基于土壤養(yǎng)分豐缺指標的多區(qū)間測土配方系統的設計與實踐

1、 基于土壤養(yǎng)分豐缺指標的多區(qū)間測土配方系統的設計與實踐 余勇Summary：測土配方施肥對提高農業(yè)生產效率，提高糧食單產有著重要的意義。該文設計了一個基于土壤養(yǎng)分豐缺指標的多區(qū)間測土配方肥生產系統，并從硬件結構設計、系統架構設計、軟硬件通信設計、作物施肥專家?guī)鞓嫿ǖ确矫鎸y土配方系統進行了闡述。在河南省數十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站實際運行使用結果表明，系統達到了預期目標，取得了較好的經濟效益和社會效益。Key：土壤養(yǎng)分豐缺指標法；測土配肥系統；配方肥：TP311 ：A ：1009-3044（2016）05-0261-02Abstract： Formula fertilization by soil tes

2、ting to improve the efficiency of agricultural production， has an important significance to improve the grain yield. This paper describes the design of a multi interval soil testing and prescription production system based on soil nutrients abundance and deficiency index， and from the aspect of hard

3、ware design， system architecture design， software and hardware design of communication， crop fertilization expert database construction on soil testing system are introduced. In Henan， dozens of villages and towns dohi stations running results showed， the system has achieved the anticipated target，

4、and achieved good economic benefit and social benefit.Key words： soil nutrients abundance and deficiency index； soil testing and fertilizer system； formula fertilizer1 背景作為世界農業(yè)大國，改革開放三十多年來，我國的農業(yè)取得了令世界矚目的成就，同時也為我國的糧食安全做出了重大貢獻。然而，我國的有效耕地資源十分匱乏，農業(yè)生產很多方面處在粗放階段，如何提高農業(yè)生產效率，保障主要農產品有效供給，和實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展是國家一直在著力解決

5、的問題。肥料在糧食增產過程中起著關鍵的作用，在糧食增產貢獻率中肥料占到35%40%，在農業(yè)生產過程中，地塊不同，地力不同，茬口不同，所種作物不同，需要施肥的營養(yǎng)元素和比例也不相同，然而傳統的農業(yè)生產過程中施肥完全憑經驗，沒有科學的指導，也沒有科學的施肥方法，導致肥料浪費和環(huán)境污染，甚至會導致肥料偏施，不僅達不到施肥增產的效果，還會因為施肥導致作物產量的下降。測土配方施肥項目是當前國家著力推進的一項利民惠農工程，依托各級農機站等農業(yè)服務部門，利用計算機技術構建測土配方施肥系統，實現專家指導、精準施肥?；谕寥镭S缺指標和農作物種植需求的多區(qū)間測土配肥生產系統通過構建專家?guī)?、農戶信息庫、田塊土壤豐缺

6、指標庫、平衡肥生產控制系統等子系統，實現適應不同地塊、不同作物、不同茬口需求的自動化平衡肥生產，同時打印出一對一的施肥建議和施肥方法說明書，農戶即可共享專家經驗和知識，實現精準、科學施肥。本文主要從硬件結構設計、系統架構設計、軟硬件通信設計、作物施肥專家?guī)鞓嫿ǖ确矫鎸ο到y進行說明。2 系統設計2.1 硬件結構設計硬件系統設計采用模塊化設計方法，明確定義了各子模塊接口，并采用西門子S7-200型PLC作為控制核心，其中，提升機部分負責將緩沖倉中的原材料提升到料倉，緩沖倉的原材料緩沖工作同料倉加料工作并行進行，大大提高了系統工作的效率，稱重單元按照在上位機上安裝的智能配肥系統軟件發(fā)送給PLC的控制

7、指令實現定量加料，混合機構負責將不同原料充分攪拌，并通過成品料灌裝模塊進行裝袋操作，裝袋的同時，打印標簽條碼模塊將肥料類型、重量、養(yǎng)分含量、針對的作物名稱、施肥田塊、施肥建議和施肥方法等內容進行打印，形成本袋肥料的施肥說明書。硬件系統在運行于工控機上的智能配肥軟件系統的控制下工作。硬件結構設計如圖1。2.2 系統架構設計系統采用C/S架構，其中服務器端采用WCF技術，客戶端使用C#語言進行開發(fā)。其中，農戶信息管理模塊負責以行政區(qū)劃為基礎的本區(qū)域內農戶信息的管理；田塊土壤信息管理模塊負責管理農戶擁有的田塊信息；田塊信息不僅包括田塊名稱、面積等基本數據，還包括由當地土肥站采樣檢測出的氮磷鉀等營養(yǎng)元

8、素含量，這也是后續(xù)配肥過程中的重要基礎數據來源之一。配肥信息查詢、銷售數據管理、原材料和包裝袋管理等模塊實現系統運行數據的管理和統計查詢。作物施肥專家?guī)煜到y負責管理不同作物、不同茬口、不同地力、不同施肥期的情況下建議的施肥量、施肥方法等配肥決策支持數據。配肥終端系統負責向硬件系統發(fā)送配肥指令、打印標簽條碼等工作。配肥終端系統和硬件系統設備可根據需要在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站安裝、配置，以服務于當地農戶。系統架構設計如圖2。3 軟硬件通信設計軟硬件通信采用串口通信的方式，通信協議采用工業(yè)界常用的Modbus通信協議為基礎協議，通過自定義數據格式和含義的方式實現格式數據的傳輸。 在數據傳輸過程中，采用雙重驗

9、證方式確保數據傳輸正確。首先采用CRC校驗方法對傳輸的數據進行正確性校驗，沒有通過驗證，則請求重新傳輸數據；其次上位機發(fā)送的數據，PLC接收到數據并通過CRC校驗之后，數據被放入專用的數據校驗寄存器，供上位機讀取并核對，如果發(fā)現讀取的數據同發(fā)送的數據不一致，則認為數據傳輸錯誤，請求重新數據傳輸。4 作物施肥專家?guī)鞓嫿ㄗ魑锏氖┓柿亢褪┓史N類需要根據地力、茬口、作物的不同而調整，根據農業(yè)部2011年發(fā)布的測土配方施肥技術規(guī)范（2011版）標準，在確定經濟合理的肥料施用量方法方面，主要包括土壤與植物測試推薦施肥法、肥料效應函數法、土壤養(yǎng)分豐缺指標法、養(yǎng)分平衡法等方法。這些方法各有特點，應用時往往可以

10、并存，互相滲透和補充，力求達到優(yōu)質高產和經濟效益平衡的目標。4.1 專家決策支持系統采用土壤養(yǎng)分豐缺指標法等方法，并根據作物類別、茬口、施肥時期等多種因素去確定施肥量和施肥方法，對于普通農民甚至是基層農技工作者來說都是一件困難的事情。通過構建一套專家決策支持系統，將專家的經驗量化、標準化和流程化，構建成專家知識庫，并為配肥終端系統提供自動配肥參數支持。專家決策支持構建采用圖形化的方法，將問題、回答（帶有注釋的剪線表示）、結論進行圖形化表示，采用組件拖動的方式實現流程的建立，使得系統更易于使用。專家決策支持構建界面如圖3。4.2 基于土壤養(yǎng)分豐缺指標法的施肥量計算參照農業(yè)部測土配方施肥技術規(guī)范（

11、試行）修訂稿，以測土施肥為理論的土壤養(yǎng)分豐缺指標法是通過多點田間試驗，將土壤有效養(yǎng)分的化學測定值（相對值）按田間試驗所獲得的作物相對量（用缺素區(qū)產量占全肥區(qū)產量百分比即相對產量的高低來表達土壤養(yǎng)分的豐缺情況）劃分為35個等級作為土壤豐缺指標，然后按等級布置田間試驗，求得在某一類型土壤上作物產量與施肥關系的曲線，作為建議施肥量的依據。土壤養(yǎng)分豐缺指標田間試驗可采用“3414”實施方案，相對產量低于60%（不含）的土壤養(yǎng)分為低；相對產量60%75%（不含）為較低，75%90%（不含）為中，90%95%（不含）為較高，95%（含）以上為高，從而確定適用于某一區(qū)域、某種作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標及對應的肥

12、料施用數量。對該區(qū)域其他田塊，通過土壤養(yǎng)分測試，就可以了解土壤養(yǎng)分的豐缺狀況，提出相應的推薦施肥量1。以土壤養(yǎng)分豐缺指標法為基礎，根據田塊所在區(qū)域的實際情況，由當地專家綜合肥料效應函數法、養(yǎng)分平衡法等方法，提出相應的推薦施肥量，設計一種多區(qū)間測土配方施肥量的計算公式如下：5 結束語基于土壤養(yǎng)分豐缺指標的多區(qū)間測土配方系統采用軟硬件結合的方式，可以根據田塊土壤養(yǎng)分實測數據，結合茬口、所種作物、目標產量等因素，實現智能化、自動化配肥生產。硬件系統采用西門子S7-200型PLC作為控制核心，采用模塊化的設計理念，明晰的硬件結構，提高了運行可靠性。軟件系統人機接口友好，功能豐富，方便基層農技工作人員操作應用。本系統的推廣應用對提高農業(yè)生產效率，提高糧食單產有著重要的意義，通過在河南省數十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土肥站實際運行使用，達到了預期的目標，取得了很好的經濟效益和社會效益。Reference：1 NY/T 1118-2006，測土配方施肥技術規(guī)范S.2 GB/T 19582. 1-2008， 基于Modbus協議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范S.3 麻子侃， 王秀， 梅樹立， 等. 基于SMC6480的分散農戶配肥