基于土壤养分丰缺指标的多区间测土配方系统的设计与实践

1、 基于土壤养分丰缺指标的多区间测土配方系统的设计与实践 余勇Summary：测土配方施肥对提高农业生产效率，提高粮食单产有着重要的意义。该文设计了一个基于土壤养分丰缺指标的多区间测土配方肥生产系统，并从硬件结构设计、系统架构设计、软硬件通信设计、作物施肥专家库构建等方面对测土配方系统进行了阐述。在河南省数十个乡镇土肥站实际运行使用结果表明，系统达到了预期目标，取得了较好的经济效益和社会效益。Key：土壤养分丰缺指标法；测土配肥系统；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 背景作为世界农业大国，改革开放三十多年来，我国的农业取得了令世界瞩目的成就，同时也为我国的粮食安全做出了重大贡献。然而，我国的有效耕地资源十分匮乏，农业生产很多方面处在粗放阶段，如何提高农业生产效率，保障主要农产品有效供给，和实现农业可持续发展是国家一直在着力解决

5、的问题。肥料在粮食增产过程中起着关键的作用，在粮食增产贡献率中肥料占到35%40%，在农业生产过程中，地块不同，地力不同，茬口不同，所种作物不同，需要施肥的营养元素和比例也不相同，然而传统的农业生产过程中施肥完全凭经验，没有科学的指导，也没有科学的施肥方法，导致肥料浪费和环境污染，甚至会导致肥料偏施，不仅达不到施肥增产的效果，还会因为施肥导致作物产量的下降。测土配方施肥项目是当前国家着力推进的一项利民惠农工程，依托各级农机站等农业服务部门，利用计算机技术构建测土配方施肥系统，实现专家指导、精准施肥。基于土壤丰缺指标和农作物种植需求的多区间测土配肥生产系统通过构建专家库、农户信息库、田块土壤丰缺

6、指标库、平衡肥生产控制系统等子系统，实现适应不同地块、不同作物、不同茬口需求的自动化平衡肥生产，同时打印出一对一的施肥建议和施肥方法说明书，农户即可共享专家经验和知识，实现精准、科学施肥。本文主要从硬件结构设计、系统架构设计、软硬件通信设计、作物施肥专家库构建等方面对系统进行说明。2 系统设计2.1 硬件结构设计硬件系统设计采用模块化设计方法，明确定义了各子模块接口，并采用西门子S7-200型PLC作为控制核心，其中，提升机部分负责将缓冲仓中的原材料提升到料仓，缓冲仓的原材料缓冲工作同料仓加料工作并行进行，大大提高了系统工作的效率，称重单元按照在上位机上安装的智能配肥系统软件发送给PLC的控制

7、指令实现定量加料，混合机构负责将不同原料充分搅拌，并通过成品料灌装模块进行装袋操作，装袋的同时，打印标签条码模块将肥料类型、重量、养分含量、针对的作物名称、施肥田块、施肥建议和施肥方法等内容进行打印，形成本袋肥料的施肥说明书。硬件系统在运行于工控机上的智能配肥软件系统的控制下工作。硬件结构设计如图1。2.2 系统架构设计系统采用C/S架构，其中服务器端采用WCF技术，客户端使用C#语言进行开发。其中，农户信息管理模块负责以行政区划为基础的本区域内农户信息的管理；田块土壤信息管理模块负责管理农户拥有的田块信息；田块信息不仅包括田块名称、面积等基本数据，还包括由当地土肥站采样检测出的氮磷钾等营养元

8、素含量，这也是后续配肥过程中的重要基础数据来源之一。配肥信息查询、销售数据管理、原材料和包装袋管理等模块实现系统运行数据的管理和统计查询。作物施肥专家库系统负责管理不同作物、不同茬口、不同地力、不同施肥期的情况下建议的施肥量、施肥方法等配肥决策支持数据。配肥终端系统负责向硬件系统发送配肥指令、打印标签条码等工作。配肥终端系统和硬件系统设备可根据需要在各个乡镇土肥站安装、配置，以服务于当地农户。系统架构设计如图2。3 软硬件通信设计软硬件通信采用串口通信的方式，通信协议采用工业界常用的Modbus通信协议为基础协议，通过自定义数据格式和含义的方式实现格式数据的传输。 在数据传输过程中，采用双重验

9、证方式确保数据传输正确。首先采用CRC校验方法对传输的数据进行正确性校验，没有通过验证，则请求重新传输数据；其次上位机发送的数据，PLC接收到数据并通过CRC校验之后，数据被放入专用的数据校验寄存器，供上位机读取并核对，如果发现读取的数据同发送的数据不一致，则认为数据传输错误，请求重新数据传输。4 作物施肥专家库构建作物的施肥量和施肥种类需要根据地力、茬口、作物的不同而调整，根据农业部2011年发布的测土配方施肥技术规范（2011版）标准，在确定经济合理的肥料施用量方法方面，主要包括土壤与植物测试推荐施肥法、肥料效应函数法、土壤养分丰缺指标法、养分平衡法等方法。这些方法各有特点，应用时往往可以

10、并存，互相渗透和补充，力求达到优质高产和经济效益平衡的目标。4.1 专家决策支持系统采用土壤养分丰缺指标法等方法，并根据作物类别、茬口、施肥时期等多种因素去确定施肥量和施肥方法，对于普通农民甚至是基层农技工作者来说都是一件困难的事情。通过构建一套专家决策支持系统，将专家的经验量化、标准化和流程化，构建成专家知识库，并为配肥终端系统提供自动配肥参数支持。专家决策支持构建采用图形化的方法，将问题、回答（带有注释的剪线表示）、结论进行图形化表示，采用组件拖动的方式实现流程的建立，使得系统更易于使用。专家决策支持构建界面如图3。4.2 基于土壤养分丰缺指标法的施肥量计算参照农业部测土配方施肥技术规范（

11、试行）修订稿，以测土施肥为理论的土壤养分丰缺指标法是通过多点田间试验，将土壤有效养分的化学测定值（相对值）按田间试验所获得的作物相对量（用缺素区产量占全肥区产量百分比即相对产量的高低来表达土壤养分的丰缺情况）划分为35个等级作为土壤丰缺指标，然后按等级布置田间试验，求得在某一类型土壤上作物产量与施肥关系的曲线，作为建议施肥量的依据。土壤养分丰缺指标田间试验可采用“3414”实施方案，相对产量低于60%（不含）的土壤养分为低；相对产量60%75%（不含）为较低，75%90%（不含）为中，90%95%（不含）为较高，95%（含）以上为高，从而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

12、料施用数量。对该区域其他田块，通过土壤养分测试，就可以了解土壤养分的丰缺状况，提出相应的推荐施肥量1。以土壤养分丰缺指标法为基础，根据田块所在区域的实际情况，由当地专家综合肥料效应函数法、养分平衡法等方法，提出相应的推荐施肥量，设计一种多区间测土配方施肥量的计算公式如下：5 结束语基于土壤养分丰缺指标的多区间测土配方系统采用软硬件结合的方式，可以根据田块土壤养分实测数据，结合茬口、所种作物、目标产量等因素，实现智能化、自动化配肥生产。硬件系统采用西门子S7-200型PLC作为控制核心，采用模块化的设计理念，明晰的硬件结构，提高了运行可靠性。软件系统人机接口友好，功能丰富，方便基层农技工作人员操作应用。本系统的推广应用对提高农业生产效率，提高粮食单产有着重要的意义，通过在河南省数十个乡镇土肥站实际运行使用，达到了预期的目标，取得了很好的经济效益和社会效益。Reference：1 NY/T 1118-2006，测土配方施肥技术规范S.2 GB/T 19582. 1-2008， 基于Modbus协议的工业自动化网络规范S.3 麻子侃， 王秀， 梅树立， 等. 基于SMC6480的分散农户配肥