基于縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)的智能配肥系統(tǒng)研制與應用

陳明++劉紹貴++杭天文

摘要 施肥方案的科學合理，肥料配置的方便精準是保證施配方肥下地的重要環(huán)節(jié)。本文基于縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)推薦的施肥方案數(shù)據(jù)，采用VB.NET語言、MapObjects組件、Modbus協(xié)議等關鍵性技術研發(fā)了一套能夠現(xiàn)場查詢、實時配制的智能配肥系統(tǒng)。結果表明：系統(tǒng)能夠查詢到轄區(qū)內每個地塊，不同作物的科學、精準、個性化的配方；系統(tǒng)操控簡便，農戶可以獨自完成從施肥方案的查詢到配方肥料的一鍵配制；經過實踐檢驗，系統(tǒng)起到了明顯節(jié)本增收的作用。系統(tǒng)將技術、廠商和農戶進行了有效連接，促進了測土配方施肥方案的落地。

關鍵詞 縣域；測土配方施肥；專家系統(tǒng)；智能配肥系統(tǒng)；GIS技術；Modbus協(xié)議

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）24-0295-05

目前，我國農業(yè)生產中肥料使用普遍存在著結構不合理，偏施、過量氮肥的情況。長期過量施用化肥會導致土壤的酸化，加劇養(yǎng)分的淋溶，降低了土壤保肥能力[1]，導致土壤的鹽漬化、土壤的板結，影響農作物的連作[2]。我國化學肥料的生產同樣也存在著很多問題：一是品種結構不合理，以生產低濃度、單一營養(yǎng)的肥料為主；二是復合肥加工工藝不先進[3]，目前的復合肥料生產工藝主要有團粒法、料漿法、摻混法、擠壓法等[4-6]，這些工藝普遍存在著能耗高、效率低的弊端；三是新型高效肥料發(fā)展進程緩慢。

2009年揚州市耕地質量保護站承擔了“縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)”研發(fā)工作，為全國農業(yè)部門開展測土配方施肥技術服務提供應用軟件和技術支撐。截至2015年，全國已有1 000多個項目縣應用揚州市耕地質量保護站研制的工具軟件，成功建成了當?shù)氐臏y土配方施肥專家系統(tǒng)。項目縣的農業(yè)技術員對轄區(qū)內的所有主推作物制定了參數(shù)模型并生成了施肥方案，通過專家會、商會等形式對參數(shù)模型和施肥方案結果進行了科學論斷，最終形成了很多具有價值的工作成果。“測土─配方─供肥─施肥”是一個完整的技術流程。但由于種種原因，在很多情況下農民即使有了“縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)”生成的科學配方也買不到與之相對應的肥料。好的配方不能應用到實際生產中，無形之中就是對測土配方施肥專家系統(tǒng)成果的浪費。本研究就是利用現(xiàn)有的計算機技術，為測土配方施肥建設好“最后一公里”的道路，解決其所面臨的窘境。從測土配方施肥的技術角度出發(fā)，在已有的“縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)”成果數(shù)據(jù)的基礎之上，利用GIS組件進行二次開發(fā)，結合PLC層面上的Modbus協(xié)議，開發(fā)了智能配肥系統(tǒng)。系統(tǒng)有效地管理以縣為單位的測土配方施肥成果數(shù)據(jù)，方便農戶以地塊為單位的作物施肥方案的查詢并同步配制精確的配方肥，提升了測土配方施肥工作的實際指導意義。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

基于面向對象的可視化設計，系統(tǒng)總體架構可以拆分為3層，如圖1所示。農民、種植大戶以及農場主需要使用系統(tǒng)進行作物施肥方案的查詢，系統(tǒng)管理者需要對系統(tǒng)進行日常的管理，包括系統(tǒng)設置和數(shù)據(jù)更新。系統(tǒng)層為用戶提供友好且美觀的操作界面，保證系統(tǒng)具備良好的用戶體驗，方便使用。用戶可以通過瀏覽地圖來查詢自家地塊的作物施肥方案，并可以將肥料配比信息發(fā)送給配肥機械進行實時配肥。數(shù)據(jù)層主要對存放的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及各種模型參數(shù)進行管理。數(shù)據(jù)層和系統(tǒng)層能夠進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)層對數(shù)據(jù)進行管理和調用。

1.2 開發(fā)技術路線

本研究從用戶對配肥機械的需求進行分析，再到對系統(tǒng)設計的可行性進行論證，搜集資料、數(shù)據(jù)準備和程序開發(fā)同步進行，經過與配肥機械進行對接調試，最終投入實際應用。具體開發(fā)技術線路如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)設計原則

1.3.1 規(guī)范性。建立標準的工作空間，形成規(guī)范的文件結構體系。數(shù)據(jù)存儲嚴格按照文件結構體系，數(shù)據(jù)定義嚴格參照“縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)”數(shù)據(jù)字典的規(guī)范。

1.3.2 科學性。在作物目標產量預測、施肥模型參數(shù)設置、施肥方案生成等一系列過程當中都有成熟的科學理論依據(jù)作技術支持，并且生成的施肥方案結果通過了專家的論證，具有科學性、準確性和可控性。

1.3.3 易用性。系統(tǒng)能夠長時間、不間斷地運行穩(wěn)定，保障農忙時節(jié)肥料配制高峰時期的平穩(wěn)過渡。系統(tǒng)UI界面友好，操作簡便。系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)維護簡便，易于更新。

1.3.4 通用性。系統(tǒng)具有規(guī)范的接口，便于和第三方廠商的肥料機械進行系統(tǒng)對接。程序架構標準，方便功能擴展，能夠滿足未來用戶的新需求。

1.4 系統(tǒng)功能模塊

按照設計目標，系統(tǒng)以縣級工作空間為單位，通過科學規(guī)范地管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)3個核心功能：一是方便快捷地部署數(shù)據(jù)；二是實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化，方便用戶進行施肥方案的查詢；三是按照用戶的需求，一鍵定制作物不同施肥時期的配方肥料。系統(tǒng)總共劃分為5個功能模塊，如圖3所示。

1.4.1 數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理是以縣級行政區(qū)域為單位，一個縣的數(shù)據(jù)構成一個工作空間。數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)的部署、刪除以及用戶在使用時對數(shù)據(jù)的選擇。

1.4.2 地圖操作。在系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)以地圖的形式展示，用戶可以采用放大、縮小、漫游和全圖等方式來操作地圖。

1.4.3 信息查詢。用戶通過信息查詢功能查看目標地塊的相關信息。在信息查詢界面中可以查看目標地塊所有的屬性數(shù)據(jù)，包括土壤養(yǎng)分、立地條件、理化性狀、排灌條件等，可以查看指定作物的施肥方案。

1.4.4 肥料配制。根據(jù)查詢的施肥方案，用戶可以一鍵定制作物不同施肥時期的配方肥料。培肥機械自動完成稱重、攪拌和封裝。

1.4.5 系統(tǒng)設置。系統(tǒng)設置功能涵蓋系統(tǒng)各個方面的設置，包括銷售商設置、基礎肥料設置、配肥機設置、打印機設置等。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 開發(fā)環(huán)境

程序運行環(huán)境定位于Windows平臺。開發(fā)工具選擇的是Microsoft Visual Studio 2008（VB.NET），由于它整合了新的對象并簡化了程序語言，程序開發(fā)變得更加簡潔，開發(fā)效率得到了提高[7]。運行框架則選擇的是Microsoft. NET Fr-amework 3.5，它擁有多種新的功能特性，便于開發(fā)者編寫用戶體驗尚佳的應用程序，可以有效實現(xiàn)跨技術邊界的無縫通信。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)規(guī)范。數(shù)據(jù)的標準化有助于數(shù)據(jù)的存儲和管理，便于數(shù)據(jù)的調用和挖掘。要提高數(shù)據(jù)應用的廣度和深度，就需要制定出一套數(shù)據(jù)標準化的規(guī)則，從數(shù)據(jù)的采集、整理、制作、入庫到應用，都要嚴格按照此規(guī)則來進行。

2004年，揚州市耕地質量保護站編寫并發(fā)行了《縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典》[8-9]。此數(shù)據(jù)字典以《全國耕地地力調查與質量評價技術規(guī)范》《測土配方施肥技術規(guī)范（試行）》和《測土配方施肥專家咨詢系統(tǒng)編制規(guī)范（試行）》為依據(jù)，經過多年的使用修訂已經基本完善，被農業(yè)部作為耕地質量管理和測土配方施肥工作的相關數(shù)據(jù)規(guī)范使用，全國各省、市、縣所有項目單位都按照此數(shù)據(jù)字典制作了當?shù)氐臄?shù)據(jù)。由于本研究涉及的數(shù)據(jù)對象與耕地地力評價的數(shù)據(jù)對象基本是一致的，所以本研究沿用了此套數(shù)據(jù)字典。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫。微軟公司的Access數(shù)據(jù)庫提供可視化界面，可以對表、窗體、查詢和報表這4個組成部分[10]進行瀏覽，提供了強大的數(shù)據(jù)分析匯總的能力，處理較大數(shù)據(jù)量時有助于提高工作效率。Access數(shù)據(jù)庫可以允許系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問組件引擎來對數(shù)據(jù)庫進行操作，支持多種程序語言的開發(fā)，定位為小型關系型數(shù)據(jù)庫，廣泛用于個人、小型企業(yè)和公司部門。

Access數(shù)據(jù)庫有其自身優(yōu)點，也有其不足的地方，結合本文所研究的系統(tǒng)來看，Access數(shù)據(jù)庫憑著部署簡單、免費使用的特點成為首選。當然，Access也有其不足，當數(shù)據(jù)庫過大時，其性能嚴重下降，當數(shù)據(jù)讀寫操作刷新過快時也會引起數(shù)據(jù)庫問題[11]，而這些問題出現(xiàn)的條件在本文所研究的系統(tǒng)當中幾乎不存在，因此不會對系統(tǒng)的性能有任何影響。

2.2.3 工作空間建立。建立一個脈絡清晰、結構合理的工作空間對于數(shù)據(jù)的存儲、管理以及程序的調用都有著重大意義。本文所研究的系統(tǒng)涉及了多種類別的數(shù)據(jù)，針對不同類別數(shù)據(jù)的特點制定不同的存儲策略是建立工作空間的基礎。一個標準的工作空間結構如圖4所示。

Model文件夾內存儲層次模型、隸屬函數(shù)模型和縣級參數(shù)庫。DataTable文件夾內存儲原始屬性數(shù)據(jù)庫。RasterFile文件夾內存儲柵格數(shù)據(jù)。VectorFile文件夾內存儲矢量數(shù)據(jù)，為ShapeFile格式的空間數(shù)據(jù)。MapFile文件夾內存儲用于顯示的圖集文件。QueryData.mdb主要存儲用戶查詢時的相關歷史記錄。WorkSpace.wsx文件為工作空間配置文件，記錄工作空間的配置信息。

2.3 地圖控制模塊實現(xiàn)

2.3.1 GIS組件。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱為GIS），它是借助于計算機對基于空間分布的數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。1967年，羅杰·湯姆林森博士開發(fā)了世界上第一個地理信息系統(tǒng)（加拿大地理信息系統(tǒng)）用于對土壤、農業(yè)、野生動植物進行研究，以分析加拿大農村的土地能力。GIS技術在過去的50多年間得到了迅猛發(fā)展，其憑借特有的空間數(shù)據(jù)展示和分析能力已然已經成為了國防、交通、農業(yè)、地質勘查等眾多行業(yè)應用研究的重要工具[12-13]。

在對系統(tǒng)的研發(fā)需求、組件的功能和性能、組件開發(fā)的難易度和組件的價格等諸多因素進行綜合考慮后，本研究最終選擇了ESRI公司的MapObjects組件。MapObjects組件具有眾多可編程對象，為開發(fā)人員提供了有力的GIS制圖支持。支持眾多的數(shù)據(jù)格式，包括“縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)”所使用的ShapeFile文件，具有完善的圖層管理機制，支持圖層符號化渲染，提供多種數(shù)據(jù)查詢方式，具有一定的空間分析能力。

2.3.2 地塊查找與定位。智能配肥系統(tǒng)的最終用戶為肥料銷售人員以及農戶，他們的文化水平和電腦應用能力普遍較低，在屏幕上通過地圖來查找自家地塊還存在一定的困難。為了能夠引導他們快速查找地塊，系統(tǒng)采取了衛(wèi)星輔助定位、圖層逐級顯示和農戶地塊信息庫等3項技術，幫助其查找自家地塊。

得益于MapObjects組件對柵格文件的支持，數(shù)據(jù)制作者可以從相關部門購買目標區(qū)域內的衛(wèi)星圖片或者航拍片，在制作圖集時，將這些衛(wèi)星圖片加入到系統(tǒng)中，可以讓使用者根據(jù)衛(wèi)星圖片上村莊、建筑、道路以及溝渠等物體信息迅速找到目標地塊。圖集中包含多個圖層，采用逐級顯示技術可以在不同比例尺下看到不同的顯示內容，解決了多圖層同時顯示會占用大量計算機系統(tǒng)資源的問題，還可以避免多圖層重合顯示會讓使用者辨識困難的缺點。在查詢地塊施肥方案查詢時，系統(tǒng)會自動建立農戶與地塊的關聯(lián)信息，以后只需要按照查詢向導選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、組，再選擇農戶姓名即可直接調出地塊的施肥方案信息。

2.4 配方設計模塊實現(xiàn)

本系統(tǒng)的核心功能之一就是查詢目標地塊的施肥方案信息。每個地塊施肥方案信息生成的技術流程包括通過計算目標產量[14]─計算作物施肥方案─專家認證─方案發(fā)布等環(huán)節(jié)。具體如圖5所示。

采用特爾菲法從全國耕地質量評價指標體系中選取與作物生產潛力密切相關的指標，構成評價指標體系，建立判別矩陣，計算各個評價指標組合權重，形成層次分析模型和隸屬函數(shù)模型。系統(tǒng)根據(jù)這2種模型以及作物最高產量計算出地塊的目標產量[14]。

模型參數(shù)庫保存了目標產量預測、施肥用量推薦以及肥料配方設計過程中所需要的各種參數(shù)，基于Access格式文件建立。模型參數(shù)庫涉及了作物品種、土壤肥料、植物營養(yǎng)、作物栽培等多方面的知識，確保系統(tǒng)從目標產量預測到施肥方案設計更加科學合理。

如果農業(yè)技術人員定制的模型參數(shù)不合適或者存在錯誤的操作，都會直接影響到系統(tǒng)最終生成的施肥方案。因此，在發(fā)布施肥方案之前需要經過專家們的科學認證，確保不會對農業(yè)生產產生負面影響。

2.5 肥料配制模塊實現(xiàn)

2.5.1 通訊協(xié)議。Modbus協(xié)議目前已經成為全球工業(yè)領域最流行的通訊協(xié)議[15]。在我國，已經將Modbus協(xié)議作為國家標準（GB/T 19582—2008）。協(xié)議標準開放，可以免費使用，得到了全球眾多廠商的支持。協(xié)議數(shù)據(jù)幀結構簡單、緊湊，開發(fā)維護方便。集合Modbus協(xié)議的特性和實際情況，本研究采用了MTU模式和CRC16校驗方式來進行通訊，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群桶踩?/p>

2.5.2 通訊流程。實時配制肥料就需要在系統(tǒng)與配肥機械之間建立通訊，將肥料配比和用量的數(shù)據(jù)傳遞給配肥機械。通訊流程如圖6所示。

2.5.3 通訊安全。在系統(tǒng)與配肥機械通訊的過程當中，由于人為或者環(huán)境的影響，可能發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤，導致配制出錯誤配方的肥料、重復配制肥料或者系統(tǒng)運轉中斷等非正常情況的出現(xiàn)。因此，系統(tǒng)從傳輸機制、數(shù)據(jù)校驗等層面進行了多重保護。通訊流程即是從傳輸機制層面確保肥料配制功能的邏輯正確，避免程序運行沖突，從而保障系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地運行。數(shù)據(jù)校驗層面的保障則由功能代碼來實現(xiàn)。對長時間不響應、CRC校驗失敗的消息，系統(tǒng)在發(fā)送失敗后會重復發(fā)送，直到達到系統(tǒng)預設次數(shù)的上限。

3 系統(tǒng)推廣與應用

到目前為止已經與無錫耐特公司、揚州牧羊集團、湖北比富得公司、秦皇島三農機械公司等6家肥料機械生產廠商進行了合作，生產出了不同外觀、不同特點的配肥機械。在《2015—2017年農業(yè)機械購置補貼實施指導意見》的指導下面向全國地區(qū)進行了銷售，涵蓋江蘇、內蒙、貴州、湖南和福建等多個省份。

儀征市新集鎮(zhèn)測土配方施肥合作社成為了第1家智能配肥系統(tǒng)的試驗點，2011—2015年每年該機器為周圍666.7 hm2左右耕地提供稻麥測土配方施肥方案及配方肥料。統(tǒng)計結果表明，與習慣施肥相比，每季平均節(jié)省肥料（純養(yǎng)分）35.1 kg/hm2，平均增加產量459 kg/hm2，增收節(jié)支達1 098.45元/hm2。江蘇省吳江、海安、姜堰、張家港以及外省的縣市區(qū)先后也引入智能配肥系統(tǒng)，為農民提供個性化的配方肥料。得益于GIS技術和Modbus協(xié)議的引入，系統(tǒng)實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的可視化以及肥料配制的一鍵式體驗。面對新穎的供銷模式，廣大農民普遍給出了好評。

4 結語

在當前全國已有1 000多個項目縣應用軟件工具建成了當?shù)氐臏y土配方施肥專家系統(tǒng)的背景下，本研究集合了在各項領域中發(fā)揮強大作用的GIS技術以及在工業(yè)領域流行甚廣的Modbus協(xié)議成功完成了智能配肥系統(tǒng)的研發(fā)，探索出了一條將測土配方施肥專家系統(tǒng)成果推廣給了廣大農戶的新途徑，順利解決了測土配方施肥“最后一公里”的問題。

（1）系統(tǒng)成功實現(xiàn)了技術、廠商和農戶的對接。在將測土配方施肥成果進行推廣的同時，確保農戶能夠購買到相應配方的肥料，實現(xiàn)了測土配方施肥項目、肥料生產銷售商家以及廣大農戶三方共贏的局面。

（2）憑借GIS技術所特有的空間數(shù)據(jù)展示技術和數(shù)據(jù)分析能力構建了一套用戶體驗極佳的交互系統(tǒng)。用戶很容易通過地圖瀏覽查詢出目標地塊的施肥方案。

（3）Modbus在系統(tǒng)和配肥機械之間起到了紐帶作用，成功實現(xiàn)了兩者之間的通訊，為肥料配制的自動化配制奠定了基礎。系統(tǒng)從傳輸機制、數(shù)據(jù)校驗等層面對通訊進行了多重保護，形成了一套完善的流程體系。用戶可以根據(jù)自主意愿一鍵完成多個施肥時期配方肥的配制。

（4）相對于其他基于模型公式實時計算肥料配方的配肥機，本系統(tǒng)所有作物的施肥方案都經過了專家們的論證。在結果的科學性、準確性、可控性上更勝一籌。在特殊情況下，用戶可以更改作物的目標產量或者是土壤的化驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也可以實時計算出新的配方或者用量，系統(tǒng)功能顯得更加靈活。

（5）每個使用縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)的項目縣，都已經積累了完整的基礎數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，可以進一步促進智能配肥系統(tǒng)的推廣。智能配肥系統(tǒng)的設計符合測土配方施肥工作的要求，也會進一步加強測土配方施肥技術作用的發(fā)揮。

（6）經過地方測土配方施肥合作社的實踐檢驗，智能配肥系統(tǒng)明顯能夠對農業(yè)生產起到節(jié)本增收的作用。

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