基于智能手機(jī)的農(nóng)業(yè)專家咨詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)搭載平臺(tái)多為PC機(jī)，便攜性差、現(xiàn)場處理能力弱，無法充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)，不利于在農(nóng)業(yè)基層的普及等問題，提出了基于智能手機(jī)的農(nóng)業(yè)專家咨詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)將移動(dòng)通信技術(shù)、智能手機(jī)技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行作物生長狀態(tài)及病蟲害情況的判斷及推理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采取模塊化方式處理，只需更換相應(yīng)的知識(shí)及數(shù)據(jù)庫文件即可實(shí)現(xiàn)不同作物的分類處理，針對(duì)當(dāng)前無法解決的問題，可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺(tái)專家系統(tǒng)，并能及時(shí)接受反饋信息。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)的應(yīng)用普及，加快知識(shí)向產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)；現(xiàn)場處理；作物生產(chǎn)；病蟲害診斷

中圖分類號(hào)：TP181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3673-04

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)（Agricultural expert system）具有大量農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能夠像農(nóng)業(yè)專家一樣對(duì)相關(guān)的農(nóng)業(yè)問題進(jìn)行推理和決策。它是人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，也是目前農(nóng)業(yè)信息化的研究熱點(diǎn)。目前，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)大多存在著推理過于簡單、知識(shí)庫不能跟隨實(shí)際情況變化、現(xiàn)場處理能力較弱以及網(wǎng)絡(luò)無法充分利用等問題，并且系統(tǒng)一般以PC機(jī)為平臺(tái)，不利于專家系統(tǒng)的普及和推廣。

近年來，國內(nèi)在便攜式農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究方面做了一些探索并取得了一定的成果，國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心于2003年研究實(shí)現(xiàn)了便攜式數(shù)字化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)產(chǎn)品，名叫農(nóng)務(wù)通，在國內(nèi)率先研究開發(fā)了基于PDA的嵌入式操作系統(tǒng) Windows CE 的農(nóng)業(yè)專家數(shù)據(jù)庫信息查詢系統(tǒng)；劉小軍等[1，2]、邱小雷等[3]開發(fā)了基于 Pocket PC的小麥栽培管理系統(tǒng)；陳立平等[4]開發(fā)了基于掌上電腦的飼料配方系統(tǒng)；石禮娟等[5]開發(fā)了基于J2ME的病蟲害診斷專家系統(tǒng)。這些系統(tǒng)雖然具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理及決策咨詢等功能，卻只針對(duì)某一作物或某一功能，難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的普適性和精確性，并且不支持通過網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程服務(wù)[6]。

智能手機(jī)是近年來發(fā)展迅速的移動(dòng)式智能設(shè)備，具有價(jià)格便宜、體積小、易攜帶等特點(diǎn)[7]。目前，智能手機(jī)價(jià)格越來越低，使用越來越廣泛，硬件配置也越來越高，功能越來越接近PC機(jī)，使專家系統(tǒng)能夠很好地被使用，并且利用智能手機(jī)為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)搭載平臺(tái)，大大提高了其便攜性和普及性，可以將現(xiàn)場處理和通過網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程處理有機(jī)地結(jié)合，更有利于農(nóng)業(yè)專家決策產(chǎn)品的推廣與應(yīng)用[8]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)具體的研究目標(biāo)和技術(shù)要求，系統(tǒng)采用比較流行的專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，包括6個(gè)模塊：知識(shí)庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、解釋器、知識(shí)獲取及人機(jī)接口[9，10]（圖1）。

1.2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括概述、推理、連接、瀏覽4部分，系統(tǒng)功能圖如圖2所示。概述包括常見病蟲害概述和植物學(xué)特征概述，為專家系統(tǒng)提供作物培育的一般常用知識(shí)，包括作物的生理概述、常見病蟲害概述、施肥管理、水分管理等數(shù)據(jù)；為農(nóng)作物的生長提供一般性常識(shí)，從而有助于用戶加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物的進(jìn)一步了解，而且還能通過實(shí)時(shí)查詢資料來解決農(nóng)戶的一般性問題，提高了利用效率。推理包括病害診斷和栽培流程設(shè)計(jì)，診斷時(shí)按照生理病害、苗期發(fā)病、全株發(fā)病、發(fā)病部位依次選擇；栽培流程由播前準(zhǔn)備、育苗、定植、定植后管理、植株調(diào)整組成。瀏覽包括常見病害瀏覽和常見蟲害瀏覽。連接部分包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳含量、作物發(fā)病癥狀、生長階段等信息。所接收信息可導(dǎo)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。

1.3 工作流程

圖3為系統(tǒng)工作流程圖，系統(tǒng)通過加載規(guī)則對(duì)用戶進(jìn)行詢問并反饋信息，將用戶的選擇、回答在知識(shí)庫與數(shù)據(jù)庫中通過推理機(jī)進(jìn)行分析判斷，得出的結(jié)果返回給用戶。若當(dāng)前系統(tǒng)無法解決現(xiàn)有問題，則通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息方式傳送給專家咨詢中心，傳輸信息包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量、作物發(fā)病癥狀、生長階段信息等數(shù)據(jù)；待專家解答后將解答結(jié)果通過GSM網(wǎng)絡(luò)返回給用戶，解答方案不但能解決當(dāng)前問題，而且可直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫，增加數(shù)據(jù)庫及知識(shí)庫的完整性并將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，完善數(shù)據(jù)庫信息。

復(fù)雜問題可以采用遠(yuǎn)程服務(wù)來解決。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，利用PC端的后臺(tái)專家系統(tǒng)解決當(dāng)前系統(tǒng)無法處理的問題。溫度、濕度、光照度、CO2含量、作物發(fā)病癥狀、生長階段信息等數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式生成傳送文件，通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄＜易稍冎行?，解答完畢后再通過GSM網(wǎng)絡(luò)以特定格式傳回當(dāng)前系統(tǒng)。遠(yuǎn)程服務(wù)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Microsoft VS.NET 2005，調(diào)試環(huán)境為Windows mobile 6.0模擬器，采用C#編程語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server Mobile Edition。系統(tǒng)搭載平臺(tái)為智能手機(jī)，其操作系統(tǒng)為Windows Mobile 6.0及以上版本，系統(tǒng)部分界面如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，選取河北省徐水縣遂成鎮(zhèn)大龐村的保定七彩農(nóng)業(yè)觀光園作為實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行應(yīng)用試點(diǎn)?；?fù)碛腥展鉁厥?0個(gè)，單個(gè)參數(shù)為南北長7 m，東西長80 m，脊高3.5 m。該基地當(dāng)時(shí)種植蔬菜為黃瓜，選取了黃瓜管理專家咨詢系統(tǒng)。

在栽培管理過程中，當(dāng)黃瓜處于苗期管理階段時(shí)，根據(jù)具體癥狀準(zhǔn)確診斷出了花葉病毒??；當(dāng)黃瓜進(jìn)入結(jié)果期，白天溫度保持在20～25 ℃，專家咨詢系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的具體參數(shù)及作物生長情況，給出通風(fēng)預(yù)警結(jié)論；夜間前半夜14 ℃左右，后半夜10 ℃以上，專家咨詢系統(tǒng)分別給出相應(yīng)的增溫預(yù)警結(jié)論。

試用結(jié)果表明，與常規(guī)按照經(jīng)驗(yàn)的栽培管理方式相比，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡便，成本低廉，實(shí)用性較強(qiáng)，易于被農(nóng)戶接受。使用過程中針對(duì)具體情況，能夠大大增強(qiáng)作物栽培管理過程的科學(xué)性和精確性，有效提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)民的增產(chǎn)增收。該系統(tǒng)有力地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)信息化“最后一公里”的建設(shè)，加快了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的普及和推廣，具有較大的推廣價(jià)值。

3 小結(jié)

基于智能手機(jī)的農(nóng)業(yè)專家咨詢系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)推理機(jī)與知識(shí)及數(shù)據(jù)庫的分離，不同作物種類只需更換相應(yīng)的知識(shí)及數(shù)據(jù)庫文件即可。無需修改程序即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同作物的具體處理。利用混合推理算法，研究在正向推理算法基礎(chǔ)上，增加了反向推理，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)采用了混合推理模式，由正向推理幫助選擇目標(biāo)，由反向推理證實(shí)目標(biāo)的推理方式或者是控制策略，提高了推理的精度和專家系統(tǒng)處理復(fù)雜情況的能力以及分析問題的準(zhǔn)確性。

通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了專家系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，提高了遠(yuǎn)程服務(wù)能力和現(xiàn)場及時(shí)處理問題的能力；該系統(tǒng)搭載的平臺(tái)為智能手機(jī)，其便于攜帶和現(xiàn)場處理，有利于農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的普及和推廣。

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