基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)的設(shè)計

葉 煜，李 敏，王 彪

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基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)的設(shè)計

葉 煜，李 敏，王 彪

（成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院 信息技術(shù)分院，四川 成都 611130）

隨著手機的極大普及，為促進農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的普及和應用，改善傳統(tǒng)的、基于Windows的專家系統(tǒng)的效率和使用效果，對手機應用于農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)進行了探討，設(shè)計了基于Android的手機茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)用戶通過手機可以查詢、診斷茶葉的病蟲害信息，獲得病蟲害防治方法，農(nóng)資信息，以及與專家溝通交流的渠道。以便為茶葉的生產(chǎn)種植提供了技術(shù)支持，為茶農(nóng)帶來方便。

Android；茶葉；病蟲害

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，病蟲害一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重要問題，病蟲害的及時有效防治是保證作物正常生長發(fā)育獲得高產(chǎn)的重要因素。建立依靠推理機和知識庫，如在某一領(lǐng)域有深入研究的專家一樣解決問題的專家系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供各種建議和指導，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以進行更為有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。目前我國農(nóng)業(yè)的許多領(lǐng)域如蔬菜、水果、畜牧、養(yǎng)殖等都已使用了專家系統(tǒng)[4-11]，并取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

茶葉是我國重要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物之一。要提高茶葉生產(chǎn)和種植的品質(zhì)，實現(xiàn)茶葉高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效，應該在茶葉種植過程中，及時做好茶葉病蟲害的診斷、防治工作。茶葉病蟲害的良好控制是提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要內(nèi)容之一。病蟲害控制的關(guān)鍵在于及時正確地診斷。由于我國產(chǎn)茶區(qū)地域遼闊，受各地環(huán)境和氣候等多種因素的影響，不同地區(qū)病蟲害發(fā)生的種類和范圍各不相同，據(jù)不完全統(tǒng)計，茶樹害蟲超過400種，茶樹病害100種以上，這些病蟲害對茶葉生產(chǎn)帶來很大威脅[12]。因此，病蟲害的診斷和防治工作尤為重要。但我國作為一個傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)信息化起步較晚，農(nóng)民科技文化素質(zhì)相對較低，加上大部分基層農(nóng)業(yè)技術(shù)人員難以詳盡地掌握數(shù)量眾多的茶葉病蟲害資料，不能對出現(xiàn)的問題進行準確及時的診斷和防治，對茶葉生產(chǎn)造成影響。因此，建立一套方便快捷、診斷準確及時、防治措施得力的專家系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中少走彎路、減少損失是非常必要的。

1 設(shè)計目標

目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，雖然開發(fā)了一批農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)多數(shù)基于Windows平臺，從目前的使用效果來看，成本高、對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的依賴性強、人機交互等方面較差。隨著智能手機的不斷普及，移動互聯(lián)網(wǎng)的快速成長，用戶規(guī)模不斷增大，開發(fā)基于Android的農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)應用終端更適于經(jīng)常工作在田間地頭的生產(chǎn)人員。

本系統(tǒng)針對茶葉種植，以高效管理和有效控制茶葉病蟲害為目標，將已經(jīng)掌握的茶葉病蟲害資料作為基礎(chǔ)，為廣大基層農(nóng)業(yè)技術(shù)人員和農(nóng)民服務，提高農(nóng)業(yè)管理人員、基層農(nóng)業(yè)技術(shù)人員以及廣大農(nóng)民對茶葉病蟲害的診斷和防治水平，減少農(nóng)藥使用量、減輕環(huán)境污染、提高茶葉品質(zhì)，加速推進茶葉生產(chǎn)管理的科學化、規(guī)范化和標準化進程。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分別采用基于B/S架構(gòu)的服務端和基于C/S的客戶端，MVC框架具體分為應用層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層。應用層負責與用戶交互，專家或管理員通過服務端對系統(tǒng)進行管理，茶農(nóng)通過APP獲取病蟲害的查詢診斷信息以及其他資訊；業(yè)務邏輯層負責處理網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)庫的交互；數(shù)據(jù)層主要是存儲病蟲害以及處置方式的信息以及相關(guān)資訊。

2.2 系統(tǒng)組成

茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)主要由知識庫、知識獲取、推理機、解釋器、人機接口等五部分組成。知識庫存儲以適當格式表示的相關(guān)專家積累的有關(guān)茶葉生產(chǎn)過程中病蟲害的專門知識、經(jīng)驗和常識。知識獲取的基本任務是為專家系統(tǒng)收集知識，建立起全面、有效、可靠的知識庫，它將茶葉生產(chǎn)管理專家的知識和經(jīng)驗格式化之后加入到知識庫中，并提供修改知識庫原有知識和增加新知識的相應手段。推理機用于控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，在一定的控制策略下，系統(tǒng)根據(jù)用戶與系統(tǒng)交互的信息及知識庫中的知識對問題的進行求解。解釋器用于解釋推理的結(jié)果。人機接口是系統(tǒng)與用戶進行交流的界面，通過該界面，用戶輸入基本信息、回答系統(tǒng)提出的相關(guān)問題，系統(tǒng)輸出推理結(jié)果及相關(guān)的解釋。

2.3 系統(tǒng)流程

茶農(nóng)在發(fā)現(xiàn)茶葉病蟲害之后，記錄下病蟲害的部位和特征，在平臺輸入或選擇病蟲害信息，系統(tǒng)根據(jù)病癥描述，提取病害特征與數(shù)據(jù)庫中病蟲害特征信息進行比對，并將匹配的結(jié)果以及從知識庫中提取到了治理方案反饋給客戶端。

2.4 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)的功能模塊分為病蟲害診斷功能、查詢功能、知識庫維護功能和其他輔助功能等。診斷功能主要根據(jù)病蟲害特征進行診斷，提供防治方法；查詢功能主要是按照病蟲害名稱查詢該病蟲害的證癥狀、圖片、防治方法等；知識庫維護功能主要用于對相關(guān)專家和技術(shù)人員對知識庫進行更新；輔助功能有農(nóng)資信息、專家列表等。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

2.4.1 系統(tǒng)診斷功能設(shè)計

系統(tǒng)的診斷功能原理，用戶在系統(tǒng)APP主界面中選擇病害或蟲害診斷功能后，將進入茶葉病蟲害診斷的分界面，用戶提交病蟲害相關(guān)信息后，系統(tǒng)將信息發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將推理的結(jié)果返回至客戶端，用戶再進行下一步操作，經(jīng)過幾輪推理之后，系統(tǒng)將產(chǎn)生診斷結(jié)果，此診斷結(jié)果以及相應的防治方法發(fā)送至客戶端后，用戶就可以在診斷結(jié)果中選擇病蟲害的防治方法進行操作。

2.4.2 系統(tǒng)查詢功能設(shè)計

系統(tǒng)查詢功能原理，用戶在系統(tǒng)APP主界面中選擇病害或蟲害查詢功能后，將進入茶葉病蟲害查詢的分界面，用戶提交病蟲害相關(guān)名稱后，系統(tǒng)將信息發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將查詢的病蟲害結(jié)果信息以及此病蟲害相應的防治方法返回至客戶端，用戶查詢結(jié)果中進行學習或選擇病蟲害的防治方法進行操作。

圖1 茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)功能模塊圖

2.4.3 系統(tǒng)輔助功能設(shè)計

系統(tǒng)輔助功能原理，用戶通過系統(tǒng)APP選擇輔助功能之后將進入子界面，用戶選擇農(nóng)資信息或?qū)＜伊斜碇?，系統(tǒng)將操作信息發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將相應信息返回至用戶。

2.4.4 知識表維護功能設(shè)計

系統(tǒng)知識維護功能原理，用戶在系統(tǒng)APP主界面中選擇知識表維護功能后，將進入知識表維護功能的分界面，知識表維護功能主要包括知識表編輯、存取、組織和知識維護等模塊，實現(xiàn)對知識表的存取、組織、修改和維護等功能。知識表中的內(nèi)容需要通過較長時間大量、全面的農(nóng)業(yè)知識收集，經(jīng)過農(nóng)業(yè)專家與計算機專家以事實測定其規(guī)則的正確性之后完成知識規(guī)則的建立。

3 知識庫

知識庫是專家系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)知識庫中，知識表示為事實、知識規(guī)則和結(jié)論。知識庫中存儲農(nóng)業(yè)專家的知識和經(jīng)驗之外，還要存儲必要的約束規(guī)則。當用戶提交信息進行決策時，相應信息也要進入知識庫參與推理。知識獲取把解決問題的專門知識轉(zhuǎn)化為計算機可以識別的代碼，知識的表示通過規(guī)則來實現(xiàn)。每一條規(guī)則都包含前提和結(jié)論以及閾值和可信度。閾值指定推理時某規(guī)則是否可以應用。在閾值給定的范圍內(nèi)，由前提推出結(jié)論，結(jié)論由可信度標明其邏輯蘊涵強度。各規(guī)則之間具有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或等關(guān)系，此外規(guī)則之間還具有互補和互斥關(guān)系。上述規(guī)則都是基于知識的，要進行推理還必須建立基于規(guī)則的規(guī)則，以確定規(guī)則之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)規(guī)則之間的計算。規(guī)則的提取和邏輯關(guān)系的確定由領(lǐng)域?qū)＜液椭R工程師共同完成，然后集成為規(guī)則庫[13]。

基于以上原因，本系統(tǒng)知識庫分為靜態(tài)知識庫、動態(tài)知識庫和知識規(guī)則庫，靜態(tài)知識庫中記錄領(lǐng)域?qū)＜业恼莆盏母鞣N品種的茶葉所發(fā)生過的病蟲害情況，以及該病蟲害對應的防治措施等，包括病蟲害名稱、別名、病蟲害圖像、寄主植物、分布區(qū)域、為害特征、發(fā)病規(guī)律、形態(tài)特征、生活習性以及防治措施等；動態(tài)知識庫保存推理的中間值和過程參數(shù)，并將最終的結(jié)果通過推理機發(fā)送到人機界面，動態(tài)知識庫針對用戶的具體查詢而建立，在運行中動態(tài)更新，有利于保證靜態(tài)知識庫的安全性、一致性和完整性。知識規(guī)則庫則存放各種推理、約束的規(guī)則，在人機接口輸入信息時，專家系統(tǒng)以該信息為起點進行推理，通過在一定規(guī)則下對大量數(shù)據(jù)進行篩選，從而發(fā)掘出最優(yōu)結(jié)果。

4 推理機

推理就是根據(jù)一定的規(guī)則和事實推出結(jié)論的過程。本系統(tǒng)以獲得病蟲害防治措施為目標，推理過程是在一定的控制策略下，使用知識庫中的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行匹配，最終獲得結(jié)論的過程，是基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)，其推理機制是演繹性推理。推理機的控制策略主要有正向推理、反向推理和混合推理。正向推理是從已知的事實出發(fā)向目標操作，反向推理則以假定目標向事實進行操作。正向推理和反向推理這兩種單一控制策略都有自身的局限性，正向推理目的性不強，需要經(jīng)?；厮?，效率較低；反向推理存在目標選擇盲目的問題，當結(jié)論較多時表現(xiàn)更為明顯。本系統(tǒng)主要采用混合推理策略，結(jié)合正向推理和反向推理各自的優(yōu)點，推理實踐中利用已知的事實選擇恰當?shù)哪繕诉M行反向推理，既克服了反向推理目標選擇的盲目性又避免了正向推理的無目的性。比如羅列茶葉病蟲害的特征給用戶進行選擇，當用戶選擇了病蟲害特征后，未被選擇的特征被篩除掉，減少推理判斷的空間，推理機再引導用戶對被選特征的病蟲害進行判斷和特征選擇，推理機需要具有對病蟲害特征和病蟲害結(jié)果進行雙向搜索的能力，因此推理機的設(shè)計為混合推理方式。

5 結(jié)語

茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)的目的是科學、快速、準確地為茶農(nóng)提供病蟲害信息和防治方法。本系統(tǒng)采用多種診斷方式，結(jié)合茶農(nóng)自身對病蟲害的認識，設(shè)計診斷系統(tǒng)的框架，操作更為方便簡單，有利于基層人員的使用，也可以有效提高病蟲害診斷的準確性，提升病蟲害防治效果。除了方便茶農(nóng)和基層技術(shù)人員快速、準確地獲得所需信息之外，還能使他們及時得到專家的指導，解決茶葉生產(chǎn)過程中技術(shù)難點，有效推廣農(nóng)業(yè)專家的知識和經(jīng)驗，提高茶葉生產(chǎn)水平，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

[1] 搜狐. 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)及專家系統(tǒng)平臺介紹[EB/OL]. http: //www.sohu.com/a/197868675_218008. 2017-10-13.

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Design of a Tea-Based Pest and Disease Query Diagnosis System Based on Android

YE Yu, LI Min, WANG Biao

(Chengdu agricultural college Department of Information technology, Sichuan Chengdu 611130)

With the great popularity of mobile phones, in order to promote the popularization and application of agricultural expert systems, improve the efficiency and use effect of traditional Windows-based expert systems, the application of mobile phones to agricultural expert systems was discussed, and Android-based mobile phones were designed. The tea pest and disease inquiry and diagnosis system users can query and diagnose the pest and disease information of tea through the mobile phone, obtain pest control methods, agricultural materials information, and channels for communication with experts. Provided technical support for the production and cultivation of tea, convenient to tea farmers.

Android; Tea; Pests and diseases

TP182

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.016

成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院院級科研項目(課題編號：cny17-20)

葉煜(1972-)，女，副教授，主要研究方向為計算機應用；李敏(1976-)，女，副教授，主要研究方向為計算機應用；王彪(1983-)，男，高級工程師，主要研究方向為計算機應用。

葉煜，李敏，王彪. 基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 軟件，2018，39（11）：68-71