测土配肥专家系统及其移动客户端的设计与实现
发布时间：2018-11-17
摘要：基于测土技术的精准施肥，可以防止过少或过量施肥，既可以提高农作物产量，又能够保护耕地。本文以威海市的测土数据为基础开发的测土配肥专家系统，采用云架构、Android、卫星定位、数据交互等现代技术，通过智能手机客户端，方便快捷且科学准确的为农户提供玉米、花生、小麦等粮食作物的施肥指导，更好的为实现高效优良的现代农业服务。
关键词：测土配肥,Android,卫星定位,数据交互
测土配肥专家系统结合田间土壤测试试验获得的土壤资料数据和施肥数学模型来模拟农业专家的决策过程[1]。1985年中国科学院合肥智能机械研究所与安徽省农科院土壤肥料所合作研制的“砂浆黑土小麦施肥专家系统”是我国首个施肥专家系统。
1992年江苏扬州市土肥站开发了“土壤肥料信息管理系统”较好地实现了计算机推荐施肥。中国农业科学院土壤肥料研究所开发了中国土壤肥料信息系统(SOFISC)，该系统在施肥技术研究成果的基础上结合GIS技术、空间模拟技术开发出来的，主要应用于各种土壤肥料信息的统计查询，作物施肥推荐等[2-4]。
夏波等开发研制基于Web的数据库查询与施肥决策功能的系统[5-6]，用户通过Web浏览器就可以实现信息查询与施肥技术的咨询，实现了计算机推荐施肥在Internet上的运行。严正娟等利用GoogleMap和WebGIS强大的地图服务功能，构建了一个实用化的区域桃园施肥决策系统[7]。该系统采用分布式B/S结构，在专题空间数据库和模型数据库支撑下，实现了GoogleMap和GIS信息浏览查询，推荐施肥决策等主要功能。随着移动通讯时代的到来，移动设备如智能手机的普及率越来越高，开发一套基于移动客户端的测土配肥系统势在必行。本文的基于Android系统的测土配肥专家系统，极大提升了系统使用的便利性，有利于测土配肥技术的普及和高科技在农业中的有效利用。
1系统设计
1.1需求分析
农作物要保质保量，必须有科学的施肥指导和田间管理，而伴随着2004年的人事改革和农业经营方式的变换，农业基层技术人员极度短缺，无法满足广大农户的需求，农户很难及时得到有效的服务，因此利用现代通讯手段实现测土配肥的技术应用，能高效解决现有的施肥问题，并能够提升农业服务的现代化水平。
基于测土配肥专家系统的主要服务对象是广大农户，而其受教育水平普遍较低，在系统功能设计上力求形式简洁明了，功能操作方便，共设置了三个模块，主要包括查找地块信息、设置施肥参数、查看施肥指导，每个模块具有相应的提示信息。其中，查找地块信息模块提供了三种方式，分别是卫星获取、按地区获取和手动填写;测土配方施肥模型是在农业科学施肥基准上结合基层农业专家的综合智慧和经验建立，既具有普遍性又有因地制宜的地方特性，系统会根据输入的种植参数调用不同的施肥模型，满足不同的需求。
1.2系统架构
系统采用了存储层、计算层、网络传输层和应用层四层体系结构，通过施肥模型、地力信息和种植参数等模块为Web浏览器端和移动客户端提供测土配方施肥计算服务。系统体系结构如图1所示。
2关键技术
2.1数据库的搭建
测土配肥专家系统的数据库是整个系统的关键，数据库的构建是否科学、完整、合理，直接关系到整个系统的实际应用价值。本文测土配肥系统数据库E-R模型如图2所示。测土配肥系统的数据实体主要包括三个方面：地理位置信息、土壤养分数据和施肥计算模型。系统施肥计算模型的选用由种植参数来确定，系统根据用户选取的地理位置信息获得指定位置的土壤养分含量并输入到相应的施肥计算模型中得到适宜的施肥方案。
本系统数据库采用的是MySQL通过建立数据表来存储本系统中所需要的举出数据，针对不同的数据表，设计出相应的数据结构。地理位置信息主要包括城市名称、县区名称、乡镇名称、村名称、经纬度，字段类型设为字符型，字段长度设为255，小数位设为0;土壤养分数据包括PH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾，字段类型设为数值型，字段长度设为255，小数位设为1;单质肥料包括氮肥(尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵)，磷肥(过磷酸钙、重过磷酸钙)，钾肥(氯化钾、硫酸钾)，校正系数字段类型设为数值型，字段长度设为20，小数位设为2。
2.2卫星定位
手机App获取土壤养分数据分为卫星定位、手动选取位置和手动输入土壤数据三种方式。其中，卫星定位系统能够实时获取当前地理位置信息，且其定位精度可达到米级，既可满足本系统的定位要求，又能体现移动客户端的便利性。本测土配肥专家系统中的通过手机定位获取地理位置信息这一功能是基于百度地图开放平台[8]所提供的Android定位SDK来实现的。通过定位来查找土壤数据，首先要根据手机定位来获取当前位置信息即经纬度坐标，数据库中每组经纬度对应其相应的村名，根据经纬度坐标可确定指定地块中土壤养分含量。
百度地图开放平台所提供的Android定位SDK可以返回国测局坐标、百度墨卡托坐标和百度经纬度坐标三种位置坐标类型，而本测土配肥系统数据库中存储的位置坐标类型是百度经纬度坐标，因此在施置百度地图定位SDK参数时要通过语句option.setCoorType(“bd09ll”)设置返回经纬度类型为百度经纬度坐标，发起定位后，从BDAbstractLocationListener监听接口中获取定位结果信息。App收到当前位置经纬度坐标后，从数据库中获取与当前经纬度坐标相符的土地养分含量结合测土配肥计算模型和种植参数计算出施肥量。
2.3数据交互
手机App在获取地理位置和种植参数等数据后会传送给服务器进行分析、处理并将结果返回至客户端与用户进行数据交互。本系统的数据交互流程如图3所示。采用了php语言编写服务端程序，通信接口封装选用生成方便、体积小、便于传输的JSON格式。Android端的GET请求获取农户输入的地理位置信息及种植参数后提交给AndroidServer，在AndroidServer中对照获取的位置信息从MySQL数据库中查询与其对应的土壤养分含量。在服务器端的施肥计算单元进行施肥量计算后，将施肥结果转换为JSON格式返回给Android。
3系统实现
本系统首先通过对威海市各城镇乡村的土壤样品的采集、检测与统计，得到山东省威海市的总体农业用地的土壤养分测试结果;其次，以实验的方法建立起土壤养分的测试值与土壤养分校正系数的对应关系和肥料的利用效率，从而建立起测土配肥数学模型;最后，采用云架构、Android、卫星定位、数据交互等技术，完成威海市测土配肥专家系统。打开手机客户端各界面如图4所示。
在主页面的上方可以看到当前定位信息，在主页面的下方可以看到两个按键：“版本更新”和“选择农作物”。通常情况下，用户只需要点击“选择农作物”即可。进入农作物选择页面如图4(a)所示，目前的版本可以选择三种农作物———玉米、花生、小麦，该页面还可以看到当前位置信息以及天气状况。
直接点击农作物图标，便可进入下一个页面，即当前地理位置的选定。手机App获取土壤养分数据分为卫星定位、手动选取位置和手动输入土壤数据三种方式，通常情况下可通过卫星定位自动实现位置匹配，来获取已有的数据库中存储的当地范围内的土壤数据，按照提示填入正确的目标产量，点击“确定”之后，数据自动填入，如图4(b)(c)所示。根据提示，选择相应的单质肥种类，输入复合肥养分含量，便可得到图4e和图4f所示的施肥方案，根据建议的施肥方案可以自行购买肥料进行科学配比使用。
4结论
以威海市的测土数据为基础开发的测土配肥专家系统，采用云架构、Android、卫星定位、数据交互等技术，通过智能手机客户端为农户提供玉米、花生、小麦等粮食作物的施肥指导，可让农民因地制宜，清楚的知道当前土地的肥力以及如何正确进行化肥的配比，在提高农业生产效率的同时，保护土地资源，实现可持续性发展。
本系统2017年在威海市各乡镇进行推广和试用，主要指导玉米、花生、小麦等粮食作物的测土施肥，在保证产量稳定的前提下，各类肥料的平均用量较测土配肥前可降低约22%，一定程度上改善了农户耕作过程中的过量施肥问题。同时，基于智能手机客户端的解决方案，提升了系统使用的便利性，有利于测土配肥技术的普及，可促进农业精准化的进一步发展。
参考文献：
[1]吴建平，吴晓芙，吴立潮，等.基于WebGIS的泡桐施方施肥专家系统的初步设计[J].林业实用技术，2010，(2)：54-56
[2]李丹.基于WebGIS的土壤养分管理与推荐施肥信息系统的开发[D].贵阳：贵州大学，2008
[3]贺庆荣.基于WebGIS的测土施方施肥专家决策系统的研究与实现[D].南昌：南昌大学，2010
[4]于占超.基于WebGIS的测土施方施肥决策系统设计与应用[D].西安：西北大学，2013
[5]熊凯，李言照，韩仲志，等.测土施方施肥综合服务平台设计与实现[J].中国农学通报，2013，29(18)：96-102
[6]夏波.县级测土施方施肥信息系统的建立及应用[D].重庆：西南大学，2007
[7]严正娟，段增强，卢树昌，等.基于GoogleMap和WebGIS的区域桃园施肥决策系统的建立与应用[J].农业工程学报，2010，26(5)：207-212
[8]李彦宏.百度地图开放平台[CP/OL].(2010-04-23)[2016-11-10].http：//lbsyun.baidu.com
农业方向期刊推荐：《广西农学报》(双月刊)创刊于1986年，是由广西农业广播电视学校主办、广西农学会承办，国内外公开发行的农业综合性学术期刊。2004年获第四届全国农业优秀期刊奖。所设栏目有：试验研究、学术论坛、综述专论、农业教育、视点聚焦、百家之言、技术推广等。
