测土施肥专家决策系统的设计与实现毕业论文

I摘要测土施肥专家决策系统的开发是以农业专家信息为主要参考数据，以最新的测土施肥技术为核心，将.NET技术、数据库技术及专家系统相结合，实现了一个集信息管理、推理决策、参数计算等特点的农业专家系统。该系统具有方便的信息管理功能，并提供了多种科学的种植和施肥决策方案，帮助农民降低种植成本，提高养分利用率，获得更大的经济效益。本文针对需求分析完成了系统的结构和功能设计，采用SQLServer2008作为本系统的后台数据库，完成了综合数据库和知识库的构建。通过研究测土施肥技术的计算模型及其相关参数，完成了施肥模型的建立，并根据施肥模型的特点设计了决策的推理机制及基本流程，使系统可以根据土壤养分的信息决策出适宜的作物、合理的施肥量以及详细的施肥方法。根据系统的具体功能还制订了用户权限的分配即访问控制策略和数据库维护方案，利用基于角色的用户权限管理方法，结合相应数据表的导入导出，很好的实现了系统的数据维护功能。硬件方面还拓展了GPRS无线传输模块，方便计算机与检测设备或用户手机之间的数据通信。关键词：测土施肥技术；专家决策系统；.NET技术；SQLServer数据库测土施肥专家决策系统的设计与实现IIAbstractSoiltestingfertilizationexpertdecisionsystemdevelopmentbasedonagriculturalexpertinformationasthemainreferencedata,thelatestsoiltestingfertilizationtechnologyasthecore,the.NETtechnology,databasetechnologyandexpertsystemtechnology,implementsasetofinformationmanagement,reasoning,decision-making,parametercalculationandsoonthecharacteristicofexpertsystem.Thesystemhasconvenientinformationmanagementfunctions,andprovidesavarietyofscientificplantingandfertilizationdecision-makingplan,helpfarmersgrowtoreducecosts,improvetheutilizationrateofsoiltoobtaingreatereconomicbenefits.Basedondemandanalysistocompletethestructureandfunctionofthesystemdesign,usingSQLServer2008asthebackgrounddatabaseofthissystem,completedthecomprehensiveconstructionofthedatabaseandknowledgebase.Bystudyingthecalculationmodelofsoiltestingfertilizationtechnologyandrelatedparameters,completedfertilizationmodel,andaccordingtothecharacteristicsofthefertilizationmodeldesigndecision-makingreasoningmechanismandthebasicflow,canmakethesystemaccordingtothebestcrops,soilnutrientinformationdecisionreasonablefertilizerrateandfertilizationmethodsindetail.Accordingtothespecificfunctionofthesystemisalsodevelopeduserpermissionsthatthedistributionoftheaccesscontrolpolicyanddatabasemaintenancesolutions,usingrole-baseduseraccessmanagementmethods,combinedwiththecorrespondingdatatableofimportandexport,verygoodrealizationofthesystemdatamaintenancefunction.HardwarehasalsoexpandedtheGPRSwirelesstransmissionmodule,convenientcomputerandtestingequipment,orthedatacommunicationbetweentheusersphone.Keywords:Soiltestingfertilizationtechnology;Expertdecisionsystem;Ttechnology;SQLServerdatabasIII目录摘要.IAbstract.II目录.III第1章绪论.11.1研究背景.11.2研究意义.31.3国内研究现状.41.4论文的组织结构.5第2章系统研究方法分析.62.1系统使用的施肥方法.62.2施肥方法的优缺点比较.82.3系统开发的技术与工具.92.3.1ADO.NET技术.92.3.2数据库技术.102.3.3GPRS无线传输技术.102.4本章小结.11第3章系统的需求分析及总体结构设计.123.1需求分析.123.2系统目标和设计原则.123.2.1系统研究目标.123.2.2系统设计原则.123.3系统总体设计.133.3.1系统体系设计.133.3.2系统功能模块设计.133.3.3系统模块组成及功能介绍.153.4本章小结.17第4章数据库、模型库和知识库的建立.174.1数据库的建立.184.1.1作物施肥参数数据表.194.1.2检测数据及结果数据表.204.1.3用户数据表.214.2模型库的建立.22测土施肥专家决策系统的设计与实现IV4.2.1土壤养分丰缺指标模型.224.2.2目标产量法及其参数模型.234.2.3基于遗传算法的施肥效应模型.254.3知识库的建立.314.3.1知识的获取方式.314.3.2知识的分类.314.3.3知识表示方法.324.3.4推理机制.324.4本章小结.33第5章测土施肥专家决策系统的具体实现.345.1公共类的设计.345.2基本信息管理功能实现.355.3土壤信息处理功能实现.375.3.1综合肥力评价功能实现.375.3.2适宜种植作物决策功能实现.395.3.3配方施肥辅助决策功能实现.415.3.4缺素判断与意见功能实现.465.4数据通信功能实现.465.4.1硬件设计.465.4.2串口通信功能实现.475.4.3GPRS无线通信功能实现.485.5数据库管理功能实现.495.6用户管理及权限设置功能实现.505.7本章小结.51第6章总结与展望.526.1本文总结.526.2工作展望.53参考文献.54攻读学位期间的研究成果.56致谢.57-1-第1章绪论1.1研究背景随着我国农业经济的快速发展，以氮磷钾元素为主要养分的化肥得到广泛应用，化肥的施用对提高作物的基本产量并满足快速增长的人口对农产品的需求发挥了重要作用。但长期以来，不合理施肥的现象已经十分普遍，不仅降低了肥料的利用率，更增加了种植成本，最后导致土地肥力的下降，严重时还可能造成污染环境，影响农副产品的质量安全，危及人民群众的身体健康。农业方面的污染是指在农业的生产活动中产生的环境污染，例如在降雨或农田灌溉排水的过程中，农田中残留的污染物质可能会通过地表径流或地下渗漏的方式等进入附近水体，同时污染地表水和地下水。现阶段，农业污染已成为我国普遍关注的一个环境问题。化肥的过量施用是农业污染的主要原因之一。它所产生的危害可以说是非常严重，不仅会导致耕地整体质量的下降，水体中养分过多出现过养化现象致使水质降低，还可能使农副产品质量下降，同时破坏食物链和经济链的平衡；长期饮用危害人体健康。在大多数情况下，无限制地增加化肥的投入量，并不会过多的提高作物的收成。研究表明，不合理施肥现象的普遍存在可能与农民的文化水平、农业技术的推广、环保立法的滞后、政府对农业的重视程度以及化肥的养分含量以等有着直接或间接的联系。整理造成农民不合理施肥的具体原因，可以概括为以下几个方面:（1）农民的文化水平较低。遵循传统农业生产的农民一直深信“高投入高产出”这样的理念，这些滞后的生产观念在广大农民心中根深蒂固，且由于各地土壤肥力水平的不同，加上农民对所适用化肥的用量等相关知识不了解，从而导致不合理施用化肥的现象1。此外，虽然国家经常开展大规模的土壤普查，但所得到的土壤普查数据多用于科学研究，其农业实用性不高。加上很多农民对不合理施用化肥的负面影响不了解，坚信只有多施肥才能增加产量，这都加剧了化肥的不合理施用。（2）农技推广工作不到位。农民科学种田的专业知识必须通过农业科技人员来传授。然而在信息技术快速发展的今天，农业科技人员的人数已经不能满足我国农技推广的需求，部分技术人员的农技知识更新较慢，还有不少仍保留着“多施肥多收成”的陈旧观念。包括一些农业科技人员由于附带农资供应任务，太过重视销售成果继却忽视了正确的农业生产，这些都进一步加深了化肥不合理施用现象的危害。测土施肥专家决策系统的设计与实现-2-据有关研究结果显示，我国氮肥的利用率可以达到为30%40，磷肥利用率只有10%15，钾肥利用率一般为40%60。对于我国化肥的平均利用率只有40%左右而言，剩下大部分没有被利用的化肥成为了污染的主要源头。长期不合理地施用化肥对环境所产生的危害主要体现为大气污染、土壤污染、水体污染这三种污染形式。（1）大气污染化肥其易分解、易挥发性以及不合理的施用方法等导致的养分损失使化肥产生各类污染物质进入空气中。部分化肥会混合形成刺激性气体，可以刺激人的眼睛、鼻喉及上呼吸道黏膜，严重时甚至会诱发气管、支气管病变，危害人体健康。破坏臭氧层。一旦臭氧层遭到破坏，紫外线就会透过直接大气层照射到人体，长期的紫外线照射会造成皮肤癌发病率的增加。（2）土壤污染增加土壤中重金属元素的含量。重金属超标是土壤污染的另一表现形式，这些重金属在进入到土壤后不能被分解，但可以被作物吸收，这些重金属不断在作物中积累。人类在食用这些作物后，重金属会进入人体，经过如此长期的积累，直接危害人的身体健康。加上一旦土壤重金属的含量超过正常水平就很难降低，使得危害的影响更加长远。导致土壤营养失调。氮肥是我国所施用的各类化肥中比例最高的，其他包括磷肥、钾肥以及复合肥在内的化肥施用相对很少，这种情况不仅会造成土壤内部营养失调，还会造成有毒物质的增加。通过食用该土地上的作物，大量有毒物质便会进入人体，诱发高铁血红蛋白血症，导致窒息而死亡。这些有毒物质在还可能通过转变形成强致癌物质，使人体系统发生癌变。促使土壤酸化。长期过量的施用化肥会使土壤酸化，并最终致使土壤综合肥力降低。（3）水污染在水田或旱田施用的化肥，可能会随着排水、灌溉或自然界的降雨直接流入河流湖泊，污染大量的水源，导致水体中个别养分过多，出现富养化现象例如水生植物或藻类的大量繁殖，导致大量鱼类死亡，进而破坏水环境中的生态平衡。还要部分有害物质会随淋溶而进入地下水，导致地下水中有害物质含量增高，直接饮用这些被污染的水会诱使病变的发生，严重影响人体健康。鉴于这样的事实，我国当前最重要的就是科学的施肥方法的推广，这样才能发挥确实的作用，从而减少各方面的不良影响。只有结合技术、政策和行动等因素，才能真正实现我国肥料产业的升级，保证肥料质量，从不合理施肥到-3-按需供肥，建立高效、环保的施肥体系。1.2研究意义测土施肥技术是我国乃至世界的农业生产中普遍且高效的施肥技术。测土施肥技术可以说是是实现农业增产、增效的必经之路。肥料提供养分的是农作物生长发育过程中土壤中缺少的且必须的营养物质。这些营养物质是土壤中自然存在量不足或缺乏的，必须通过施肥补充。测土施肥具有地域局限性的特点，由于该技术主要是通过测定土壤养分值、研究科学合理的施肥配方、分析生产试验后的产品质量，但随着耕作与施肥的长期影响，土壤的养分含量可能发生变化，因此施肥方法也应该实时地进行科学调整。肥料只有通过使用合理正确的施肥方法，才能获得更好的效应。在作物的种植和施肥过程中，要想比较准确地选择适宜作物和确定合理的施肥量，这需要精确的作物信息和施肥参数。农业专家决策系统是采用计算机技术和人工智能技术，结合农业生产的相关特点发展起来的一项新技术，运用知识获取、知识表示、逻辑推理等机制建立起来的计算机软件系统，并通过总结该领域长期积累的大量珍贵资料以及经验包括数学模型等来扩展和完善系统功能。测土施肥专家决策系统可以在以下几个方面发挥出了重要作用。（1）提高土地和化肥的利用率随着人口、交通、工业的发展，我国的耕地面积很难进一步扩大，只有走内涵式节约和保护式耕作制才能提高资源利用率和作物生产率。测土施肥专家决策系统可以根据提供的土壤肥力、当地具体情况等进行科学决策，提供详细的种植方法、施肥意见、合理的生产指标(包括质量、产量、效益等）指导，由于系统结合了专家群体的知识和经验，可以根据不同的自然、经济等因素等进行计算和决策，因地制宜、因时制宜地为农民提供最适宜的作物种植、最合理的施肥量等专业意见。这样既有利于环境的保护，也有利于耕地资源最大限度的利用，使既生产施肥有了合理的科学依据，也可以提高种植销量，降低施肥成本，提升总体生产利润。（2）提高产能，保证粮食安全，提升农民的专业意识科学实践证明，施肥的合理性直接决定着土壤肥力的发展方向，壤土养分不平衡会导致作物吸收养分的不平衡致使农作物病害发生，影响农产品质量。我国虽是个农业大国，但由于农民文化水平普遍较低，科学种田基础较差，这与我国农产品质量水平整体不高和肥料的不合理施用有很大关系，特别是对部分化肥的偏施恶化了养分不平衡的影响，测土施肥技术的推广，可以协调土壤养分和作物生长所需养分的平衡，保证作物的健康生长，改善和提升农产品安测土施肥专家决策系统的设计与实现-4-全。由于当前我的国农业技术人员的丢失，加上高水平农业专家的缺乏，导致农民在农业生产中普遍存在主观性和盲目性。我国农业基础相对较弱，且在过去很长时间内农业相关的数据收集包括数据库的建立等均遗留了不少问题。专家系统区别于一般的电子书，不仅具有具有查看功能，还提供分析、计算、推理等多种辅助，可以根据用户提供的已知信息，提出直观、易懂且准确的解答，并从各种方面对种植施肥进行专业指导。测土施肥专家决策系统操作简单快捷，通过指导种植和施肥，在增产、增收和降低成本方面都作效果显著，更容易被广大农民所接受，从根本上提高农民的专业意识。（3）应用范围广，满足发展需求测土施肥专家决策系统可以集合数据库系统术、多媒体技术以及网络技术等多种信息技术，使其在指导农业生产上的可以发挥重要作用，促进生产管理、市场经济和宏观决策相结合。测土施肥满足理论和实践的需求，既考虑到了土壤肥料作物等因素的相互影响，同时也强调资源利用环境保护市场需求之间平衡。由于计算精确的施肥量需要参考大量的试验数据，对于一般的估算方法是无法确定的。建立测土施肥专家决策系统，可以对现有的种植和施肥信息进行实现快速、全面且合理的集中管理。系统对提供的数据进行数学处理，输出需要的结果供用户参考比较，这样可以改善当前施肥的随意性和盲目性差等缺点，逐步实现我国各地科学施肥的精确化。当前该领域的大部分测土施肥系统都是结合GIS地理信息系统设计的土壤肥力管理系统，其对施肥的决策研究涉及不深，本系统以计算机为平台，根据测土施肥技术的基本原理、作物对养分的需求、土壤供肥性能以及肥料效应的建立实现专业且准确的信息管理和辅助决策系统。通过本系统的硬件扩展，还可以方便的与各种检测设别进行数据传输。1.3国内研究现状伴随着计算机及智能设备在我国的广泛应用，从20世纪80年代初期，我国就已经开始进行施肥信息系统的研究，虽然当时相对于国外还存在很大差距，但我国施肥专家在计算机推荐施肥方面进行了大量应用研究，并且获得许多成果与经验，为我国测土施肥技术的发展做出了卓越的贡献。近多年来，虽然我国各地测土施肥推广工作陆续开展，但专业数据的查询检索仍比较困难，加上土壤等各类信息汇总的工作量非常大，需要耗费大量的资源。回首我国探索测土施肥技术的历程，虽然成效显著，但是存在着一些不容忽视的问题，其中最关键的就是这一先进施肥技术还没有得到深入且广泛的-5-应用。据研究调查，到目前为止，真正能够实现测土化验、配方施肥的农户所占比例少之又少，我国的大多数农村地区仍然停留在试验示范层面，技术覆盖面依旧很小，农民的施肥观念和接受程度改变不大，传统的施肥模式、盲目施肥的现象仍然普遍存在2。造成这种状况的原因是多方面的，而通过专家系统的推广来改善是必然的。1.4论文的组织结构本文共分六个章节。第1章：介绍了论文的研究背景、研究意义和国内的研究现状。第2章：介绍了系统开发所用到的关键技术和方法。第3章：系统的需求分析和总体设计，并按功能将系统进行了划分和介绍。第4章：综合数据库、施肥模型库以及专家知识库的构建。第5章：系统各功能模块的具体实现。第6章：工作总结以及对下一步研究的展望。测土施肥专家决策系统的设计与实现-6-第2章系统研究方法分析2.1系统使用的施肥方法测土施肥技术的研究方法有肥料效应函数法、养分丰缺指标法、养分平衡法（目标产量法）等。（1）肥料效应函数法使用该方法首要建立当地某作物的“3414”方案的田间试验并研究其结果，通过得出的肥料效应方程就可以估算出某一区域某种作物对氮、磷、钾肥的最大产量施用量和最经济施肥量，为农民精准施肥提供参考。由于此方法是建立在田间试验上的数学方法，不用借助物理或化学手段去估算土壤的实际供养量。这种反应作物产量和施肥量之间的关系就叫做肥料效应，反映其关系的数学式称做肥料效应函数或肥料效应方程。肥料效应函数一般都通过二次多项式来表示。单元素肥料的效应函数表达式为：。式中表示施肥量，y2cxbay表示施用某种肥料后的产量。a、b、c为回归系数，其中a表示该作物不施肥时的产量；b表示作物增产阶段的幅度；c为曲率，表示某肥料施用过量后作物产量呈曲线下降的趋势。双元素肥料效应的函数表达式为：。其中yfxzedzcxba22y表示某作物施用某两种不同元素肥料后的产量。x、z表示这两种不同元素的肥料。a、b、c、d、e、f为偏回归系数，其中a为地力产量也就是不施肥时该作物的实际产量，b、d分别表示两种肥料的增产效应，c、e分别表示肥料施用过量时下降的曲率，f是施用两种肥料时的交互作用效应，这些都可用统计方法求得。（2）养分丰缺指标法养分丰缺指标法是通过将土壤养分测试结果和田间肥效试验的结果相结合，通过分析建立某区域、某作物的土壤养分丰缺指标，并根据田间肥效试验的施肥效应规则设计施肥推荐。“3414”试验中的部分实施方案也可以作为土壤养分丰缺指标田间试验的参考。“3414”方案中的处理l为空白对照(CK)，处理6为全肥区(NPK)，处理2、4、8为缺素区(即PK、NK、NP)3。计算该作物正常收获后的实际产量，再通过计算缺素区域的实际产量所占全肥区实际产量的比值的高低来对该地区的-7-养分的丰缺情况进行等级划分。相对产量低于50%的土壤养分为极低，相对产量50%75%为低，75%95%为中，大于95%为高，从而借此确定适用于某一区域、某种作物的土壤养分丰缺指标及对应的肥料施用数量3。在确定某一区域的养分的丰缺指标后再对的该区域其他田块进行施肥推荐时，只需要检测出土壤各养分含量，即可判断该土壤的养分的丰缺状况，并参考推荐表选择相应的施肥量。（3）养分平衡法(目标产量法)养分平衡法的相关参数包括目标产量、作物需肥量、土壤供肥量、肥料养分含量和肥料利用率。其中土壤供肥量就是“3414”方案中处理l中该作物对养分的吸收量。在确定作物目标产量后，有土壤供肥量的确定方法可分为地力差减法和土壤有效养分校正系数法这两种计算方法。养分平衡法主是计算作物达到目标产量的养分需求量和土壤实际供养量之间的差值来计算施肥量，其计算公式为：(2.1)肥料当季利用率肥料养分含量土壤供肥量目标产量所需养分总量施肥量地力差减法是根据计算作物的目标产量与该作物的基础产量的差值来估算施肥量，其中作物基础产童可以通过分析“34l4”方案试验得出，计算公式为：(2.2)肥料当季利用率肥料养分含量单位产量养分吸收量基础产量）（目标产量施肥量土壤有效养分校正系数是以有效养分的含量为基础来计算施肥量的。一般土壤养分测定的单位是mg/kg，将每亩15万公斤地表土换算成公斤/亩既可得出转换系数0.15，此方法的计算公式为：(2.3)肥料当季利用率肥料养分含量校正系数土壤养分值目标产量单位养分吸收量施肥量15.0目标产量通常使用平均产量法来确定。该方法是根据计算某区域某作物过去三年产量的平均值并通过年递增率来确定来当前的目标产量，一般设置年递增率以10%15%为宜，该方法的计算公式是：目标产量(公斤/亩)=(l+递增率)前3年平均单产(公斤/亩)(2.4)作物目标产量需肥量的计算需要使用全株养分分析法，对成熟的某作物测定其每百公斤实际产量所需的氮磷钾值，该值与目标产量的乘值就是该作物的个元素需肥量。(2.5)百公斤产量所需养分量目标产量量作物目标产量所需养分10=土壤供养量的计算有基础产量法和系数校正法两种方法：测土施肥专家决策系统的设计与实现-8-通过基础产量法计算时一般将不施肥区的某作物的养分吸收量作为土壤实际供养量，计算公式如下：(2.6)百公斤产量所需养分量不施肥料区农作物产量土壤供肥量10系数校正法是将土壤养分测定值乘以有效养分校正系数的来计算出土壤实际供养量。(2.7)15.0)/()/(%公斤毫克该元素土壤测定值亩公斤收该元素量缺素区作物地上部分吸）养分校正系数（肥料利用率的计算是通过施肥区的某作物实际养分吸收量与不施肥区该作物的实际养分吸收量之间的差值，该值就是肥料供应的养分量。再将此值除以所用肥料的养分含量比便可以得到肥料利用率。(2.8)%10)(肥料养分含量肥料施用量缺素区养分吸收量施肥区养分吸收量）施肥量（2.2施肥方法的优缺点比较（1）肥料效应函数法肥料效应函数法可以直观地表示出相关因素对产量的单一和综合影响，此方法的优点是其计算的施肥量精确度较高，更加贴切实际情况。但地区局限性强，需要在不同土壤类型、气候、耕作方法等不同条件的土壤上布置大量试验点。对于同一地区，之前的试验资料不可以复用，土壤、气候等因素的变化也会使函数关系式发生变化，重复使用会严重影响施肥的准确度，该方法关键要积累往年的试验资料，费工费时，而且还要进行复杂的数学统计运算，该技术不适宜一般农民的使用，推广有存在很大难度。（2）养分丰缺指标法养分丰缺指标法曾是国际上普遍采用的推荐施肥方法，也是我国大部分地区提倡的配方设计方法。在该方法的实际运用时，只要测得某区域的土壤养分值，通过加权计算进行养分等级，再根据所在等级确定某作物某肥料的推荐施用量。该方法的难点在于如何对土壤的养分含量进行适当分级和设计对应不同养分等级的施肥推荐。其直感性强，简捷方便的优点适合当前的实际情况，但精确度较差不利于农业的发展。由于土壤中碱解氮的测定值和作物的实际产量之间的相关性较差，因此养分丰缺指标法适用与磷、钾及部分微量元素肥料。（3）养分平衡法(目标产量法)养分平衡法最大的优点就是其概念清晰，计算方便。由于其用借助田间试验就可以估算出合理的施肥量，农民更容易掌握。然而由于土壤这类的物质体-9-系是具有很大的缓冲性，其养分含量会随作物生长和环境条件的变化而变化，使其始终保持动态平衡。而土壤的养分检测值只是一个相对数值，并不能代表土壤的实际供养量，还需要使用养分校正系数进行数学计算。校正系数对于不同区域、不同作物存在较大差异，由于该方法的精确度受各个参数的影响较大，所以对计算的准确度年难以控制。但在进过田间试验且参数准确的情况下，其农业实用性仍然很高。2.3系统开发的技术与工具2.3.1ADO.NET技术ADO.NET(动态数据对象ActiveDataObjects)是Microsoft在.NET中对数据存取问题的解决方案。它向ASP.NET和WindowsForms应用提供对MicrosoftSQLServer等数据源以及通过OLEDB和XML公开的数据源的一致访问，应用程序可以使用ADO.NET连接到这些数据源来获取、操纵和更新数据4。ADO.NET包括对象说明如下。（1）Connection对象，提供了与数据源的连接等功能。（2）Command对象，可以通过执行SQL语言来对数据源进行操作，如数据的读取、插入、删除、更新等。（3）DataReader对象，可以将数据从数据源读取数据到本地，但不承担保存数据的责任，需要用户手动关闭与数据库的连接，因此它不是数据结构，而是网络通讯组件的高层封装。（4）DataAdapter对象，是连接数据源和数据集之间的桥梁，可以用来填充数据集或数据表，即把数据加载到内存中。（5）Dataset对象，以了一种断开方式的数据访问机制，将数据驻留在内存中，还可以直接对这些数据执行检索、插入、修改、删除等操作。本系统采用ADO.NET连接数据库，其数据操作图如图2.1。测土施肥专家决策系统的设计与实现-10-应用程序数据库DataReader对象负责对数据库执行命令数据集DataSet负责对数据库执行命令Connection对象负责连接数据库DataAdapter对象负责数据集和数据库的联系Command对象负责对数据库执行命令.NET数据提供程序图2.1ADO.NET数据操作2.3.2数据库技术计算机数据库是信息系统中的核心技术，也是计算机辅助管理数据重要的方法，它主要研究如何进行存储数据和组织数据以及获取和处理数据，总体来说，数据库技术是研究、应用、管理数据库的一门软件科学6。数据库技术研究的主要内容是如何解决信息管理中量数据的组织管理及存储的问题。在这个方面,数据库系统的目的是减少数据存储冗余、实现数据的共享,有效地组织和存储数据,确保数据安全、有效地获取和处理数据。数据库技术是以研究数据的结构为基础进行存储、管理和应用的基本理论和实现方法，并通过利用这些理论来实现对数据库中数据进行处理。一般来说，数据库技术就是一种研究数据管理的应用软件。SQLServer2008是在Microsoft上发布的具有组织和管理任何量化数据功能的数据平台。它可以直接将结构化、半结构化甚至非结构化在内的信息保存到数据库中，继而对其进行管理、分析和处理操作。通常数据可以存储在任何信息设备上，从数据服务器到桌面计算机甚至移动设备，都可以随时随地管理数据库中的数据。此外，SQLServer还可以在使用Microsoft.NET和VisualStudio开发工具开发的自定义应用程序中使用数据库，还包括在面向服务的架构（SOA）和通过MicrosoftBizTalkServer进行的业务流程中使用数据。任何用户都可以通过信息管理工具直接访问数据库以获取数据。2.3.3GPRS无线传输技术本系统为土壤养分信息采集设备的数据接收和决策结果的快速发送设计了-11-基于GPRS无线模块的数据接口，方便数据的传输。(1)GPRS无线通信模块本系统中GPRS无线通信模块采用了华为GTM900-B。GTM900-B是一款两频段的GSM/GPRS无线模块，产品物理外形如图2.2。它支持标准AT及增强AT命令，还提供丰富的语音和数据业务等，适合数据的高速传输。本系统的业务演示图如图2.3。(2)UDP协议UDP是UserDatagramProtocol的简称，中文名是用户数据报协议，是开放式系统互联OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单且不可靠信息传送服务7。UDP协议并不提供数据传送的保证机制加上缺乏流量控制字段，如果在发送方向接收方的传递数据的过程中出现数据包的丢失，其协议本身并不能对此情况做出任何反应。但其数据传输延迟较小且传输速度快的特点，非常适合那些对数据可靠性要求不高或数据可靠性有保障的程序。图2.2华为GTM900-B外形GPRS模块RS-232接口天线用户手机数据采集设备GPRS模块RS-232接口天线PCUDP协议图2.3业务演示图测土施肥专家决策系统的设计与实现-12-2.4本章小结本章主要介绍了系统所使用的技术与工具。首先介绍了测土施肥技术的各类方法和计算公式，并分析的它们的优缺点。其次介绍系统的软件开发技术与工具和硬件部分所用的核心模块及相关协议。第3章系统的需求分析及总体结构设计3.1需求分析决策系统的好坏，不仅要判断其使用的技术是否先进，系统结构是否合理，功能是否完善，更主要的是系统能否达到使用者的要求。这就要求开发人员在系统开发前熟悉其实际需求，详细分析系统的各方面可行性。我国基层农业部门硬件设施不足、农业技术和科技人员的专业水平有限加上土地经营者的文化水平不高，因此系统的专业性和操作性上也要有保证。本文研究的是以测土施肥决策为主要功能，设计出一个方便用户使用的基于.NET技术和数据库技术的专家系统。本系统需要能够方便的进行数据管理，包括数据的添加、修改、删除和查询，还要有大规模数据的快速导入的导出。通过对不同的用户业务进行权限管理，保证系统的工作和维护的效率和数据安全。为了配合土壤养分检测设备的数据采集和实现决策信息的快速发送，还需要实现数据的快速传输。决策功能需要满足农业的实际需求，提供施肥量的计算和施肥方法的推荐，在此基础上添加本系统特有的适宜作物推荐决策，提供作物的种植推荐和经济效益分析。3.2系统目标和设计原则3.2.1系统研究目标测土施肥专家决策系统的开发是以专家信息为主要参考数据，以最新的测土施肥技术为核心，将.NET技术、数据库技术及专家系统技术相结合，将研究-13-土壤养分、土壤地力评价、作物信息等方面所获得的各类信息结合测土施肥法的以一种直观的形式在屏幕上展现,并辅以查询等功能。实现了一个集信息管理、推理决策、参数计算等特点的专家系统。该系统可以方便的管理所需要的信息，而且还提供了多种科学合理的施肥推荐和种植决策，从而降低种植成本，提高产能，以获得较大的经济效益。3.2.2系统设计原则系统设计原则是用来规范系统的设计和开发过程的。本系统的主要面向用户是农民，但是对农业生产管理者也有一定的辅助决策的作用，因此系统在设计过程中既要本着规范化、实用性的原则还要为不同层面的用户提供不同的应用接口，提高系统的性能也十分重要。3.3系统总体设计测土施肥专家决策系统的主要功能包括基础信息管理、土壤信息处理、专家信息查询、用户及系统管理等功能。这些功能模块下面又包含多个子功能模块，如基础信息管理模块包括作物基本信息管理，肥料基本信息管理和丰缺指标管理等；土壤信息处理模块中包括综合肥力评价，适宜作物决策、测土配方辅助决策和缺素判断。其中测土施肥分目标产量法施肥、养分丰缺指标法施肥和肥料效应法施肥这些方法；用户及系统管理模块实现对系统用户进行添加、修改和删除及权限设置等功能，也包括数据库的备份和还原。有的子功能模块下面又设有选择功能，用户可以根据实际情况，有针对的进行选择。系统的整体框图如图3.1所示。土壤信息专家系统基础信息管理模块土壤信息处理模块专家信息查询模块用户及系统管理模块数据库管理模块图3.1系统的总体结构设计图3.3.1系统体系设计根据本系统的功能特点决定使用C/S(Client/Server)结构作为本系统的基本体系结构，C/S结构的优点是能够充分发挥计算机的计算处理能力，大部分工作都可以在客户端进行计算处理后再将结果提交给服务器。C/S结构在技术上测土施肥专家决策系统的设计与实现-14-已经相当成熟，具有客户端交互性强、数据存储安全、请求响应延迟低、网络信息碎片少等特点适合大型数据源的管理和计算。相比而言，B/S模式的数据存取安全性低且对服务器的计算能力要求高，包括数据传输速度慢等缺点，很难实现当前对传统模式数据管理和计算的要求。比如当操作者通过浏览器进行数据的输入或请求报表应答并输出打印等复杂操作请求是都会对服务器造成影响。从系统的安全性和稳定性出发，在本系统的开发过程中利用微软公司目前最稳定的VisualStudio2010作为开发平台，利用MicrosoftVisio2003进行建模，开发语言选择C+与C#，后台数据库管理系统采用MicrosoftSQLServer2008。3.3.2系统功能模块设计系统功能模块设计的合理性取决于对需求分析以及用户操作业务流程的了解的详细情况，因此在功能模块设计之前，需要对系统的业务流程做深入的了解和分析，是十分必要的，本系统的业务流程分如图3.2。注册页面系统管理员权限判断数据管理员新用户分配权限主界面数据处理员登录验证用户及密码错误提示信息退出登录退出系统退出登录窗体NYYN数据库维护基本信息管理测土专家决策系统管理是否具有权限无法操作用户管理重新登录N具体操作Y专家信息查询图3.2系统流程图-15-（1）进入主页面，用户可以从中浏览一些配方施肥的知识，主要包括植物营养原理、配方施肥的科学依据、配方施肥技术的发展、配方施肥的基本方法、土壤采样技术、土壤分析等。（2）用户登录，已注册用户通过在首页登录方可进入系统，在用户登录时首先判断登录用户的身份，根据登录用户的身份，分配用户不同的权限。（3）用户操作，普通用户可以浏览基本的功能模块，查询植物、土壤知识，浏览土壤指标和施肥指导等；数据管理人员可以在基本信息模块添加、修改和删除作物营养需求、作物基础产量、养分校正系数、养分丰缺指标等数据；数据处理人员可以在土壤采样管理模块添加、修改、删除土壤样品、分析项目和分析结果，浏览土壤评价和进行专家决策；系统管理人员可以添加删除用户并管理其他用户的权限。本系统的个用户种类操作权限如表31所示。表3.1用户基本操作权限用户组操作基础数据管理土壤信息处理专家信息查询数据库维护用户管理系统管理员普通用户数据管理员.3.3系统模块组成及功能介绍（1）系统管理模块系统管理模块的功能是提供给用户的基本系统操作，包括用户登录、用户退出、用户注册、修改密码、用户权限修改以及重新登录等功能。该模块是提供给所有的用户使用的，只要进行简单的注册就可以使用一些相应的服务。（2）基础信息管理模块基础信息管理模块实现专家决策系统所依据的知识库信息的便捷管理。本模块的更新功能仅供数据库管理员和系统管理员操作，数据处理人员和普通用户只能进行简单的浏览。本模块可以通过更新各类参数提高专家决策结果的准确性和实时性；作物信息管理包括作物适宜PH值、适宜的土壤类型、单位产量养分吸收量、基本亩产量、土壤含水量要求、微量元素缺乏反应、适宜肥料等；肥料信息管理包括肥料基本信息和当季利用率；丰缺指标管理模块是肥力评价的和养分丰缺指标法的重要依据；参数管理模块中的土壤养分校正回归方测土施肥专家决策系统的设计与实现-16-程是对土壤检测量进行处理的必须参数。肥料效益方程模块用于保存系统计算过的肥料效益方程及其适用的地理信息。检测数据模块主要是处理测量数据的录入和查询。（3）土壤信息处理模块土壤信息处理模块主要完成专家决策系统的决策处理功能。本部分功能仅供数据库管理员和数据处理人员管理。本模块可以通过处理检测的土壤养分数据通过专家决策得到准确的结论。综合肥力评价是根据土壤信息与土壤丰缺指标比较得到土壤各养分含量等级，再通过加权计算得出综合肥料指数和等级；土壤适宜作物决策模块是通过对不同作物对土壤的各方面需求与土壤养分信息做对比得到此土壤适宜的作物种类，并通过对种植的经济效应分析比较选择出最适宜的作物；测土施肥辅助决策模块是通过计算目标作物生长所需的各类养分量以及土壤可以实际供养量计算出化肥的使用量。其中测土施肥技术的方法分目标产量法、养分丰缺指标法、肥料效率函数法。缺素判断与建议模块属于知识库的查询，各类用户都可以进行操作，如图3.3所示。土壤信息处理综合肥力评价专家辅助决策缺素判断与建议土壤适宜作物决策配方施肥辅助决策目标产量法养分丰缺指标法肥料效应函数法图3.3土壤信息处理模块（4）专家信息查询模块本模块为数据检索模块，可以查询本系统包含的所有信息。（5）数据库管理模块数据库管理模块是为了方便数据的管理，由于全国各地的土壤、气候甚至作物及化肥的相关都存在差异，该模块可以实现数据的快速导入导出，为系统数据维护的便捷性和决策的准确性提供支持。其包含功能如图3.4所示。-17-数据库管理数据备份数据还原数据清空Excle导入/导出图3.4数据库管理模块3.4本章小结本章主要对本系进行了需求分析，确定了系统的设计目标，其次确定了系统的设计原则并根据这些原则实现了系统总体结构的设计，然后从不同用户的角度介绍了系统功能设计。第4章数据库、模型库和知识库的建立专家系统是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，通过对人类专家的问题求解能力的建模，