智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方法研究

摘要：智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展對于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出了更高的要求，在此情況下，傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進技術(shù)手段逐漸得以運用。基于此，本文針對智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方法展開深入研究，從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、特點等角度入手，明確了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)，并進一步分析了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計要點內(nèi)容，包括系統(tǒng)需求、架構(gòu)、硬件配置、軟件開發(fā)等多個方面，提出了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計實施步驟，同時結(jié)合行業(yè)和技術(shù)發(fā)展情況，總結(jié)了當前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢、應(yīng)用領(lǐng)域以及所面臨的挑戰(zhàn)，以期為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)以及技術(shù)發(fā)展提供有益參考。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

引言

隨著科技的不斷進步和全球化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式已難以滿足日益增長的食品需求和對生態(tài)環(huán)境保護的嚴格要求。在此情況下，智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運而生，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、資源利用率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)的核心支撐之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實時監(jiān)控和精準控制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供強大的技術(shù)支持。因此，加強對于智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方法的研究和探討很有必要。

1. 智慧農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常由傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)處理三個基本部分組成。傳感器負責(zé)采集各種環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照、土壤濕度等；網(wǎng)絡(luò)傳輸負責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心則負責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)測和控制[1]。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特點

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有四個特點：第一，實時性。通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)，可以實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的變化，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供及時的信息支持。第二，智能化。通過數(shù)據(jù)處理中心的分析、處理，可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)測和控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化和智能化水平。第三，精準化。通過精確采集環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的精準控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和品質(zhì)。第四，可持續(xù)性?？梢酝ㄟ^對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)測和控制，減少資源浪費和環(huán)境污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。其中傳感器是關(guān)鍵部分，能夠精確采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各種參數(shù)和數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照、土壤濕度等，因此，傳感器技術(shù)對于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建和設(shè)計十分重要，也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)當中的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是另一個核心技術(shù)，負責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。目前，無線通信技術(shù)如ZigBee、Wi-Fi、LoRa等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)處理技術(shù)負責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能監(jiān)測和控制。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也在不斷進步，為智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更加廣闊的空間[2]。

2. 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計要點內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)需求分析

在設(shè)計智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)前，首先要進行系統(tǒng)的需求分析。這一步驟涉及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、作物需求、農(nóng)民收入預(yù)期、市場需求等多個方面的深入調(diào)查和研究。通過收集和分析這些數(shù)據(jù)，可以確定系統(tǒng)的核心功能和關(guān)鍵指標，為后續(xù)的設(shè)計和開發(fā)提供明確的方向。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景和需求進行設(shè)計和實現(xiàn)。系統(tǒng)功能包括農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、作物生長監(jiān)測、病蟲害預(yù)警、農(nóng)機設(shè)備調(diào)度等方面。農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測可以實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境中的溫度、濕度、光照、土壤肥力等參數(shù)；作物生長監(jiān)測可以實時監(jiān)測作物的生長狀況，提供生長曲線和趨勢分析；病蟲害預(yù)警可以通過對作物生長數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測病蟲害的發(fā)生概率和趨勢，為農(nóng)民提供及時的預(yù)警和防治建議；農(nóng)機設(shè)備調(diào)度可以通過對農(nóng)機設(shè)備的實時監(jiān)控和調(diào)度，提高農(nóng)機設(shè)備的利用率和作業(yè)效率。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

確定系統(tǒng)需求后，接下來是進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。這一步驟涉及確定系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)傳輸方式等。合理的系統(tǒng)架構(gòu)可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，為后續(xù)的硬件選型和軟件開發(fā)提供堅實的基礎(chǔ)。智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層[3]。

（1）感知層。感知層是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心部分，主要由各類傳感器和采集設(shè)備組成。傳感器負責(zé)采集農(nóng)田環(huán)境中的溫度、濕度、光照、土壤肥力等參數(shù)，以及作物的生長狀況、病蟲害等信息。這些傳感器可以通過有線或無線方式與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備相連，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏攲印?/p>

（2）傳輸層。傳輸層是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，負責(zé)將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層進行處理和分析。傳輸層可以利用互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等多種方式進行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性。同時，傳輸層還需要考慮數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護，防止數(shù)據(jù)泄露和濫用。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能化決策和管理中心，負責(zé)對感知層采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策支持和管理服務(wù)。應(yīng)用層可以利用云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理和分析，實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、作物生長監(jiān)測、病蟲害預(yù)警、農(nóng)機設(shè)備調(diào)度等功能。同時，應(yīng)用層還可以與智能農(nóng)業(yè)裝備進行聯(lián)動，實現(xiàn)自動化控制和智能化管理。

2.4 硬件選型與配置

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的需求，需要選擇合適的硬件設(shè)備并進行配置，包括傳感器、控制器、通信模塊等。傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物的需求和環(huán)境條件來確定，傳感器設(shè)計需要考慮測量精度、穩(wěn)定性、耐用性等因素，以確保準確獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)?？刂破鞯倪x擇需要考慮其處理能力和穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)的正常運行。通信模塊的選擇需要考慮傳輸距離、傳輸速率、穩(wěn)定性等因素。

2.5 軟件開發(fā)與集成

在硬件選型與配置完成后，需進行軟件開發(fā)與集成，主要涉及編寫系統(tǒng)控制程序、數(shù)據(jù)處理算法、用戶界面等。軟件開發(fā)應(yīng)遵循模塊化、可維護性和可擴展性的原則，以便于后續(xù)的系統(tǒng)升級和維護。同時，軟件開發(fā)過程中還需要進行嚴格的測試和驗證，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心之一是數(shù)據(jù)處理與分析。通過對收集到的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以獲取有關(guān)農(nóng)作物生長狀況、土壤環(huán)境、氣象條件等方面的有用信息。這些數(shù)據(jù)可以用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策、優(yōu)化資源配置、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要考慮到數(shù)據(jù)處理和分析的需求，選擇適合的數(shù)據(jù)處理算法和工具，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析模型。

2.7 用戶界面設(shè)計

用戶界面是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與用戶之間的交互界面，對于用戶體驗和系統(tǒng)易用性至關(guān)重要。在用戶界面設(shè)計過程中，需要考慮用戶的需求和習(xí)慣，設(shè)計簡潔明了、易于操作的界面[4]。同時，界面還應(yīng)提供實時數(shù)據(jù)展示、報警提示、數(shù)據(jù)分析報告等功能，以滿足用戶對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理需求。

3. 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計實施步驟

3.1 系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段

在實施智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)前，首先要進行系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計。這一階段的主要任務(wù)是明確系統(tǒng)的目標、功能、應(yīng)用場景以及所需的技術(shù)支持。在規(guī)劃階段，還需要充分考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況，包括地理環(huán)境、氣候條件、作物類型等因素，以確保系統(tǒng)的實用性和可行性。在設(shè)計階段，需要制定詳細的技術(shù)方案，包括硬件設(shè)備的選型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計、數(shù)據(jù)中心的建立等。此外，還需要制定系統(tǒng)的安全策略，確保數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。這一階段的工作需要充分調(diào)研和論證，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)與測試階段

在完成系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計后，接下來進入系統(tǒng)的開發(fā)與測試階段。這一階段的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)計方案，編寫系統(tǒng)代碼、搭建開發(fā)環(huán)境，并進行集成測試和系統(tǒng)測試。在開發(fā)過程中，需要關(guān)注代碼的可讀性、可維護性和可擴展性，以便后期對系統(tǒng)進行維護和升級。同時，還需要對系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化，確保系統(tǒng)在高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量的情況下能夠穩(wěn)定運行。在測試階段，需要對系統(tǒng)的各項功能進行全面測試，包括功能測試、性能測試、安全測試等。通過測試，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題和缺陷，并及時進行修復(fù)和改進[5]。

3.3 系統(tǒng)部署與運行階段

經(jīng)過開發(fā)與測試后，系統(tǒng)就可以進入部署與運行階段。在這一階段，需要將系統(tǒng)部署到實際的生產(chǎn)環(huán)境中，并進行長期的運行和維護。在部署過程中，需要關(guān)注硬件設(shè)備的安裝、網(wǎng)絡(luò)連接的配置、軟件系統(tǒng)的安裝與配置等問題。同時，還需要制定詳細的運行維護計劃，包括定期巡檢、數(shù)據(jù)備份、故障處理等。在運行階段，需要對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題。同時，還需要根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求，對系統(tǒng)進行持續(xù)優(yōu)化和改進，以提高系統(tǒng)的性能和效益。

3.4 系統(tǒng)維護與升級階段

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個長期運行的過程，需要持續(xù)進行維護和升級。在系統(tǒng)運行過程中，可能會遇到各種問題和挑戰(zhàn)，如設(shè)備老化、技術(shù)更新等。因此，需要對系統(tǒng)進行定期的維護和保養(yǎng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也需要不斷升級和改進。通過升級系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)備、優(yōu)化算法模型等方式，可以提高系統(tǒng)的性能和效益，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更好的支持和服務(wù)[6]。

4. 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的不斷進步，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢也日益明顯。首先，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，使傳感器的種類和精度不斷提高，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更為精準的數(shù)據(jù)支持。例如，通過土壤溫濕度傳感器、氣象傳感器等設(shè)備，可以實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，為農(nóng)民提供科學(xué)的種植建議。其次，云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的處理和分析能力大幅提升。通過對海量數(shù)據(jù)的挖掘和分析，可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精準調(diào)控，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。最后，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將更加智能化。例如，通過機器學(xué)習(xí)算法，可以實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的自動調(diào)控，進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化程度。

4.2 應(yīng)用領(lǐng)域拓展

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的成效。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。首先，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將進一步應(yīng)用于精準種植、智能灌溉、智能施肥等方面，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時，隨著都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也將為城市居民提供更為安全、健康的農(nóng)產(chǎn)品。其次，在農(nóng)業(yè)管理領(lǐng)域，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)測和預(yù)警，幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)和處理農(nóng)田問題。同時，通過對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘和分析，可以為政府決策提供科學(xué)依據(jù)，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。最后，在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以為科研人員提供豐富的數(shù)據(jù)支持，推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新。例如，通過對農(nóng)田環(huán)境的長期監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，可以深入研究農(nóng)作物的生長規(guī)律和環(huán)境適應(yīng)性，為培育新品種提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 面臨的挑戰(zhàn)

盡管智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景，但在實際應(yīng)用過程中仍面臨著一些挑戰(zhàn)和問題。

首先，技術(shù)成本較高是制約智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)推廣的重要因素之一。目前，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器等硬件設(shè)備的成本仍然較高，對農(nóng)民來說是一筆不小的負擔(dān)。因此，如何降低技術(shù)成本，提高設(shè)備性價比，是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)亟待解決的問題。其次，數(shù)據(jù)安全和隱私保護也是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要關(guān)注的重要方面。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及大量個人和企業(yè)的隱私信息，如何確保數(shù)據(jù)安全、防止信息泄露成為亟待解決的問題。因此，加強數(shù)據(jù)安全管理和隱私保護機制的建設(shè)是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的必要條件。最后，人才短缺也是制約智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的重要因素之一。目前，具備物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的專業(yè)人才相對較少，難以滿足智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的需求。因此，加強人才培養(yǎng)和引進是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的重要保障[7]。

結(jié)語

本文研究了智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方法和實施步驟，系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。在實際展開系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)先進行需求分析，明確核心功能，包括農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、作物生長監(jiān)測、病蟲害預(yù)警和農(nóng)機設(shè)備調(diào)度等功能，再進行硬件選型與配置，最后進行軟件開發(fā)與集成、編寫系統(tǒng)控制程序、數(shù)據(jù)處理算法和用戶界面。系統(tǒng)設(shè)計需考慮需求、功能、性能、可靠性等多方面因素。隨著技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需不斷升級改進，以提高性能和效益，同時，為保障技術(shù)推廣應(yīng)用效果，應(yīng)積極降低技術(shù)成本。此外，通過加強數(shù)據(jù)安全管理和隱私保護，加大相關(guān)領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度等措施，能夠不斷推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計水平。

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作者簡介：張冬萌，碩士研究生，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品管理。