互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)綜合管理平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉寶玉 楊奎 汪琳霞

摘? 要： 設(shè)計了互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)綜合管理平臺， 采用Java Web和Android構(gòu)建了線上管理系統(tǒng)和線下服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)的管理分析，并對農(nóng)資、農(nóng)機(jī)、農(nóng)技、農(nóng)田等生產(chǎn)要素進(jìn)行有效整合。平臺運(yùn)用自身的豐富資源和整合能力，為農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，提供了一系列的服務(wù)，從而達(dá)到提高效率、降低成本、綠色生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)管理; 互聯(lián)網(wǎng); Android; Java Web

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）07-92-04

Abstract： An Internet integrated agricultural management platform is designed. An online management system and an offline service center are constructed adopting Java Web and Android to realize the management and analysis of data in the entire process of agricultural production， and effectively integrate the production factors such as agricultural material， agricultural machinery， agricultural technology and farmland etc. The platform uses its rich resources and integration capabilities to provide a series of services for farmers in agricultural production， so as to improve efficiency， reduce costs and achieve the green production.

Key words： agricultural management; Internet; Android; Java Web

0 引言

目前我國農(nóng)業(yè)的主要問題集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源整合程度低，生產(chǎn)成本高，效率低下以及掠奪式耕作導(dǎo)致的污染程度高這幾方面。如今越來越多的人習(xí)慣通過網(wǎng)絡(luò)獲取信息與服務(wù)。據(jù)相關(guān)調(diào)研，農(nóng)民當(dāng)中有相當(dāng)一大部分人擁有智能手機(jī)設(shè)備。由《CNNIC：第38次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》[1]中可知，農(nóng)村網(wǎng)民在中國網(wǎng)民中占比高達(dá)26.9%，人口規(guī)模高達(dá)1.91億。綜上，我們開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)農(nóng)業(yè)綜合管理平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)來調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，指導(dǎo)農(nóng)民創(chuàng)收。該平臺構(gòu)建了線上管理系統(tǒng)和線下服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)的管理分析，同時整合農(nóng)機(jī)、農(nóng)資、農(nóng)技、農(nóng)田等生產(chǎn)要素，運(yùn)用自身的資源整合能力、科學(xué)的管理方式、豐富的專家技術(shù)資源，以達(dá)到提高效率、降低成本、綠色生產(chǎn)的目的。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)綜合管理平臺，針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源整合程度低、生產(chǎn)成本高、效率低下等問題，構(gòu)建了線上管理系統(tǒng)和線下服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)的管理分析，整合農(nóng)機(jī)、農(nóng)資、農(nóng)技、農(nóng)田等生產(chǎn)要素，同時運(yùn)用自身的資源整合能力、科學(xué)的管理方式、豐富的專家技術(shù)資源，達(dá)到提高效率、降低成本、綠色生產(chǎn)的目的。

本系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，提供了一系列的服務(wù)。由于農(nóng)戶耕作的各階段時期基本一致會使得農(nóng)機(jī)的需求也體現(xiàn)出集中，而農(nóng)作物的耕作又允許一定的時延，故提出通過分區(qū)劃片管理來對農(nóng)機(jī)進(jìn)行智能調(diào)度，從而提高農(nóng)機(jī)的利用率。在農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，蟲害防治是非常重要的，嚴(yán)重的時候甚至?xí)甾r(nóng)作物，故提供蟲害識別服務(wù)，讓農(nóng)戶獲取蟲害的基本信息及防治措施，進(jìn)行科學(xué)防治。當(dāng)代農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)知識也比較缺乏，進(jìn)行農(nóng)業(yè)知識學(xué)習(xí)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大，同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要科學(xué)的指導(dǎo)，因此農(nóng)戶也可以通過平臺向?qū)＜易稍冝r(nóng)業(yè)問題以及推薦閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，提高農(nóng)業(yè)知識水平。

在本系統(tǒng)中，所涉及到的用戶包括農(nóng)戶、農(nóng)機(jī)手、工作人員、管理員。農(nóng)民指擁有可納入平臺統(tǒng)籌規(guī)劃耕種的農(nóng)田且與平臺達(dá)成協(xié)議的長期從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員。工作人員指在每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立的服務(wù)中心中負(fù)責(zé)當(dāng)?shù)毓芾砗图夹g(shù)支持等工作的人員。農(nóng)機(jī)手指加入到平臺的擁有符合條件的農(nóng)機(jī)操作的工作人員或者是公司雇傭的農(nóng)機(jī)操作人員。管理員指維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為了簡化開發(fā)難度，故管理員身兼數(shù)職，集農(nóng)資部門、農(nóng)機(jī)部門、農(nóng)技服務(wù)中心于一身。

系統(tǒng)由服務(wù)中心和智能系統(tǒng)組成。服務(wù)中心整合了農(nóng)田、農(nóng)機(jī)、農(nóng)技等資源，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化、規(guī)?；?、科學(xué)化提供了條件。多個基層服務(wù)中心構(gòu)成高級服務(wù)中心，形成服務(wù)中心的層級結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)、縣、市、省、國五級互聯(lián)互通，更方便地接入政府農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)及企業(yè)產(chǎn)品需求。服務(wù)中心主要負(fù)責(zé)：與農(nóng)機(jī)手、農(nóng)資商、種植戶、農(nóng)產(chǎn)品收購商等形成合約關(guān)系;統(tǒng)一管理各種農(nóng)機(jī)設(shè)備，統(tǒng)一購買農(nóng)藥化肥等農(nóng)資;在合適的地方建設(shè)農(nóng)機(jī)維修點(diǎn)、農(nóng)機(jī)加油點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施;配備農(nóng)業(yè)專家以制定合理的計劃并指導(dǎo)種植戶解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的問題。智能系統(tǒng)分為Web端和移動端。Web端用戶是服務(wù)中心工作人員，提供了生產(chǎn)規(guī)劃、作業(yè)任務(wù)規(guī)劃、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)可視化、農(nóng)業(yè)技術(shù)支持等功能;移動端用戶是種植戶與農(nóng)機(jī)手，提供了天氣預(yù)警、任務(wù)提醒、農(nóng)田信息查看、蟲害識別、專家咨詢及技術(shù)文庫查看等功能。

2 相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 智能調(diào)度算法

智能調(diào)度是指通過計算機(jī)智能計算，生成全年耕作計劃及每日作業(yè)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能調(diào)度，原理如下。

⑴ 根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗初步制定全年計劃，主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中每個時期的始末時間、工作總量、具體任務(wù)等。

⑵ 系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)的始末時間、工作總量、農(nóng)機(jī)效率等，合理安排每天的工作任務(wù)，詳細(xì)到天的任務(wù)類型、任務(wù)片區(qū)、所需農(nóng)機(jī)數(shù)量等。

⑶ 當(dāng)工作收到天氣等不可控因素影響時：

① 修改當(dāng)前任務(wù)或任務(wù)延后一天;

② 根據(jù)剩余時間和剩余工作量重新安排該段時間任務(wù)，必要情況下增加農(nóng)機(jī)數(shù)量確保任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)完成;

③ 在緊急情況下，調(diào)配資源及時解決緊急任務(wù)，必要時專家指導(dǎo)發(fā)布任務(wù)信息。

2.2 蟲害識別算法

本系統(tǒng)使用Inception-v3對圖像進(jìn)行分類識別， Inception-v3是一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]（Convolutional Neural Networks， CNN）模型，使用了龐大的圖像庫ImageNet，已經(jīng)被訓(xùn)練得比較成熟，對于大型圖像處理有出色表現(xiàn)。ImageNet是一個計算機(jī)視覺系統(tǒng)識別項目，是根據(jù)WordNet[3]層次結(jié)構(gòu)組織的圖像數(shù)據(jù)庫，其中層次結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點(diǎn)都由數(shù)百個或數(shù)千個圖像描繪。目前每個節(jié)點(diǎn)平均擁有500張對應(yīng)物體的可供訓(xùn)練的圖像。

對于特征明顯的物體，該模型識別有很高的準(zhǔn)確率;當(dāng)特征不夠明顯時，準(zhǔn)確率便會有一定的下降。由于害蟲在ImageNet中只是一個很小的節(jié)點(diǎn)，而害蟲又種類繁多，許多害蟲外形相似，致識別率不如一般圖片識別率高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的害蟲種類較少，因此可以采取“害蟲歸類”的方法來提高準(zhǔn)確率。將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的害蟲通過模型進(jìn)行識別、測試和總結(jié)，將與其相似的那些害蟲歸結(jié)到這種害蟲，可以較大地提高準(zhǔn)確率。

2.3 智能問答

將用戶提出的問題文本，經(jīng)過分詞及關(guān)鍵字提取算法，獲取智能計算機(jī)所能理解的范圍內(nèi)的詞組。該算法基于TF-IDF[4]和TextRank[5]提取算法，具有較強(qiáng)的適用性和準(zhǔn)確性。根據(jù)個性化的分詞表和停詞表，針對農(nóng)業(yè)、天氣等知識進(jìn)行更準(zhǔn)確的優(yōu)化。

2.4 農(nóng)田面積算法

本系統(tǒng)使用手動添加標(biāo)注點(diǎn)，計算面積，其主要利用凸包算法[6]構(gòu)造區(qū)片多邊形外圍輪廓，然后把各條邊通過經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換后的比例，尺寸距離進(jìn)行面積計算，其主要原理如下：

⑴ 構(gòu)造多邊形

采用Graham's scan思想，假設(shè)由最底的一點(diǎn)P開始（如果有多個這樣的點(diǎn)，那么選擇最左邊的），計算它跟其他各點(diǎn)的連線和x軸正向的角度，按小至大將這些點(diǎn)排序，稱它們的對應(yīng)點(diǎn)為A，B，C，D……。

考慮最小的角度對應(yīng)的點(diǎn)C。若由B到C的路徑相對C到D的路徑是向右轉(zhuǎn)的（可以想象一個人沿B走到C，他站在C時，是向哪邊改變方向），表示C不可能是凸包上的一點(diǎn)，考慮下一點(diǎn)由B到D的路徑;否則就考慮B到C的路徑是否向右轉(zhuǎn)……直到回到P。

⑵ 經(jīng)緯度計算面積

利用公開接口，基于Baidu Map API 1.2將多邊形各邊的端點(diǎn)經(jīng)緯度傳入，獲得多邊形的平方米面積，并運(yùn)用轉(zhuǎn)換公式，換算為多少畝。示意圖如圖3。

3 智能系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 地圖模塊

地圖模塊調(diào)用了百度地圖API，使用前端技術(shù)將地圖簡潔、美觀的展示出來。也是系統(tǒng)重要的展示平臺，android端能通過地圖模塊進(jìn)行常規(guī)的定位、導(dǎo)航，Web端通過地圖模塊展示信息。在地圖模塊主要有以下幾個方面，查看基本信息：查看基本信息是指按名定位、顯示加油點(diǎn)、維修點(diǎn)、天氣、服務(wù)中心點(diǎn)的功能;查看角色信息：角色是指農(nóng)民、農(nóng)田、農(nóng)機(jī)、分區(qū);查看角色信息即顯示上述定義的角色的可見的信息;查看任務(wù)信息：任務(wù)的提醒、正在作業(yè)的任務(wù)點(diǎn)，都要在地圖上顯示。

3.2 任務(wù)模塊

任務(wù)模塊是本系統(tǒng)的中心，也是智能化的體現(xiàn)，整合平臺的資源，優(yōu)化決策，智能調(diào)度。任務(wù)模塊主要解決任務(wù)的優(yōu)化建議問題，以及最基本的人工發(fā)布功能、提醒功能。任務(wù)提醒：每天系統(tǒng)第一次被登陸后，彈出會話框提醒工作人員應(yīng)該對今、明天的任務(wù)作出決策。任務(wù)建議：系統(tǒng)通過計算，生成一張優(yōu)化后的任務(wù)清單（具體到人、事、時間、目標(biāo)、工作流程……）。發(fā)布任務(wù)的兩種模式：工作人員直接填寫任務(wù)發(fā)布清單，點(diǎn)擊提交，相應(yīng)機(jī)手將收到任務(wù)提醒;經(jīng)過調(diào)整后的任務(wù)建議，點(diǎn)擊提交即可完成任務(wù)的發(fā)布。查看任務(wù)：對于當(dāng)前正在執(zhí)行、排隊中的任務(wù)和規(guī)劃的任務(wù)列表進(jìn)行查看。調(diào)整任務(wù)：對來自優(yōu)化建議的任務(wù)進(jìn)行調(diào)整，以及對算法過程中的影響因子參數(shù)的手動調(diào)整。

3.3 天氣模塊

天氣模塊會顯示當(dāng)前地區(qū)的天氣。使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲[7]進(jìn)行定時爬蟲，從氣象新聞網(wǎng)抓取天氣數(shù)據(jù)，再將天氣信息展示到平臺上，定時更新。設(shè)置一個監(jiān)聽任務(wù)，每天7：30定時在網(wǎng)頁上爬取當(dāng)月天氣的json數(shù)據(jù)，寫入文件中。每天爬取一次數(shù)據(jù)寫入json文件，覆蓋原來的json文件。

3.4 信息管理模塊

信息管理模塊是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，涉及到農(nóng)田、農(nóng)民、農(nóng)機(jī)、分區(qū)、文庫、服務(wù)中心、任務(wù)信息及其它信息的增刪查改。在此模塊中，使用JavaBean傳輸數(shù)據(jù)，用Service進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。

3.5 知識庫模塊

3.6 咨詢模塊

專家咨詢是為農(nóng)戶解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的問題而產(chǎn)生的，農(nóng)戶只需將遇見的問題通過文字方式描述，提交至服務(wù)器，服務(wù)器傳送到Web端，最后將專家建議返回至用戶界面上。

本系統(tǒng)提供人工回答和智能回答兩種方式。人工回答由web端的工作人員對農(nóng)戶提交的問題直接進(jìn)行回答;智能回答[8]是通過計算機(jī)自動分析問題、提取關(guān)鍵字并檢索知識庫進(jìn)行回答，其使用基于TF-IDF和TextRank提取算法對用戶的問題文本進(jìn)行分詞及關(guān)鍵字提取。

3.7 蟲害模塊

蟲害識別是本系統(tǒng)的特色和難點(diǎn)，其分為自動識別和人工識別兩種方式。自動識別是通過Inception-v3進(jìn)行識別，人工識別由Web端的工作人員做出識別。用戶在蟲害識別界面上傳蟲害的圖片，也可附加描述性的文字，成功識別后，用戶便可獲得識別的結(jié)果、貼近的問答、專家咨詢結(jié)果、相關(guān)文獻(xiàn)。

3.8 數(shù)據(jù)庫設(shè)計模塊

本系統(tǒng)對用戶的身份證號、聯(lián)系電話等私人信息做了相關(guān)數(shù)據(jù)存儲，需保障數(shù)據(jù)信息的安全。而為了讓用戶能有良好的體驗，要求快速反應(yīng)，故對數(shù)據(jù)庫也要求快速、高效的操作，同時， MySql數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型簡單，關(guān)系與實(shí)體都是二維表表示，安全性高，因而系統(tǒng)使用MySql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。在對其的設(shè)計上，遵循原始單據(jù)與實(shí)體一對多的映射關(guān)系，滿足第三范式。針對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理，設(shè)計了農(nóng)戶表、信息員表、農(nóng)田表、農(nóng)機(jī)表、申請作業(yè)表、需求表、任務(wù)表。

農(nóng)戶表包含的字段：編號、姓名、登錄名、密碼、地址、身份證號、聯(lián)系電話、頭像。信息員表包含字段：編號、姓名、登錄名、密碼、地址、身份證號、聯(lián)系電話、頭像。農(nóng)田表包括字段：編號、經(jīng)度、緯度、面積、農(nóng)民編號、農(nóng)作物、實(shí)景照片。農(nóng)機(jī)表包含字段：編號、農(nóng)機(jī)主編號、品牌、機(jī)種、型號、報廢期限、實(shí)景照片。申請作業(yè)表包含字段：農(nóng)機(jī)主編號、申請?zhí)?。需求表包含字段：需求號、農(nóng)戶編號、農(nóng)田編號。任務(wù)表包含字段：農(nóng)機(jī)主編號、任務(wù)號、農(nóng)民編號、任務(wù)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

基于移動互聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)綜合管理平臺，針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)的一些滯后問題，提出的一系列解決方案及服務(wù)手段，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有很好的幫助。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)允許的時延，對農(nóng)田分區(qū)劃片進(jìn)行分批耕作，通過算法智能計算產(chǎn)生全年計劃以及每天的作業(yè)任務(wù)，智能分派到作業(yè)人員的客戶端中，并利用服務(wù)中心專家的經(jīng)驗進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程指導(dǎo)。

本系統(tǒng)已經(jīng)完成，但仍然有許多可以拓展的空間，如增強(qiáng)文庫的豐富性、提高蟲害識別的準(zhǔn)確度等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，使農(nóng)務(wù)人員在經(jīng)營農(nóng)作物方面更簡便、更高效。這種將科技與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的結(jié)合方式將是未來的趨勢。

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