山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)*

崔冬冬，王曉芳，李 晨，周 菲，李穎芳，亓雪龍，陶吉寒

（山東省果樹研究所，泰安 271000）

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段[1]，以信息和知識為核心，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，深入運用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息感知、定量決策、智能控制、遠(yuǎn)程管理和個性化服務(wù)的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2-15]。果業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，將現(xiàn)代信息化技術(shù)引入果業(yè)發(fā)展的各個環(huán)節(jié)，勢必能促進果業(yè)信息化的全面發(fā)展，也能推進現(xiàn)代果業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營能力和綜合實力的提升[16-17]。

我國果業(yè)信息化經(jīng)過多年建設(shè)，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)備、軟件開發(fā)、應(yīng)用水平等方面都有了較大發(fā)展，在漸進的建設(shè)過程中，各級果業(yè)部門建立了大量信息化應(yīng)用系統(tǒng)，但由于建設(shè)時缺乏統(tǒng)一的頂層設(shè)計、技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散、煙囪林立[18-19]。同時，我國智慧果業(yè)建設(shè)相比智慧農(nóng)業(yè)較為落后，還未有綜合性的涵蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的果業(yè)云服務(wù)平臺面向社會公眾開放。

本研究設(shè)計實現(xiàn)的山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺，將圍繞果樹種植的數(shù)字化、信息化管理，以及種植基地的可視化管理，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械的采購配套，建設(shè)體系化業(yè)務(wù)系統(tǒng)。為更好地服務(wù)于果樹生產(chǎn)經(jīng)營決策，促進果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)果業(yè)知識動態(tài)更新、數(shù)據(jù)共享應(yīng)用，提升科研部門服務(wù)效能等提供技術(shù)支撐。

1 平臺綜合設(shè)計

1.1 開發(fā)工具

山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺基于SOA 架構(gòu)，采用以XML技術(shù)與Web Services 技術(shù)為核心的組件化開發(fā)模式，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)模塊/組件的松藕合，系統(tǒng)通過組件化構(gòu)建，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高內(nèi)聚、低耦合的特點，增加了系統(tǒng)的高重用性、可適用性、可維護性等優(yōu)點，并有利于軟件工程化管理。軟件部署架構(gòu)上采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)模式。在充分實現(xiàn)平臺基本功能的基礎(chǔ)上，同時考慮平臺的可拓展性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

平臺采用數(shù)據(jù)、服務(wù)、業(yè)務(wù)和表現(xiàn)分離的多層設(shè)計理念，以安全可靠的數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)，以專業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊為支撐，實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)處理能力，同時融合當(dāng)前完備的安全、權(quán)限管理體系，保證平臺穩(wěn)定和安全可靠運行，充分考慮系統(tǒng)的兼容性和擴展性，能夠在各種終端設(shè)備上以多種形式展現(xiàn)。平臺主要分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、通訊層、設(shè)備層和應(yīng)用層6 個層次（圖1）。

圖1 山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)層

為實現(xiàn)果樹全產(chǎn)業(yè)鏈信息資源的整合、共享和統(tǒng)一管理，對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理并分類存儲，建立分類保存數(shù)據(jù)庫，并建設(shè)數(shù)據(jù)庫集群，避免了因重復(fù)建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的資源浪費。數(shù)據(jù)主要包括：基地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感采集數(shù)據(jù)、果樹知識庫、系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)等。

1.2.2 服務(wù)層

服務(wù)層主要包含數(shù)據(jù)管理、界面框架、消息機制、接口服務(wù)、統(tǒng)計分析模型、報表服務(wù)、用戶權(quán)限體系等。其中，以模塊化和契約組合方式提供的各種服務(wù)引擎和服務(wù)策略，提高了平臺的可擴展性、復(fù)用性和可適用性。

1.2.3 業(yè)務(wù)層

山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺掛接多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)、人工智能/深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)、微服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜合管理服務(wù)。

1.2.4 通訊層

通訊層采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，提供高效安全的數(shù)據(jù)傳輸通道。包括基于廣域無線網(wǎng)絡(luò)的GPRS/3G/4G，基于固定網(wǎng)絡(luò)接入的Internet 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，基于局域無線網(wǎng)絡(luò)的WiFi/藍(lán)牙通訊，以及基于有線的設(shè)備之間局域通訊的RS485/RS232 等數(shù)字化總線通訊。

1.2.5 設(shè)備層

平臺能夠接入多種類型的傳感器、控制器，可以使用無人機、農(nóng)機作為信息獲取、管理監(jiān)控的載體手段，能夠使用電腦、手機作為數(shù)據(jù)、信息交互的工具，還可以通過配套的檢測設(shè)備獲取所需的數(shù)據(jù)。同時，作為運行的基礎(chǔ)，相關(guān)的服務(wù)器、云服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由交換設(shè)備，也是項目中所配備的基礎(chǔ)性設(shè)備。

1.2.6 應(yīng)用層

平臺支持各種可視化呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、智能提示，提供了移動應(yīng)用APP、電腦端軟件、嵌入式應(yīng)用等多種形態(tài)的產(chǎn)品。按照實際的業(yè)務(wù)板塊，劃分為多個具體的子應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)項目所需的各項業(yè)務(wù)功能。

1.3 功能設(shè)計

山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺是針對整個山東省果業(yè)情況進行信息化管理和展示，基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)的果樹種植數(shù)字化管理，并為果樹產(chǎn)業(yè)提供知識服務(wù)等功能為一體的綜合性系統(tǒng)平臺。

按照統(tǒng)一規(guī)劃、頂層設(shè)計、分步實施的原則，山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺總體功能結(jié)構(gòu)（圖2）和智慧果園APP 功能結(jié)構(gòu)（圖3）如下所示。

圖2 山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺總體功能結(jié)構(gòu)

圖3 智慧果園APP 功能結(jié)構(gòu)

1.4 用戶角色介紹

山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺用戶角色主要分為3 種：系統(tǒng)管理員、工作人員、普通用戶。

系統(tǒng)管理員具有平臺中所有的權(quán)限，可以進入軟件的系統(tǒng)管理模塊，進行增加、修改、刪除、授權(quán)等操作，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)建設(shè)和運行穩(wěn)定。工作人員具有除了系統(tǒng)管理模塊之外的所有權(quán)限，登錄后可以進入平臺進行果樹種植相關(guān)的業(yè)務(wù)操作。普通用戶僅瀏覽平臺門戶網(wǎng)站首頁相關(guān)內(nèi)容。

2 平臺應(yīng)用

該服務(wù)平臺以門戶網(wǎng)站形式搭建總體框架（圖4），門戶網(wǎng)站欄目組成包括首頁、大數(shù)據(jù)中心、綜合服務(wù)、智慧果園、科技成果幾個部分。

圖4 山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺門戶網(wǎng)站

2.1 平臺首頁

平臺首頁展示平臺logo 及名稱、菜單導(dǎo)航、果業(yè)圖片、新聞動態(tài)、知識服務(wù)、快捷導(dǎo)航、技術(shù)支持等部分。

2.2 系統(tǒng)登錄

用戶如需訪問智慧果園下屬相關(guān)子業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要登錄，或者直接點擊網(wǎng)站首頁右上角，系統(tǒng)提供單獨登錄頁面，輸入用戶名和密碼，點擊立即登錄，即可正式進入系統(tǒng)，訪問系統(tǒng)各功能模塊。

2.3 果園遙感

該欄目主要是集成果園無人機航拍圖像數(shù)據(jù)，目前已實現(xiàn)了山東省果樹研究所金牛山基地?zé)o人機航拍圖像的可視化呈現(xiàn)和圖像查看。

2.4 產(chǎn)業(yè)一張圖

產(chǎn)業(yè)一張圖以綜合信息匯聚和可視化圖表的方式，集中展示果園基地的關(guān)鍵性信息，用來做基地和平臺整體化數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。目前已實現(xiàn)了山東省果樹研究所金牛山基地的呈現(xiàn)。

2.5 智能蟲情

智能蟲情是基于蟲情測報燈設(shè)備，結(jié)合智能蟲情識別算法，實現(xiàn)對果園蟲情發(fā)生情況的監(jiān)測、分析展示。包含蟲情分布、蟲情監(jiān)測、蟲情分析三大模塊。

2.6 果園氣象

果園氣象是基于氣象站設(shè)備，實現(xiàn)對果園各區(qū)域?qū)崟r氣象信息的展示及歷史氣象數(shù)據(jù)的存儲、展示、導(dǎo)出。

2.7 生長監(jiān)測

生長監(jiān)測是基于果實膨大傳感器和莖稈微動傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在系統(tǒng)實現(xiàn)對被監(jiān)測果實和莖稈的變化情況，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的圖表化展示，支持歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

2.8 農(nóng)機作業(yè)

農(nóng)機作業(yè)模塊是通過為農(nóng)機配裝物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)過程的行駛路線軌跡、作業(yè)時間等數(shù)據(jù)的收集和遠(yuǎn)程傳輸，以可視化的方式，呈現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)數(shù)據(jù)和信息，提供農(nóng)機的分類管理等。包含農(nóng)機運行、作業(yè)信息、歷史軌跡、數(shù)據(jù)分析、地理圍欄、農(nóng)機檔案六大功能模塊。

2.9 果園知識庫

果園知識庫是一套果樹病蟲害知識管理系統(tǒng)，包括病蟲害知識庫、知識庫管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理三大模塊。

2.10 資源基地

資源基地是基于GIS，實現(xiàn)基地、區(qū)域、種植樹種、品種的管理。包括基地管理、區(qū)域管理、樹種管理、品種管理四大模塊。

2.11 果品溯源

基于氣象站的氣象數(shù)據(jù)、果品信息、現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)等，可生成果品溯源檔案信息，提供溯源二維碼的生成、打印、下載，手機微信掃描二維碼，即可查看相應(yīng)果品的溯源信息。

2.12 水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)監(jiān)測是基于各類水質(zhì)監(jiān)測傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在系統(tǒng)實現(xiàn)對水源水質(zhì)的變化情況，包括實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析3 個模塊。

2.13 土壤監(jiān)測

土壤監(jiān)測，即土壤肥力管理系統(tǒng)，是基于果園內(nèi)土壤樣品采集、實驗室檢測、檢測結(jié)果錄入后進行分析呈現(xiàn)的系統(tǒng)，主要包括土壤肥力分布、土壤采集管理、檢測結(jié)果管理、養(yǎng)分類別管理4 個功能模塊。

2.14 監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測預(yù)警主要是通過監(jiān)測指標(biāo)設(shè)置，對環(huán)境監(jiān)測（如水質(zhì)、土壤）、病蟲害發(fā)生、天氣災(zāi)害發(fā)生進行預(yù)測預(yù)報。包括預(yù)警服務(wù)、監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測記錄3 個模塊。

2.15 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能主要實現(xiàn)用戶管理、角色管理、權(quán)限管理以及智慧果業(yè)云服務(wù)平臺網(wǎng)站的后臺管理功能。僅管理員賬號登錄后才顯示該功能菜單。

2.16 手機APP

手機APP 在智慧果業(yè)云服務(wù)平臺登錄頁面進行掃碼下載（僅支持安卓版手機），下載安裝完成后，點擊APP 圖標(biāo)，進入應(yīng)用（圖5）。

圖5 智慧果園APP 界面

3 小 結(jié)

智慧果業(yè)云服務(wù)平臺在山東省的應(yīng)用表明，該平臺整合果業(yè)生產(chǎn)資源和管理服務(wù)資源，為果業(yè)生產(chǎn)和科研服務(wù)，可以全面摸清山東省果業(yè)的資源底牌、市場底牌、技術(shù)支撐、科技支撐的實際情況，集成空間信息、資源信息和管理信息，涵蓋果樹區(qū)域生產(chǎn)、病蟲害防治、果園知識庫和溯源等全產(chǎn)業(yè)鏈過程，全面梳理和整合山東省果業(yè)的綜合信息資源，推進現(xiàn)代果業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化、數(shù)字化發(fā)展，具備良好的穩(wěn)定性和實用性，可在其他地區(qū)推廣應(yīng)用。其他類別的農(nóng)業(yè)資源管理還需在今后的應(yīng)用中進一步研究和擴展。

未來，在國家“十四五”規(guī)劃指引下，山東省智慧果業(yè)云服務(wù)平臺的整體框架將進一步完善擴展，將探索如何通過智慧云平臺的數(shù)據(jù)積累，建立全面且權(quán)威的專家知識庫，確保果業(yè)資源的有效管理和合理利用；利用高光譜技術(shù)、仿真技術(shù)等現(xiàn)代信息化手段實現(xiàn)果樹的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化管理技術(shù)集成，建立適合現(xiàn)代果業(yè)發(fā)展要求的數(shù)字資源體系，從而在果業(yè)管理、果業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護方面提供更廣泛、更深入、更有效的服務(wù)需求，切實解決果業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)難、銷售難、監(jiān)管難的問題，支撐山東省果業(yè)信息化的建設(shè)，推進山東省果業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。