基于Android的水稻生長田間管理輔助決策系統(tǒng)

韓國鑫 譚峰 馬志欣

摘要：為了提高我國水稻田間管理與決策的工作水平與效率，保障我國水稻生產安全，基于Android應用平臺研究了一款水稻田間管理遠程輔助決策系統(tǒng)。利用Socket通信技術實現(xiàn)了手機終端與云服務器的無縫對接，云平臺利用無線通信模塊實時獲取農業(yè)現(xiàn)場傳感器采集的信息，通過自定義的通信協(xié)議與移動終端進行通信，實現(xiàn)了田間農情信息的實時查看與農田管理的輔助決策，并在黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣農業(yè)示范區(qū)進行了應用試驗，結果表明，該系統(tǒng)能夠有效提高水稻田間管理者調查與指導的工作效率，加強農業(yè)技術人員的決策能力，對提高農業(yè)信息化水平具有重要意義。

關鍵詞：Android系統(tǒng);田間管理;輔助決策;云平臺

中圖分類號： S126 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0221-05

水稻是我國主要糧食作物之一，確保水稻生產質量是保障我國糧食安全的關鍵環(huán)節(jié)。在水稻種植和生產過程中，田間管理是極其重要的工作，如田間作業(yè)、病蟲害預防以及生長環(huán)境監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)都會對水稻產量與質量產生重要影響。因此，加強水稻生長的田間管理具有十分重要的意義[1-2]。目前，我國農民對田間管理工作技術標準了解不足，農業(yè)技術人員對田間管理工作調查不充分，導致我國水稻田間管理工作模式落后、粗放，為農業(yè)生產埋下隱患[3]。隨著農業(yè)信息化的快速發(fā)展，針對移動終端的水稻田間管理決策系統(tǒng)已有研究，但這些平臺大多應用于Windows系統(tǒng)，不但價格高昂、功能局限、人機交互性能較差，且不具備開源免費的開發(fā)環(huán)境[4-6]。因此，針對農業(yè)工作者設計一種界面友好簡單、人機交互性強的水稻田間管理輔助決策系統(tǒng)，對于我國傳統(tǒng)水稻田間管理模式的革新以及農業(yè)新科技向農業(yè)生產一線普及有著十分重要的意義[7-8]。

本研究基于Android應用平臺研究了一種水稻生長田間管理遠程決策輔助系統(tǒng)的設計方法，構建了開源免費的開發(fā)環(huán)境[9-10]。該系統(tǒng)利用Socket通信技術實現(xiàn)了Android智能移動終端與云服務器的數(shù)據(jù)上傳與下載，實現(xiàn)了農業(yè)技術人員在田間管理工作中對作物生長信息、田間環(huán)境信息、水稻病蟲草害監(jiān)測信息的遠程獲取與上報;實現(xiàn)了農業(yè)管理者對于水稻生長環(huán)境信息的遠程監(jiān)測以及對農業(yè)生產與田間管理的遠程指導，提高了水稻田間管理的工作效率。

1 系統(tǒng)組成與功能設計

整體系統(tǒng)主要由作物生長信息采集設備、云服務器以及Android智能移動終端設備3個部分組成。首先由作物生長信息采集設備通過3G/4G工業(yè)無線路由器將水稻田間生長的農業(yè)數(shù)據(jù)信息上傳至云服務器，再由Android智能移動終端設備通過Socket通信的方式訪問云服務器從而獲取作物生長狀況與實時環(huán)境信息，進而輔助農業(yè)技術人員及時作出決策。筆者介紹主要內容是系統(tǒng)客戶端的設計，系統(tǒng)客戶端采用Android平臺研發(fā)，主要分為田間農業(yè)信息采集和輔助決策這兩大功能模塊，農業(yè)田間信息采集部分包括田間環(huán)境信息采集、作物長勢圖像采集、水稻病蟲草害分類查詢以及災害情況上報等功能;輔助決策部分主要包括水稻長勢與環(huán)境信息的遠程查看、受災情況查看以及基于地理位置的水稻田間生長管理信息綜合查看。系統(tǒng)總體設計見圖1。

1.1 客戶端總體功能設計

為了提高農業(yè)技術人員的田間管理水平，輔助農場領導與農業(yè)專家對田間情況進行決策，系統(tǒng)客戶端設計了農業(yè)信息采集以及田間管理輔助決策系統(tǒng)2個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)分別含有一級、二級功能模塊。系統(tǒng)整體功能模塊的構建見圖2。

1.2 農業(yè)信息采集系統(tǒng)功能設計

該子系統(tǒng)主要針對農業(yè)技術人員進行設計，根據(jù)水稻田間管理業(yè)務分析與研究將該部分系統(tǒng)劃分為四大功能模塊，分別為田間信息采集、水稻病蟲草害信息瀏覽、災害上報、輔助功能，每個功能模塊還細分為若干子模塊。

1.2.1 田間信息采集部分功能設計 田間信息采集模塊是農業(yè)信息采集系統(tǒng)的重要組成部分，其中包含水稻長勢與生長環(huán)境的監(jiān)測、圖像顯示與歷史、田間作業(yè)與歷史3個部分，農業(yè)技術人員能夠利用該模塊的功能完成對所負責區(qū)域調查記錄的存儲與上傳工作。

1.2.1.1 水稻長勢與生長環(huán)境的監(jiān)測 在水稻田間管理工作當中，及時獲取水稻生長信息從而快速作出正確決策對于保障水稻的生產安全具有重要的意義。農技人員通過水稻生長監(jiān)測功能，能夠實時獲取與水稻生長環(huán)境相關的數(shù)據(jù)，包括水稻長勢監(jiān)測、氣象信息監(jiān)測、水位高度監(jiān)測、渠流量監(jiān)測、田間環(huán)境監(jiān)測、水肥藥一體微噴監(jiān)測等6類信息。其中長勢監(jiān)測包括水稻株高、出葉、分蘗以及葉綠素含量;氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)包括風向、風速、空氣與土壤溫濕度、降水量與蒸發(fā)量等;流量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括微噴、曬水池出入水和各格田出入水流量的瞬時與累計值;田間環(huán)境監(jiān)測包括各田塊的水位、溫度、作物生長階段、田間進出水閥門狀態(tài)等;水肥藥一體化微噴包括各噴灌開閉狀況、噴藥與施肥微噴閥門狀態(tài);水位高度監(jiān)測包括渠水位和蓄水池水位高度。水稻生長監(jiān)測模塊見圖3。

1.2.1.2 圖像顯示與歷史 圖像顯示部分能夠呈現(xiàn)當前環(huán)境下水稻病菌的孢子圖像、捕蟲燈圖像以及水稻長勢圖像，農技人員可以通過孢子圖像反映的細菌種類、捕蟲燈顯示的害蟲種類與數(shù)量以及作物長勢圖像，從而對作物病蟲害進行預判，并及時采取防治措施。

1.2.1.3 田間作業(yè)與歷史 為了確保水稻田間管理工作的有序進行，保障糧食生產安全，設計了田間作業(yè)信息獲取與歷史查詢模塊，其中包括對各格田灌溉時間與次數(shù)的統(tǒng)計、施肥量與用藥量的統(tǒng)計，農技人員可以通過該模塊對作業(yè)的類型及詳情、時間地點等數(shù)據(jù)進行記錄，在填報數(shù)據(jù)的同時現(xiàn)場拍攝照片，填寫完畢后保存并上傳數(shù)據(jù)至云平臺，上傳后的數(shù)據(jù)歷史可以隨時供用戶查詢。

1.2.2 水稻病蟲草害信息瀏覽 水稻病蟲草害信息瀏覽模塊可以實現(xiàn)水稻病蟲草害信息的分類查看，其內容包含各類災害的發(fā)病癥狀、發(fā)病原因、防治與傳播方式等，能夠迅速幫助農技人員針對當前水稻發(fā)生災害的特點進行正確診斷，也可以針對災害種類進行快捷查詢，有效預防災害的發(fā)生或進一步惡化，提高了農技人員對于災害調查與上報的工作效率。

1.2.3 災害上報與歷史查詢 農技人員可以通過該功能模塊快速上報災害情況，其功能包括對受災地區(qū)的時間、地點以及受災面積的登記，并對當前地區(qū)災害的基本信息以及具體情況進行錄入，在填報數(shù)據(jù)的同時現(xiàn)場拍攝照片，記錄完畢后點擊上報上傳數(shù)據(jù)至云平臺，以便農業(yè)管理者快速作出決策。

1.2.4 輔助功能 輔助功能模塊主要針對水稻品種、田間作業(yè)類別、地理位置與時間、災害種類等信息類別進行預先設置，農技人員可以提前通過該功能設置自身所負責田塊的信息類別，以便在工作過程中快捷地對一系列田間管理信息進行錄入，實現(xiàn)農場系統(tǒng)對不同地域田塊的分類管理。同時，農技人員還可以通過查詢功能輸入水稻當前災害的關鍵信息，快速搜索出相關的病蟲草害，有利于第一時間對災害作出診斷并上報，減少災害損失。

1.3 輔助決策系統(tǒng)功能設計

該系統(tǒng)主要針對農業(yè)管理決策者進行設計，其作用能夠幫助管理人員迅速獲取一定范圍內各地區(qū)與水稻生長相關的田間信息，以便及時作出應對并分配任務，保證了數(shù)據(jù)反饋的真實性和時效性。通過對農業(yè)管理者工作需求的實際調查，將該子系統(tǒng)的一級功能模塊分為3個部分，包括水稻生長信息、災害詳情以及結合地理位置的水稻田間管理數(shù)據(jù)的分類瀏覽。

1.3.1 生長信息與災害信息瀏覽 該模塊可以實現(xiàn)田間信息和災害信息的動態(tài)遠程查看，使農業(yè)管理者更加全面、直觀地獲取水稻生長環(huán)境與田間作業(yè)信息，及時獲悉各區(qū)域農業(yè)生產一線的受災程度與詳情，有利于農業(yè)管理人員及時把握田間管理工作進程，提高田間管理與指導的工作效率以及對田間災害的預防能力。

1.3.2 基于地理位置的水稻生長田間管理數(shù)據(jù)分類獲取 系統(tǒng)將水稻生長狀況、災害詳情、環(huán)境數(shù)據(jù)等信息嵌入地理信息系統(tǒng)中，農業(yè)管理者可以通過不同區(qū)域地理條件與環(huán)境的差異性生成適應性較強的工作方案與應急預案。同時，還將在地理信息系統(tǒng)中生成多層農田空間信息分布圖，并將其納入水稻生長田間管理輔助決策系統(tǒng)，有利于管理者結合不同地區(qū)田間作物生長的情況進行分區(qū)管理和科學布局。其功能流程見圖4。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)基于Windows 7操作系統(tǒng)完成了對Java JDK 1.8.0、Android SDK、MyEclipse10以及Android Development Tools 23.0.7插件的安裝， 成功建立了開源免費的開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的界面布局采用TableLayout類，每1行都包含1個TableRow，在每個TableRow中包含了單個或多個View對象。實現(xiàn)了不同內容之間的快速切換以及界面空間的靈活運用。

2.1 通信功能的實現(xiàn)

利用Socket通信技術實現(xiàn)智能移動終端與云平臺的數(shù)據(jù)傳輸，該通信方式相比于Http通信更加快捷，效率更高。Socket通信封裝了TCP/IP協(xié)議，是一種“open-send/write-close”通信模式的實現(xiàn)，首先在系統(tǒng)移動客戶端建立一個Socket，建立后云服務器會時刻進行網絡監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)地址與端口號一致的客戶端連接請求便迅速反應并予以連接，然后對所需的信息和數(shù)據(jù)進行及時傳輸并予以儲存。

通過利用JAVA中Socket通信包含的getInputStream（）和getOuputStream（）所對應的輸入與輸出流來進行數(shù)據(jù)的send/write等傳輸操作。在傳輸結束時，服務器調用close功能斷開連接并恢復監(jiān)聽狀態(tài)。經傳輸后，Android移動終端利用ExpandableListView類實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的列表分組管理與動態(tài)顯示。系統(tǒng)的信息采集主界面與田間管理生長監(jiān)測信息見圖5。

2.2 數(shù)據(jù)的存儲與調用

在系統(tǒng)實際應用的過程中，會出現(xiàn)網絡故障以及網絡信號較弱等問題，為避免采集和錄入的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)采用了Android智能操作系統(tǒng)中自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫，建立了水稻田間管理信息、作業(yè)信息以及病蟲草害信息的數(shù)據(jù)庫表，同時實現(xiàn)了相關圖片的存儲與調用，完成了數(shù)據(jù)的保存與更新。SQLite數(shù)據(jù)庫是一個標準的嵌入式數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)通過利用其提供的零配置運行模式，屏蔽了數(shù)據(jù)庫使用和管理的復雜性，提高了系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

在實現(xiàn)過程中，通過調用SQLiteOpenHelper中getWritabeDatabase（）方法創(chuàng)建嶄新的數(shù)據(jù)庫表，成功建立后調用SQLiteDatabase類的insert（）、update（）等方法來完成數(shù)據(jù)的添加或更新等操作，新增的數(shù)據(jù)子類的內容會顯示在不同的View中，用戶可以根據(jù)不同的類別進行數(shù)據(jù)的錄入。最后，利用布局文件中Spinner控件的添加，便可以觸發(fā)SQLiteDatabase類的query（）方法來實現(xiàn)用戶對信息數(shù)據(jù)的查看與調用。

2.3 病蟲草害信息查看功能的實現(xiàn)

水稻病蟲草害數(shù)據(jù)結構化程度不高，利用XML這種具有較強可擴展性及交互性的半結構化的數(shù)據(jù)格式來編寫更為合適。系統(tǒng)嚴格按照XML語言的編寫方法建立了水稻病蟲草害文件rice.xml，實現(xiàn)了對于水稻生長的40多種以上主要病害與草害以及90多種以上主要蟲害的分類瀏覽，且每種災害的詳細信息與圖譜都能夠條理清晰地顯示在客戶端中。水稻災害XML文件的部分內容與結構見圖6。

系統(tǒng)通過調用資源對象的getXml（）方法中XmlPullParser技術來解析上述XML文件，PULL解析器利用事件運行過程中觸發(fā)特定代碼的方式來判斷解析各項事件開始與結束的時間，相比于SAX和DOM解析方式具有占用內存小、解析速度更快的優(yōu)點。定義后的事件類型與含義見表1。

在解析實現(xiàn)過程中，XML解析事件的首次觸發(fā)記為int eventType=parser.getEventType（），當讀取開始后，程序將通過關鍵的parser.next（）方法來獲取到高級的解析事件，并通過對比確定事件類型，然后通過調用getAttributeCount（）和getAttributeName（）方法來獲取元素的屬性值與名稱，最后將屬性值整理成需要顯示的信息。解析后的水稻病蟲草害信息查看功能見圖7。

2.4 基于地理信息的水稻生長田間管理數(shù)據(jù)分類查看功能實現(xiàn)

該功能選用百度地圖，并利用GPS定位技術來實現(xiàn)其基本功能。首先將百度地圖生成的Key填寫在Android Manifest.xml文件中，然后下載百度地圖API的jar包并導入libs文件夾中即可使用百度地圖API。在錄入的過程中，系統(tǒng)會自動檢測GPS功能所處的狀態(tài)，如果檢測到該功能開啟系統(tǒng)便會自動通過LocationManager來獲取某一特定時間地理位置的相關信息。在對田間信息與地理位置調用的過程中，系統(tǒng)通過在MapView上添加覆蓋層的方法對地理位置進行注解，其原理是創(chuàng)建新的itemzedOverlay類將對應的圖片和數(shù)據(jù)信息與相應的地點進行匹配并標注，點擊該定位便可以顯示當前位置田間的詳細信息。其功能主界面與地圖顯示界面見圖8。

2.5 系統(tǒng)云平臺服務器的實現(xiàn)

系統(tǒng)服務器是基于云平臺技術運用Delphi7進行開發(fā)。相比于VC和VB，Delphi7具備程序設計思想便捷、性能穩(wěn)定、開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)庫支撐強大等優(yōu)點。系統(tǒng)云服務器安全穩(wěn)定性強，可實時獲取多處異地的水稻田間管理信息，克服了有線網絡環(huán)境和空間的制約，為移動客戶端的穩(wěn)定運行提供了可靠的基礎與支撐。云服務器的主界面見圖9。

3 系統(tǒng)集成與測試

系統(tǒng)綜合考慮了不同種類用戶在田間管理工作中的需要，結合表格布局、框架布局以及相對布局等多種布局方式的優(yōu)點構建了人機交互界面，增強了系統(tǒng)的可用性和用戶友好性。同時運用了多種Android關鍵技術與高端控件，實現(xiàn)了系統(tǒng)的基本功能和穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)于黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣、依安縣等地多個農業(yè)示范園區(qū)進行應用試驗，通過試驗過程中不斷的調整與優(yōu)化，系統(tǒng)的運行與維護已經十分成熟。經過實際運行與應用效果表明：（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示準確，條理分明，圖片顯示

清晰完整，且功能具有多樣性和針對性，滿足了用戶的實際需求。（2）界面操作簡便且實用性強，農技人員只需進行簡單培訓便能夠掌握全部操作功能。（3）在實際應用過程中，大部分地區(qū)信息傳輸?shù)耐ㄐ判Ч己?，能夠滿足各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。小部分地區(qū)由于基站覆蓋面積不足，圖片的傳輸情況會有一定延遲。

4 結論

基于Android智能移動終端研發(fā)了水稻田間管理與決策輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)運用云平臺技術開發(fā)服務器，使其具備強大的數(shù)據(jù)存儲與信息調用功能，采用Socket通信方式實現(xiàn)了客戶端與云平臺服務器的無縫對接，解決了有線網絡環(huán)境制約的問題。系統(tǒng)能夠滿足不同用戶對水稻田間管理工作的實際需求，革新了傳統(tǒng)的田間管理工作模式，具有較強的適用性和必要性，同時也保證了田間信息獲取的真實性與時效性，適合在我國農業(yè)生產一線推廣應用。

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