東莞市鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黎志庭龍?zhí)镳B(yǎng)徐慶華劉創(chuàng)新吳振彪沈德才

（1.東莞市大嶺山森林公園，廣東 東莞 523100；2.東莞市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 東莞 523106）

東莞市鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黎志庭1龍?zhí)镳B(yǎng)2徐慶華1劉創(chuàng)新2吳振彪1沈德才2

（1.東莞市大嶺山森林公園，廣東 東莞 523100；2.東莞市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 東莞 523106）

通過對東莞市鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理工作的分析，提出一種基于移動客戶端和服務(wù)器模式的鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)建立了鄉(xiāng)土植物數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)了植物分類、植物養(yǎng)護(hù)和巡檢等功能，應(yīng)用射頻技術(shù)和數(shù)據(jù)同步技術(shù)解決數(shù)據(jù)采集和存儲問題，提高了鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理的工作效率。

鄉(xiāng)土植物；射頻技術(shù)； 數(shù)據(jù)同步； 移動客戶端

鄉(xiāng)土植物是指在沒有人為影響下，自然發(fā)生、自然生長在特定區(qū)域或特定生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的植物[1-2]。鄉(xiāng)土樹種既能反映當(dāng)?shù)刈匀伙L(fēng)貌、生境變遷，同時(shí)也融合了當(dāng)?shù)氐奈幕L(fēng)情，是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的重要支柱。鄉(xiāng)土植物適合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，且能在一定程度上體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土文化特色，有利于形成當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地域文化景觀[3-4]。

隨著現(xiàn)代資源開發(fā)及交通和林業(yè)發(fā)展，原生地鄉(xiāng)土植物日漸減少，外來植物逐漸增多，亟需提高鄉(xiāng)土植物的管理手段和水平?！笆濉比珖謽I(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃要求加快推進(jìn)林業(yè)信息化與現(xiàn)代化[1]，提出要提高林業(yè)信息服務(wù)水平。目前在植物管理系統(tǒng)建設(shè)方面已經(jīng)有了許多成功的案例，極大地提高了數(shù)據(jù)信息更新的實(shí)時(shí)性和植物保護(hù)過程的工作效率，并達(dá)到了信息資源共享的目標(biāo)[2-6]。

通過對鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理工作的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，鄉(xiāng)土植物需要建立檔案并進(jìn)行現(xiàn)場巡檢養(yǎng)護(hù)記錄，工作過程中需要對每一棵植物進(jìn)行詳細(xì)的記錄和備案。因此本文提出綜合運(yùn)用移動互聯(lián)網(wǎng)、射頻技術(shù)(RFID)和數(shù)據(jù)同步技術(shù)等構(gòu)建一個(gè)鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理移動應(yīng)用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求

鄉(xiāng)土植物管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)為：首先采集鄉(xiāng)土植物個(gè)體的詳細(xì)數(shù)據(jù)，建立植物檔案數(shù)據(jù)庫；在進(jìn)行現(xiàn)場巡檢和養(yǎng)護(hù)工作時(shí)，可攜帶便攜式設(shè)備如平板電腦等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。每棵植物都懸掛一個(gè)電子標(biāo)簽，RFID讀卡器讀取電子標(biāo)簽中的植物編碼數(shù)據(jù)，通過有線或無線連接傳遞給移動設(shè)備，移動設(shè)備與云服務(wù)器之間通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)分為前臺展示和后臺管理兩個(gè)部分。其中，前臺展示可通過展示頁面提供植物的詳細(xì)分類以及植物的具體信息。后臺管理部分功能包括：基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、植物個(gè)體檔案、植物位置信息、數(shù)據(jù)同步和讀卡器設(shè)置。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

2.1 前臺功能設(shè)計(jì)

前臺功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，用戶不需要登錄就可以對植物信息進(jìn)行查詢。內(nèi)容包括：（1）首頁，展示系統(tǒng)使用單位的基本情況及植物分類知識；（2）植物分類，主要展示植物的科屬等各級分類知識與圖片；（3）植物個(gè)體，展示個(gè)體植物的狀態(tài)、位置以及圖片；（4）讀卡查詢，使用讀卡器讀取植物上懸掛的電子標(biāo)簽，進(jìn)行快速定位并展示植物信息；（5）分類搜索，使用分類查詢界面逐級查詢、并找到目標(biāo)植物；（6）用戶登錄，登錄后可以進(jìn)入后臺管理功能。

2.2 后臺功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后臺功能是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)工作的核心，科研人員登錄后可以進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理及養(yǎng)護(hù)工作過程管理，后臺功能結(jié)構(gòu)見圖3。

2.2.1 植物區(qū)域管理 植物分布的區(qū)域，采用地區(qū)、區(qū)域和地點(diǎn)3級結(jié)構(gòu)管理。

2.2.2 植物分類管理 植物的類別，根據(jù)系統(tǒng)需要采用了植物學(xué)分類中的3個(gè)級別對植物進(jìn)行分類管理，包括：類、科和屬。

2.2.3 單棵植物管理 建立個(gè)體植物檔案，包括植物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及上傳的植物圖片；分類維護(hù)植物模塊可實(shí)現(xiàn)通過區(qū)域分類或者植物分類找到目標(biāo)植物個(gè)體、并進(jìn)行管理；植物巡檢和植物養(yǎng)護(hù)模塊可實(shí)現(xiàn)在工作現(xiàn)場掃描植物電子標(biāo)簽以確定目標(biāo)植物，然后對巡檢和養(yǎng)護(hù)的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，定時(shí)提醒工作人員對目標(biāo)植物進(jìn)行巡檢或養(yǎng)護(hù)。

圖2 鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)前臺功能

圖3 鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)后臺功能

2.2.4 樹木位置管理 在現(xiàn)場使用GPS對單棵植物進(jìn)行位置定位，并記錄到植物檔案中。工作過程中植物位置以地圖的形式顯示。

2.2.5 數(shù)據(jù)同步 主要完成現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)與服務(wù)器雙向同步的功能。

2.2.6 讀卡器設(shè)置 在使用新的讀卡器時(shí)，設(shè)置讀卡器的工作參數(shù)。

2.3 界面設(shè)計(jì)

界面針對觸摸操作進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便在平板電腦等移動設(shè)備上操作系統(tǒng)，同時(shí)支持傳統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤操作。系統(tǒng)全局使用Windows 8開始的基于磁貼的外觀和操作風(fēng)格，并采用自適應(yīng)界面設(shè)計(jì)方案，能自動適應(yīng)不同分辨率的平板設(shè)備，符合人機(jī)交互的操作習(xí)慣。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MVC框架，用業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼。

2.4.1 視圖層 本系統(tǒng)使用FXml+CSS作為視圖，F(xiàn)Xml用于界面組件的排布，CSS是對界面組件進(jìn)行定位與修飾。

2.4.2 模型 各功能模塊的基本操作單位作為實(shí)體類，如：植物分類數(shù)據(jù)、植物檔案等。模型用于向業(yè)務(wù)邏輯部分傳遞數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模型一一對應(yīng)。

2.4.3 控制器 控制器分為視圖控制層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫訪問層。視圖控制層主要用于修改視圖內(nèi)容以及從視圖中讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞到業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行處理。業(yè)務(wù)邏輯層主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理和與數(shù)據(jù)庫訪問層進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)庫訪問層即為對數(shù)據(jù)庫訪問進(jìn)行封裝，可以使用面向?qū)ο蟮男问竭M(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的訪問。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵問題

系統(tǒng)使用Java平臺開發(fā)，從而提高了系統(tǒng)的可移植性，使其可以應(yīng)用于不同類型的平板電腦。其中，界面部分使用JavaFX技術(shù)，持久層使用Hibernate框架，數(shù)據(jù)庫選擇MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

3.1 電子標(biāo)簽編碼規(guī)范

電子標(biāo)簽懸掛在植物上，其中存儲的植物編碼是識別每個(gè)植物個(gè)體的唯一標(biāo)志，合理的編碼規(guī)則設(shè)置是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。電子標(biāo)簽的編碼共有22位數(shù)字，包括的信息為植物地區(qū)、區(qū)域、地點(diǎn)、類、科、屬、種名和單株序號。表1說明了各個(gè)編碼位的含義。

例如，電子標(biāo)簽編碼“0101011000400090005 001”代表的是小葉海金沙（Lygodium microphyllum），它位于東莞市林業(yè)科學(xué)園鄉(xiāng)土植物區(qū)A線第1株，屬于蕨類植物海金沙科海金沙屬。

3.2 RFID讀卡器模塊

為了使系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中能夠適應(yīng)不同型號的讀卡器，讀卡器子模塊開發(fā)中使用了工廠模式和門面模式。工廠模式下，讀卡器工廠可以通過方法生產(chǎn)讀卡器的實(shí)現(xiàn)對象，而主程序只需要調(diào)用讀卡器實(shí)現(xiàn)工廠的接口即可獲取到實(shí)際讀卡器的實(shí)現(xiàn)對象。門面模式則是提供一個(gè)通用的調(diào)讀卡器接口，主程序在無需知道讀卡器實(shí)現(xiàn)方式的前提下調(diào)用該讀卡器。

系統(tǒng)不修改代碼也可以新增或者修改讀卡器接口相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)增量部署。如果有新類型的讀卡器接入系統(tǒng)，只需擴(kuò)展一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)類即可在主系統(tǒng)中使用該讀卡器。

表1 鄉(xiāng)土植物管理電子標(biāo)簽編碼說明

3.3 數(shù)據(jù)同步策略

系統(tǒng)云服務(wù)端的主要任務(wù)是保持運(yùn)行本系統(tǒng)的移動客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)一致。

系統(tǒng)采用的是離線同步策略和數(shù)據(jù)版本控制技術(shù)，移動客戶端軟件在處于離線狀態(tài)下對植物數(shù)據(jù)進(jìn)行更新操作時(shí)，臨時(shí)保存工作過程中的數(shù)據(jù)更改操作，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前移動客戶端的編號和主鍵生成算法，來生成本地?cái)?shù)據(jù)，確保每個(gè)客戶端生成數(shù)據(jù)的主鍵唯一性，避免數(shù)據(jù)庫表的主鍵沖突。然后進(jìn)行更新日志，同時(shí)插入一條表示操作類型（添加、修改或刪除）的記錄，該記錄包含一個(gè)表示同步狀態(tài)的標(biāo)志。

當(dāng)移動客戶端能夠通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器時(shí)，可以與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。進(jìn)行同步操作時(shí)，在數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器的同時(shí)，將同步狀態(tài)的標(biāo)志設(shè)置為已經(jīng)更新。服務(wù)器端對數(shù)據(jù)的版本號進(jìn)行管理，進(jìn)行同步數(shù)據(jù)后，生成新的版本號以便客戶端軟件能夠識別同步狀態(tài)。

該策略降低了對工作現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，提高了系統(tǒng)的可用性。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)目前已經(jīng)在東莞市林業(yè)科學(xué)研究所的工作環(huán)境中運(yùn)行超過1年，在園區(qū)實(shí)際工作過程中，已經(jīng)建立了包括電子標(biāo)簽、植物基本信息和相關(guān)圖片等數(shù)據(jù)的完整植物個(gè)體檔案；在植物巡檢和植物養(yǎng)護(hù)工作中，能夠現(xiàn)場實(shí)時(shí)錄入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性得到了保障；在野外無線接入和辦公場所有線接入的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)同步均能正常工作；基于服務(wù)器的數(shù)據(jù)共享提高了數(shù)據(jù)交換的工作效率。

圖4為圖2單棵植物展示功能中的植物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)界面展示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。其優(yōu)勢在于將互聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、軟件系統(tǒng)平臺與實(shí)際工作進(jìn)行了有效結(jié)合，提高了保護(hù)植物資源效率。

在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，安裝Windows 8的平板電腦在運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)存在藍(lán)牙識別配對的效率較低、中文數(shù)據(jù)輸入不方便等問題，這些問題均通過升級操作系統(tǒng)為Windows 10后得到了解決。

5 結(jié)論

鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理工作的信息化發(fā)展緩慢，存在著信息相互獨(dú)立、準(zhǔn)確度不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、查詢不便等問題，給科研人員和工作人員帶來極大的不便。

本文通過對鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理工作的實(shí)際分析，建立了一個(gè)基于移動客戶端和共享服務(wù)器相結(jié)合的管理系統(tǒng)，解決了鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理工作中數(shù)據(jù)采集工作繁瑣、數(shù)據(jù)更新不及時(shí)和植物數(shù)據(jù)無法達(dá)到一致性等問題。工作人員可以通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握植物個(gè)體狀況。在現(xiàn)場工作中，使用RFID和數(shù)據(jù)同步技術(shù)提高了工作效率，并且可以方便快捷地與其他單位共享數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)前臺功能也可以應(yīng)用于鄉(xiāng)土植物的科普展示工作。系統(tǒng)成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)將來可推廣到珍稀植物、古樹名木保護(hù)等系統(tǒng)的開發(fā)工作中。

圖4 東莞市鄉(xiāng)土植物保護(hù)管理系統(tǒng)植物基本信息管理界面

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Design and Implementation of Native Plant Protection Management System in Dongguan

LI Zhiting1LONG Tianyang2XU Qinghua1LIU Chuangxin2WU Zhenbiao1SHEN Decai2
（1.Dalingshan Forest Park Management Department, Dongguan, Guangdong 523100, China；2. Dongguan Research Institute of Forestry, Dongguan, Guangdong 523106, China）

Based on the analysis of the protection and management of native plant in Dongguan city, this paper puts forward a native plant protection and management system with a Client/Server Computing Architecture. The system contains a database for native plants, and implements functions of plant classifcation, plant maintenance and inspection. The system also realizes the functions of plant classifcation, plant conservation and inspection by using Radio Frequency Identification（RFID）technology and data synchronization technology, which greatly improve the effciency of native plant protection and management.

native plant；RFID；data synchronization；mobile client

S126

：A

：2096-2053（2017）04-0104-05

*第一作者：黎志庭（1981— ），男，助理工程師，主要從事林業(yè)信息研究，E-mail：timiv@21cn.com。