基于Android的测土配方及查询系统的设计与实现

陈阳 冀汶莉 辜凯诚

摘要：近年来随着我国互联网和物联网技术的快速发展，农业信息化的建设进入新的阶段。农耕土壤作为农业可持续发展的重要基础要素，也一直被各国所重视。但目前在国内无论是个体农户还是一般农场，都没有建立有效的测土配方及查询系统。作者通过移动终端传输已知的土壤相关参数为数据基础，采用Spring boot框架设计完成了测土配方及查询系统。实现了服务器端农户基本信息管理、土壤养分数据管理以及土壤测土配方计算，完成了通过移动终端的App进行土壤参数上传和查询测土配方信息的功能。

关键词：农业信息化；测土配方施肥；土地管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0051-03

Abstract： With the rapid development of Internet and Internet of Things technologies， agriculture informatization has entered a new stage in recent years. As element for the sustainable development of agriculture， soil has always been valued by all countries. However， at present， individual farmers general farms in China， have no tracing and analysis of the important parameters of soil symmetry. The aim of the paper is to designed and completed a soil testing formulation and researching system. The system can manage the user basic information， soil moisture， nutrient data and soil testing formulas. The App could sent the soli data and search the soil testing information.

Key words： smart city； management system of underground pipeline network； risk assessment

農业一直以来是我国国民经济的基础，在国家经济发展中占据重要地位，对社会稳定具有重要意义[1]。而土壤耕地又是农业生产的重要基础和载体，世界各发达国家都十分重视保护和提高土壤耕地的质量和可持续性发展。通过信息技术全面掌握土壤耕地对作物生长影响较大的重要参数，并通过农业专家系统完成有效地施肥和管理不但可以提高农作物的产量，而且可以最大限度保护可耕种土地。

我国的农业，尤其是在耕种土地方面，长期依赖人工和经验进行农业作业，为追求高产片面的提高各种肥料的投入。根据资料显示，进入二十一世纪以后，国内化肥的使用量越来越多，庄稼的产量也从原来的低产逐步上升，但是化肥的投入量却远远高于应施肥量[2]。这样不但农业投入成本较大，而且造成了化学肥料在土壤中堆积对耕地肥力造成影响。同时生长于土壤的农产品，会有有害物质残留在里面，对人类的食品安全产生影响。另外地下水可能会因此有部分污染物超标，没有被农作物利用的养分不仅造成了浪费，而且给自然环境带来污染隐患，更不利于农田的可持续发展问题。测土配方施肥技术是使施肥能够避免浪费合理施肥的技术。在该技术的基础上，建立科学有效的施肥体系，能够最大限度发挥化肥在农作物生长过程中的积极作用，也能最大限度地减少化肥对农作物和环境的负面影响。[3]

作者提出了基于Android的测土配方及查询系统的设计思路。为了使采集的土壤养分数据更加合理，首先确定实验农地的划分以和土壤信息采集点的设置。然后设计了测土配方的数学模型，并利用spring boot框架实现了服务器端的测土配方计算功能，并为管理员提供操作的可视化管理。最后利用Android技术设计开发了专业App，实现了通过智能终端的快速查询功能，同时为农户提供简单便捷的测土配方的推荐功能。

1 相关技术

1.1 Spring boot开发技术

作者在开发服务器功能时采用了目前流行的Spring boot框架设计方法。Spring是一个轻量级的IOC和AOP容器框架。轻量级是指实现程序不是很复杂，占用资源不是很多，没有侵入性。IOC（Inversion of Control）中文解释为控制反转，是Spring的重点和核心。AOP（Aspect Oriented Programming）是一种面向横切面编程的方式，可以方便地进行功能性扩展。

Spring Boot是对Spring框架的简化。Spring Boot提供自动化配置功能，只需要完整的配置和少量的业务处理程序就可以完成一个基本的Spring Web应用。JPA是ORM技术的一种，也是 JCP区域发布的 Java EE标准之一。JPA的框架和接口简单，基于非侵入式原则设计，因此较容易和其他框架或者容器集成。

1.2 测土配方的数学模型

测土配方施肥技术的理论体系从19世纪开始，同时各国专家学者也不断为测土配方施肥理论体系补充新的内容，再加上其他交叉学科的相互促进，涌现出很多揭示有关植物营养和平衡施肥规律的理论[3]。本系统采用养分平衡法来完成测土配方计算。

养分平衡法是由美国著名土壤科学家Truog在第七次国际土壤学会上提出的，该方法认为作物达到目标产量对养分的总吸收量减去土壤养分供应量即为土壤所缺养分量，该值除以肥料的当季利用率和肥料有效养分含量可得到施肥量[4]。计算公式如下所示：

在模型中，C指关于某养分应施肥量，Wab指某一农作物单位产量的养分吸收量，Ytar指某一地区某一农作物目标产量，Cs指试验田或者某地区土壤养分测定值，Ksoil指某一地区有效养分校正系数，Cf指某种化学肥料中养分含量，Kker指某一地区某种肥料利用率[5]。

计算这个数学模型之前需要首先获取几个重要的参数。首先是目标产量，可以采用前三年亩产量的平均值作为它的近似。其次是校正系数，表示农作物实际吸收某营养元素的值占其在土壤测得值的百分数，这个数值可以由田间实验获得。对于化学肥料中养分含量这个参数，不同类型的肥料也是已知的，某种肥料利用率也是通过田间试验得到的。

2 系统设计

2.1系统组成

通过实地走访灞桥区农户和查阅相关科技文献以及资料，确定了该系统的网络拓扑结构以及相应的主要功能。系统分为服务器端和移动终端两个主要部分。网络拓扑结构如图1所示：

在服务器端完成土地所在行政区域的管理，土壤的养分基本参数管理以及测土配方的计算。在移动终端通过App设计与开发，可以进行土壤数据上传、测土配方的查询和显示功能。

由于测土配方是以土壤的养分数据为基础，还设计很多相关的肥料和土壤吸收率等数据，因此需要设计测土配方的数据库系统，数据库系统的数据模型如图3所示[6]：

3 系统实现

本系统采用了目前流行的MVC的开发框架，在阿里云Ali Cloud Engine平台部署系统，并在该平台上进行了系统的压力和功能测试。

3.1 服务器端功能

本系统根据用户的不同，设计了三种角色分别是管理员、普通用户、超级管理员。用户权限管理模块负责对系统用户的认证、不同角色用户信息的管理和对不同角色用户权限的分配。系统根据角色的不同选择进入不同的功能界面。登录验证页面如图4所示：

在用户信息的管理模块，超级管理员用户和管理员用户具有对用户的个人信息的维护权限，可以实现对用户信息的增删改查。下图左半部分是地区的联动，实现省市县镇农场的五级管道铺设时间等信息。界面显示如图5所示：

农户土壤数据管理模块主要负责对接收过来的数据进行管理操作，可以对接收过来的数据进行批量查询、批量修改和批量删除以及导入导出的操作。如图6所示。

测土配方施肥计算生成有两种方式，第一种是服务器将接收到的数据完成存储后，自动进行测土配方施肥的计算，并且将生成的测土配方施肥结果回传给农户的手持终端。第二种是如果有手动需要的情况下，在每条传输过来的数据后面，有一个“生成施肥建议”的按钮，点击“生成施肥建议”服务器将生成的測土配方施肥结果回传给农户的手持终端。如图7所示。

3.2 移动终端App功能

在手机端的App中首先由管理员上传农户的土壤参数数据，方便服务器端建立土壤重要参数数据库，其中土壤参数信息的上传如图8所示。在进行功能设计时为了数据的有效性和高辨识性，系统采用采集周围的WIFI信号思路，经过处理之后生成指纹上传服务器，保存为该上传土壤参数的位置指纹[7]。

用户登录以后可以通过查询行政区域来检索土地，当农户确认好行政区域后，就可以检索出该行政区域下的所有土地以及存储的土壤相关参数。如图9所示。

用户选择农作物后输入目标产量，传输到服务器通过测土配方模块计算后，返回的施肥方案显示在移动终端上，如图10所示。

4 结论

本文首先分析了在物联网技术和互联网技术快速发展的社会环境下，传统的施肥耕种存在的问题。结合智慧农业和国家对测土配方信息化的要求以及农业耕种的实际需求，设计实现了基于Android的测土配方及查询系统。系统完成了对传统测土配方工作的信息化过程，为测土配方信息化以及将智慧农业如何惠及普通农户提供了新思路。

参考文献：

[1] Xu D W， Ren S， Yang L P. Things in Intelligent Agriculture Applications[J]. Applied Mechanics & Materials， 2014， 513-517（513-517）：444-447.

[2] 高梅红. 测土配方施肥中的问题探讨[J]. 农技服务， 2017， 34（5）：74-74

[3] 游泳，龙从霞，任金铜，等.典型喀斯特山区配方施肥系统设计与研究[J].安徽农业科学， 2013（12）：5329-5330.

[4] Bo S. Effects of soil sample pretreatments and standardised rewetting as interacted with sand classes on Vis-NIR predictions of clay and soil organic carbon[J]. Geoderma， 2010， 158（1）：15-22

[5] 张水清，黄绍敏，郭斗斗，等. 基于主成分分析法的土壤肥力评价[J].安徽农业科学，2011， 39（2）：1096-1097..

[6] 王丽，贾明英，测土配方施肥数据管理系统数据及信息的规范[J]. 北方农业学报， 2011（6）：66-67.

[7] 张丽，田银磊.基于PDA的小麦测土配方施肥信息移动查询系统[J].河南农业大学学报，2010（10）：340-342.

【通联编辑：王力】