2011(1)：18-19．

[2] 刘金铜，谢高地．精准农业概论[M].北京：气象出版社，2002：47-53.

[3] 张良友．精准施肥技术在农业综合开发项目区的应用[J]．安徽农业科学，2005，33(10)：1816．

[4] 赵春江,薛绪掌,王秀,等.精准农业技术体系的研究进展与展望[J].农业工程学报，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

江西省教育科学规划项目(2015-43)

刘 坚(1982-) ,男，江西萍乡人，讲师，硕士，(E-mail)liujian0618@163.com。

吴为胜(1981-)，男，江西萍乡人，讲师，硕士。

S126

A

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