基于云計(jì)算的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 農(nóng)業(yè)信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要內(nèi)容之一，我國(guó)的農(nóng)業(yè)信息化起步較晚，在國(guó)家的大力支持下，雖已取得了較大的成就，但目前的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)與農(nóng)民的實(shí)際需求還存在著一定的差距。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要和農(nóng)民的實(shí)際情況，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，通過云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)處理和系統(tǒng)功能，農(nóng)民通過安卓手機(jī)等智能終端訪問系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)的傳輸通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信提供商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集完整準(zhǔn)確，確保時(shí)效性；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)載均衡；系統(tǒng)功能符合農(nóng)民需求，易于使用。該系統(tǒng)已經(jīng)在河南省農(nóng)業(yè)高新科技園智能溫室控制中得到應(yīng)用，后續(xù)將進(jìn)一步向周邊農(nóng)戶推廣。

關(guān)鍵詞 云計(jì)算；農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）29-10371-02

基金項(xiàng)目河南省職業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（ZJC14001）。

作者簡(jiǎn)介吳強(qiáng)（1979- ），男，陜西乾縣人，講師，碩士，從事農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)信息化研究。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要內(nèi)容之一，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)是推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的基礎(chǔ)工作。農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)是用現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具、信息手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)，輔助管理者實(shí)現(xiàn)管理功能的一種工具[1]。在農(nóng)業(yè)信息化過程中，農(nóng)民文化水平低、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地域分散、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大等是阻礙農(nóng)業(yè)信息化的主要瓶頸[2]。為此，筆者基于云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)建設(shè)一個(gè)集農(nóng)業(yè)信息服務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制、專家系統(tǒng)為一體的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)。

1農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)發(fā)展概況

國(guó)外的農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展較早，如美國(guó)、日本和德國(guó)等都將農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)[3]。我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)起步較晚，但在國(guó)家的大力支持下，已取得了很大的成就，建成了一批農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)平臺(tái)[4]。但是，這些農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)在推廣中卻遇到了很多問題，究其原因，主要有以下幾個(gè)方面：①農(nóng)民普遍知識(shí)水平低，農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)操作復(fù)雜，農(nóng)民很難掌握使用方法；②需要電腦登陸，給農(nóng)民造成了額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；③農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的信息量大，與農(nóng)民的實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合不緊密[5]。

基于以上的問題，筆者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中充分考慮了農(nóng)民和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際，系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)采集[6]；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理采用云計(jì)算技術(shù)，降低開發(fā)成本，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和安全性，降低單個(gè)服務(wù)器的負(fù)載，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，便于后期的擴(kuò)展[7-8]；由于安卓（Android）手機(jī)的普及率較高，成本也較低，系統(tǒng)的客戶端基于安卓手機(jī)平臺(tái)開發(fā)，農(nóng)民可以通過智能手機(jī)登陸系統(tǒng)，降低了農(nóng)民的使用成本，操作也簡(jiǎn)單方便[9-10]。

2開發(fā)技術(shù)概述

2.1云計(jì)算中國(guó)云計(jì)算專家咨詢委員會(huì)副主任、秘書長(zhǎng)劉鵬教授認(rèn)為：“云計(jì)算是通過網(wǎng)絡(luò)提供可伸縮的廉價(jià)的分布式計(jì)算能力”[7]。通過云計(jì)算可以把農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)中的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和管理控制功能分散到多個(gè)位于互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器上，一方面降低了建設(shè)成本，另一方面提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[11]。

2.2物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)其英文名稱是：“The Internet of things”，其實(shí)質(zhì)是基于互聯(lián)網(wǎng)通過各種定位和感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)[12]。在該系統(tǒng)的開發(fā)中主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和提交。

3農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南省農(nóng)業(yè)高新科技園是河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院的教學(xué)實(shí)習(xí)基地，占地面積37.6 hm2，2009年被國(guó)家農(nóng)業(yè)部評(píng)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)基地。園區(qū)從西班牙引進(jìn)3 hm2全自動(dòng)智能溫室，用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的科研、教學(xué)和生產(chǎn)。該系統(tǒng)基于該智能溫室已有軟硬件設(shè)施，應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)開發(fā)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，并最終推廣到普通農(nóng)戶。

3.1農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)需求分析該院位于中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心地帶——鄭州，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的戰(zhàn)略定位為：國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地，全國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化協(xié)調(diào)發(fā)展示范區(qū)，全國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)板塊，全國(guó)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略支點(diǎn)和重要的現(xiàn)代綜合交通樞紐，華夏歷史文明傳承創(chuàng)新區(qū)[13]。信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的核心內(nèi)容之一[14]，該系統(tǒng)基于現(xiàn)有溫室開發(fā)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，起到示范作用，并逐步推廣到周邊農(nóng)戶，主要功能有以下4個(gè)方面。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室狀態(tài)。系統(tǒng)通過溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、光照強(qiáng)度等傳感器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通信設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并以農(nóng)戶需要的形式呈現(xiàn)給農(nóng)戶，農(nóng)戶就可以通過智能手機(jī)等設(shè)備查看最終的監(jiān)測(cè)信息了。

（2）智能信息推送。系統(tǒng)的智能信息推送分為兩個(gè)部分，一般的作物管理、生產(chǎn)規(guī)程、農(nóng)產(chǎn)品銷售等信息通過網(wǎng)站以每日提醒的方式呈現(xiàn)給農(nóng)戶；對(duì)于檢測(cè)中出現(xiàn)的異常情況或者需要立即處理的事務(wù)，系統(tǒng)會(huì)通過電信運(yùn)營(yíng)商提供的短信功能進(jìn)行及時(shí)的短信警告，以便農(nóng)戶能夠及時(shí)進(jìn)行處理，減少不必要的損失。

（3）自動(dòng)控制。對(duì)自動(dòng)化智能溫室還可啟動(dòng)自動(dòng)控制模式，由系統(tǒng)完成相關(guān)管理工作，如自動(dòng)通風(fēng)、打開或關(guān)閉遮光板、噴灑水分等。

（4）農(nóng)事指導(dǎo)。通過專家系統(tǒng)和在線專家對(duì)農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)事指導(dǎo)。

3.2農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的需求，確定了“以互聯(lián)網(wǎng)為信息傳輸基礎(chǔ)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、基于云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、農(nóng)戶通過智能手機(jī)終端使用系統(tǒng)功能”的“物聯(lián)網(wǎng)傳感器+互聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算中心+客戶端”的系統(tǒng)架構(gòu)[15]，具體如下。

（1）物聯(lián)網(wǎng)傳感器。主要由傳感器模塊和通信模塊組成。其中傳感器模塊由溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量、土壤養(yǎng)分等傳感器組成，主要負(fù)責(zé)相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集；傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)通過通信模塊匯總后，借助電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器端[16]。

（2）互聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)到服務(wù)器的傳送主要通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ADSL等實(shí)現(xiàn)，客戶端的連接主要是基于GSM等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[17]。

（3）云計(jì)算中心。系統(tǒng)目前使用園區(qū)的服務(wù)器組建，完成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理分析、農(nóng)業(yè)控制、信息服務(wù)等功能[18]。

（4）客戶端。用戶可以通過智能手機(jī)等智能設(shè)備登陸到該系統(tǒng)使用相關(guān)功能[19]。

3.3農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)客戶端主要的使用群體是農(nóng)戶，為了減輕農(nóng)戶的設(shè)備投資，系統(tǒng)選擇以安卓智能手機(jī)等設(shè)備作為客戶端平臺(tái)，采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。安卓操作系統(tǒng)在智能手機(jī)市場(chǎng)的占有率已經(jīng)超過了80%，同時(shí)它的開發(fā)環(huán)境的開放性也是選擇的主要原因[20]。采用B/S結(jié)構(gòu)主要是為了減輕客戶端的配置更新壓力。安卓客戶端的開發(fā)系統(tǒng)選擇Android SDK+Eclipse進(jìn)行設(shè)計(jì)。

客戶端在易用性的要求下，盡量減少文字輸入，更多采用觸摸選擇的方式，主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)控制、農(nóng)事指導(dǎo)、智能信息推送、系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊[21]。

3.4農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)云計(jì)算中心的搭建與設(shè)計(jì)為了減少硬件投資、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理采用了云計(jì)算的方式。系統(tǒng)采用Hadoop平臺(tái)搭建云計(jì)算中心，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算和分布式處理。Hadoop是一個(gè)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，由Apache基金會(huì)開發(fā)，是一個(gè)能夠讓用戶輕松架構(gòu)和使用的分布式計(jì)算平臺(tái)，它的開源性使用戶可以輕松地在Hadoop上開發(fā)和運(yùn)行處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。該研究在園區(qū)的多臺(tái)Linux服務(wù)器上搭建Hadoop分布式平臺(tái)，采用Java作為主要的開發(fā)語(yǔ)言。Hadoop平臺(tái)具有資源監(jiān)控和資源調(diào)度的功能，該平臺(tái)會(huì)監(jiān)控云中服務(wù)器的CPU、內(nèi)存和硬盤資源的使用情況，并根據(jù)處理任務(wù)進(jìn)行負(fù)載分配，提高資源利用率和系統(tǒng)性能[22-23]。

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，服務(wù)頁(yè)面的設(shè)計(jì)主要通過PHP完成[24]。

4小結(jié)

該研究介紹的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)是在河南省農(nóng)業(yè)高新科技園智能溫室的智能控制系統(tǒng)之上進(jìn)行的升級(jí)改造，在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集中主要采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理是在基于Hadoop平臺(tái)開發(fā)的云計(jì)算平臺(tái)上進(jìn)行，客戶端采用了比較普及的安卓智能手機(jī)作為客戶端，整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連通采用了有線無(wú)線相結(jié)合的方式。系統(tǒng)目前僅在園區(qū)使用，下一步計(jì)劃向周邊農(nóng)戶推廣應(yīng)用。

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