基于GPS和土壤养分图的变量施肥控制软件开发

200年月农机化研究第期-94-基于GPS和土壤养分图的变量施肥控制软件开发庄卫东，汪春，王熙（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）摘要：根据大豆变量施肥播种机自动控制的需要，使用VB6.0编程语言和MO2.2地图控件，开发了基于GPS和土壤养分图的变量施肥控制软件。本软件具有串口通讯、GPS信号接收，输出调试、播种机参数设置、变量施肥作业控制等功能。提出了使用地块平均施肥量、设定变量范围、利用土壤养分图的简易可行实现精准变量施肥控制方法。软件能自动生成作业记录，作业后可根据记录生成施肥记录图，利于农业精准管理和生产信息的积累。关键词：精准农业；GPS；GIS；土壤养分图；变量施肥；软件中图分类号：文献标识码：A文章编号：0引言变量施肥技术，是精准农业的重要组成部分，它是以不同空间单元的产量数据与土壤理化性质、病虫草害、气候等多层数据的综合分析为依据。以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的施肥技术，要求对农业生态系统进行养分平衡研究，从而可以实现在每一操作单元上因土壤、因作物预计产量的差异而按需施肥，有效控制物质循环中养分的输入和输出，防止农作物品质变坏及化肥对环境的污染和破坏。通过专家决策，制定合理施肥的处方，生成变量施肥处方图，使用变量自动控制施肥播种机实现自动变量控制，做到定点、定量，按需施肥，大大提高了肥料的利用率，降低生产成本，减少了多余肥料对环境的不良影响，增加了农民收入[1～2]。随着上世纪90年代国外精准农业技术研究的兴起，作为精准农业关键技术环节的变量施肥技术引起了许多研究人员的兴趣，并开展了大量有关变量施肥作业系统方面的研究工作[3-7]。黑龙江垦区2003年起开展了大豆变量施肥播种应用试验[8]。变量施肥技术涉及农田信息获取、信息管理与处理、决策分析和田间实施四大主要环节，其中以田间实施发展最快[9]。基于GPS和GIS的自动变量控制施肥播种机是精准农业装备的一个重要组成部分。由于影响作物生长及最终产量的因素很多，很难仅依靠单一的因素科学合理地确定农业施肥处方。为了充分利用近年来我国开展的测土配方施肥的成果，可对开展精准农业变量施肥应用的地块，使用GPS定位多点取样，在化验室进行土壤化验，使用地块土壤养分平均数据及其它相关数据信息进行地块施肥配方及施肥量的决策，根据地块土壤养分值的变异系数设定施肥量的变量范围，在变量施肥播种机在田间工作时使用GPS接收机进行定位、根据土壤养分图进行变量施肥控制，从而实现简易可行的精准变量施肥。根据黑龙江八一农垦大学自行研制的使用了无级变速器的大豆变量施肥播种机自动控制的需要，笔者使用VB6.0编程语言及MO2.2地理信息控件编制了精准农业变量施肥控制软件。本软件可运行于车载触摸屏式电脑或笔记本电脑上，配套高精度的差分GPS接收机，进行田间定位。软件可以接收GPS接收机的定位信号，选择调入地块土壤养分图（一般可选用地块有机质分布图），根据设定的地块平均施肥量和机组在田间的位置及土壤养分图确定的施肥量的大小，自动向变量控制器发送指令，实现精准农业变量施肥功能。1软件功能结构为了实现变量施肥的自动控制，本软件具备以下基本功能：（1）串口通讯功能；（2）GPS信号接收功能；（3）输出控制调试功能；（4）播种机收稿日期：2009-11-06基金项目：国家863项目“大豆精准生产技术系统构建与应用”，课题编号：2006AA10A310作者简介：庄卫东（1970-）,男，江苏邳县人，黑龙江八一农垦大学工程学院副教授，博士生，主要研究方向为精准农业及数字农业技术，(E-mail)[e-mail]。200年月农机化研究第期-95-参数设置功能；（5）土壤养分图显示功能；（6）变量施肥作业控制功能；（7）作业记录功能；（8）作业记录图生成功能等。软件功能结构图如图1所示。图1软件功能结构图Fig.1ThestructureofSoftwarefunction2软件设计与操作界面2.1GPS调试为了确保应用程序能正常接收GPS接收机的定位信号，设计了GPS调试程序。在进行播种作业前，应检查系统GPS接收机的连接情况，对GPS接收机进行调试，保证系统能正常收到GPS定位信号。在触摸屏计算机上运行变量施肥控制程序，点击GPS调试按钮，调出GPS调试窗体，见图2所示。进行GPS连接端口设置，默认COM端口为1，默认传输参数为9600,N,8,1，即传输速率为9600bps,无奇偶检验，8个数据位，1个停止位。注意此处的设置应与GPS接收机的实际设置相同。点击开始接收后，应在GPS数据流文本框中能观察到数据流的动态显示，并在纬度、经度、时间等对应的文本框中显示出当前的信息。图2GPS调试界面Fig.2TheformsofGPSdebugging2.2输出调试研制的变量控制器是使用串口进行通信的，为了确保控制正常和获得施肥参数，设计了输出调试程序。在进行播种作业前，确定施肥及配比后，应使用混合好的肥料进行排量的校准。首先把肥料装入肥料箱，肥料量达到肥料箱1/3的容积，把每个排肥口套上布袋，试转2圈地轮，使肥料充满排肥器，检查每个排肥口是否正常排肥，然后把布袋中的肥料清空，重新套在排肥口。在触摸屏计算机上运行的变量施肥控制程序中点击输出调试，调出输出调试窗体，见图3所示。进行输出控制端口设置，默认COM端口为2，传输参数为1200,N,8,1。改变输出值，点击手动数据输出按钮，观察无级变速器上的电机带动的链轮是否转动，如转动，则表示输出控制工作正常。控制系统为闭环控制系统，此时串口应有返回值，这主要是考虑输出控制时，执行机构的会有延迟，所以需测出返回的实际值返回给系统，控制调整结束时，返回值应等于输出值。把输出值（取值范围为0～100）设定为0，点击手动数据输出按钮，当串口返回值为0时，此时播种机排肥量为最小值。转动地轮10圈，称出每个排肥口的排肥量，单口排肥量之间相差不应大于3%，计算出播种机最小施肥量，单位为：公斤/公顷。同样，把输出值设定为100，称量并计算出播种机最大施肥量。GPS信号调试输出调试播种机设置精准农业变量施肥控制软件变量施肥作业控制记录显示200年月农机化研究第期-96-图3输出调试界面Fig.3Theformsofoutputdebugging2.3播种机设置为了使程序适用与不同的播种机、不同的施肥量，设计了播种机参数设置程序。点击播种机设置按钮，可调出播种机设置窗体，见图4所示。把测定的播种机最大施肥量通过相应的加、减按钮输入到播种机最大施肥量对应的文本框。同样，把测定的播种机最小施肥量输入到播种机最小施肥量对应的文本框。把通过综合决策得到的地块平均施肥量输入到地块平均施肥量对应的文本框。把决策的变量施肥范围输入到变量施肥范围对应的文本框，默认变量施肥范围为±5%。把播种机作业幅宽输入到其对应的文本框。图4播种机参数设置Fig.4Theformsofseederparametersetup2.4变量施肥作业基于GPS定位的土壤采样，其土壤养分化验数据可使用通用的GIS软件生成土壤养分图，如常用的shp格式的图。为了使用通用的矢量shp图，软件开发选用了基于COM技术的MO2.2，它具有低成本、易开发、不需要其它GIS平台、使用环境广、通用性好、易于推广等优点，可实现土壤养分图的显示、漫游等基本GIS功能。在触摸屏计算机上点击变量施肥作业试按钮，调出变量施肥作业窗体，见图5所示。点击加载图层按钮，把播种施肥地块的地块养分图调入系统，此图为.shp图形格式。根据加入图的性质，点选是施肥处方图还是地块养分图，系统默认为地块养分图。在下拉框选择框中选择正确的控制图层，可选择分组级别，默认值为5。设定记录时间间隔，默认值为2秒。播种作业开始时，点击开始作业按钮，开始作业按钮的名称变为暂停，此时作业记录自动保存到Access数据库中，数据库名称根据开始作业的时间自动命名。如机组停车后，按钮的名称变为继续，正常作业后按钮的名称变为暂停。此时在经度、纬度框中应显示机组当前所在的经度、纬度，当前值显示当前作业点控制图层中对应的值。输出级别中显示向变量控制器输出的控制级别，返回中显示变量控制器返回的实际级别。机组作业结束后，点击结束按钮，此时开始作业按钮的名称恢复为开始作业。图5变量施肥作业Fig.5Theformsofvariablefertilizing3软件田间应用试验3.1试验基本情况课题组成员与黑龙江省八五二农场白桦耕播机厂合作，自主开发了适合黑龙江垦区精准农业的6行大豆变量施肥播种机1台，并使用开发的变量施肥控制软件进行了小区变量施肥播种试验。田间试验在位于黑龙江省八五二农场的科研站进行。试验200年月农机化研究第期-97-用肥料为尿素、磷酸二铵、氯化钾混合肥，N:P2O5:K2O=3.2:4.2:1.6。试验时播种机最大施肥量为294kg/hm2，最小施肥量为121kg/hm2，农业决策平均施肥量为249kg/hm2，变量范围为5%。使用地块的有机质分布图作为变量控制图层。3.2试验结果开发的变量施肥控制软件可根据GPS定位信息及地块有机质分布进行自动控制变量施肥，程序运行可靠。本次变量施肥记录数据举例如表1所示。表1变量施肥记录数据举例Tab.1TheexampleofvariablefertilizingrecordingdataID经度纬度输出级别返回级别施肥量1132.63838346.2343627677254.212132.63853446.2342457377254.213132.63866846.2341457372245.564132.63882246.2340297676252.485132.63894046.2339437878255.946132.63899846.2338997878255.947132.63903946.2338697677254.21使用软件记录图功能，打开施肥记录数据库，可生成施肥记录图，如图6所示。程序还设计了作业回放功能，使管理人员可直观地观察到作业的行走路线。图6变量施肥记录图Fig.6Theformsofvariablefertilizingrecordingmap4结论1)本软件使用VB6.0编程语言和MO2.2地图控件，实现了基于GPS和GIS的变量施肥自动控制。2)提出了使用地块平均施肥量、设定变量范围、利用土壤养分图的简易可行实现精准变量施肥控制方法。3)软件能自动生成作业记录，作业后可根据记录生成施肥记录图，利于农业精准管理和农业生产信息的积累。参考文献：[1]李世成,秦来寿.精准农业变量施肥技术及其研究进展[J].世界农业,2007,335(3):57-59.[2]陈云平,赵春江,王秀,等.基于知识模型与WEBGIS的精准农业处方智能生成系统研究[J].中国农业科学,2007,40(6):1190-1197.[3]杨玮,王秀,马伟,等.基于近地光谱探测技术的冬小麦变量施肥[J].吉林大学学报(工学版),2007,37(6):1455-1459.[4]孟志军,赵春江,刘卉,等.基于处方图的变量施肥作业系统设计与实现[J].江苏大学学报（自然科学版），2009,30（4）：338-342.[5]孙治国，于枫，郑传涛,等.GPS变量施肥系统的CPLD控制模块设计[J].农机化研究,2008,3:83-86.[6]李爱传，王熙，汪志强,等.电液驱动式变量施肥闭环控制系统研究[J].中国农学通报,2009,25(07):272-275.[7]于英杰，张书慧，齐江涛,等.基于ARM的变量施肥控制系统的研究[J]农机化研究,2008,11:47-50.[8]王新忠,王熙,汪春,等.黑龙江垦区大豆变量施肥播种应用试验[J].农业工程学报,2008,24(5):143-146.[9]耿向宇，李彦明，苗玉彬,等.基于GPRS的变量施肥机系统研究[J].农业工程学报,2007,23(11):164-167.DevelopmentoftheVariableFertilizingC