無人機農(nóng)田服務信息管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

吳東慶 徐楚健 郭鵬飛 王前 侯超鈞

摘 要：無人機在農(nóng)業(yè)領域應用日益普及，但無人機供需信息服務水平還比較落后，為此設計了無人機農(nóng)田服務信息系統(tǒng)?；赟pring Boot框架開發(fā)實現(xiàn)了一個Web應用程序，包括登錄模塊、訂單模塊、消息模塊以及認證等功能模塊。經(jīng)測試，該系統(tǒng)具有較好的實用性。

關鍵詞：無人機信息管理;Web應用程序;分布式系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 191983 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0140-04

The Design and Implementation of UAV Farmland Service

Information Management System

WU Dong-qing1，2，XU Chu-jian1， GUO Peng-fei1，WANG Qian1，HOU Chao-jun1

（1.College of Computational Science， Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

Abstract： The application of UAV in agriculture is becoming more and more popular， but the supply and demand information service of UAV cannot meet the needs of farmers. This paper discusses the design and implementation of UAV farmland service information system. A Web application is developed in sequence based on Spring Boot framework. The system can be used by ordinary farmers and businesses， including login module， order module， message module and authentication module. After testing， the system has good practicability.

Key Words： UAV information management; Web Application; distributed system

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，基本農(nóng)田面積達18億畝[1]。但由于農(nóng)村勞動力老齡化和城市化，導致農(nóng)田勞動力緊缺，所以需要大量無人機來代替人力完成農(nóng)田中的植保工作[2]。但無人機成本高，專業(yè)性很強，如果農(nóng)戶自己購買、使用無人機，成本會大大提高。由無人機專業(yè)團隊提供集中式服務，則可以極大地平攤成本，提升無人機使用效率?，F(xiàn)有的無人機服務供給和需求信息大部分是通過熟人介紹，或者用社交軟件如微信、QQ等進行撮合，導致供需信息匹配效率不高，不利于實現(xiàn)資源的最優(yōu)配置。本研究一方面幫助農(nóng)戶實現(xiàn)服務需求發(fā)布，對優(yōu)質(zhì)無人機服務進行篩選、管理，在農(nóng)戶服務需求和飛手供應信息之間架設渠道;另一方面根據(jù)農(nóng)戶地理位置和服務需求等情況實現(xiàn)合理接單，讓飛手集約高效率地提供服務。

1 相關研究

早在1911年德國就提出使用飛機來噴灑農(nóng)藥進行森林害蟲防治的計劃。1949年美國農(nóng)藥噴灑技術有了更大提升，空中作業(yè)以霧噴為主。到了1987年，日本成功發(fā)明無人機，并將無人機投入到農(nóng)業(yè)植保領域，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勞動力，提高作業(yè)效率。美國成熟的霧噴技術加上日本無人機的創(chuàng)新發(fā)明，使得無人機在植保領域大有作為[3-4]。文獻[5]提出一種無人機探查技術，發(fā)明了兩個連續(xù)相位計算單個樹和樹行的三維幾何特征創(chuàng)新方法;文獻[6]研究提升無人機采集的麥田圖像拼接精度新方法。國外研究主要集中在無人機本身的研發(fā)環(huán)節(jié)，專門針對無人機共享使用的Web應用程序開發(fā)技術則比較罕見。

隨著無人機在我國農(nóng)業(yè)植保領域的興起，國家已將無人機納入農(nóng)機補貼政策以促進無人機在農(nóng)業(yè)植保領域的普及[7]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的普及，國內(nèi)一些廠商圍繞無人機共享技術開展了一些研究[8-14]，設計了一些平臺。這些平臺存在以下問題：①功能較為復雜，用戶體驗不佳，缺少地圖化展示，對于無人機的終端用戶農(nóng)民來說，學習使用起來較為困難;②這些平臺沒有基于最新的Web快速開發(fā)技術，如Spring Boot等，導致開發(fā)成本和維護成本較高。

在Web快速開發(fā)技術方面，Spring Boot是一個熱門框架，它秉承“約定優(yōu)于配置”的原則，大大簡化了Web開發(fā)過程，可以很方便地擴展為微服務應用[15]?；赟pring Boot的Web應用日益受到歡迎[16-18]。地圖化展示方面，傳統(tǒng)的GIS開發(fā)復雜，技術門檻和成本都很高，而基于百度地圖API可以快速開發(fā)地圖化展示功能，近年來成功案例很多[19-20]。

本文基于最新的Web快速開發(fā)技術構建一個實用的無人機農(nóng)田服務信息管理系統(tǒng)，有一定的應用價值。

2 需求分析

本系統(tǒng)面向農(nóng)戶、商戶兩種角色分析功能需求。

2.1 農(nóng)戶

農(nóng)戶即需要無人機農(nóng)田服務的對象，可以不用注冊就能瀏覽本系統(tǒng)中所有的無人機農(nóng)田服務方信息，但是必須注冊才可使用農(nóng)田服務預約等核心功能。農(nóng)戶角色涉及的功能包括農(nóng)田服務展示、訂單管理、購物車、注冊與登錄、服務評價與個人信息管理。

2.2 商戶

商戶即擁有無人機經(jīng)營許可的組織或公司。商戶旗下可以擁有具備無人機操作經(jīng)驗的飛手。商戶涉及的功能包括服務信息管理、訂單管理、飛手管理、注冊與登錄、經(jīng)營許可認證、個人信息管理。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 功能設計

各個子系統(tǒng)在相互協(xié)作的同時還需要保證業(yè)務流程的完整性，共同構成完整的無人機農(nóng)田服務信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流如圖1所示。

整個系統(tǒng)分為4個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應不同的功能模塊，如圖 2所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)庫實體一共有8個，分別是：①農(nóng)戶;②商戶;③機手;④訂單;⑤農(nóng)田服務;⑥購物車;⑦通知;⑧服務評價。另外還設計了兩個中間表記錄“訂單與機手”、“訂單與農(nóng)田服務”相關信息，實體之間ER關系如圖 3所示。

3.3 界面設計

3.3.1 農(nóng)戶界面

登錄成功后進入主頁，顯示近一個月“銷量較好”的無人機服務和商戶信息，點擊服務或商戶，就會進入服務的詳情頁面和農(nóng)田服務列表頁面，分頁顯示指定商戶旗下的所有農(nóng)田服務信息，本文顯示排名前4的服務信息，具體界面如圖 4所示。

在農(nóng)田服務列表頁面，系統(tǒng)會自動根據(jù)農(nóng)戶個人信息中填寫的地址進行定位，然后顯示該區(qū)域（省份+城市）下的農(nóng)田服務，默認是價格升序排序;然后按照直線距離遠近升序排序。農(nóng)田服務詳情頁面，顯示該服務的“銷量”、“平均評分”、“累計評論”以及相應的評論信息和所屬的商戶信息，具體如圖 5所示。

在農(nóng)戶購物車界面，顯示農(nóng)戶選中的農(nóng)田服務，可對服務的數(shù)量進行修改、移除和結(jié)算。根據(jù)購物車結(jié)算服務生成相應的創(chuàng)建訂單頁面。農(nóng)戶可自定義作業(yè)地址，否則默認是農(nóng)戶的地址;設置預約日期和填寫訂單備注信息。農(nóng)戶的訂單管理頁面，分頁顯示一定數(shù)量的訂單詳細信息，如訂單的基本信息、訂單關聯(lián)的農(nóng)田服務信息以及負責的機手信息。除此之外，農(nóng)戶可以更改“進行中”的訂單狀態(tài)。

3.3.2 商戶界面

商戶界面包括顯示商戶所有“進行中”狀態(tài)的訂單信息。地圖部分顯示所有訂單與商戶（個人信息中填寫的地址）的位置信息。訂單根據(jù)預約日期升序顯示，還顯示預約時間與現(xiàn)在時間差（倒計時）。除此之外，商戶還可將訂單導出為Excel文件，如圖6所示。

在訂單概況列表頁面，商戶可根據(jù)訂單狀態(tài)分頁顯示訂單主要信息，還可批量更改“未處理”狀態(tài)訂單信息。

在農(nóng)田服務列表頁面，商戶可根據(jù)農(nóng)田服務狀態(tài)（“上架”或者“下架”）分頁顯示，并且可批量更新農(nóng)田服務狀態(tài)，農(nóng)田服務信息則需要逐一修改。

在機手列表頁面，分頁顯示商戶關聯(lián)的機手信息，可對指定機手信息進行修改。

3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

集成開發(fā)環(huán)境采用Eclipse Luna，Java Develop Kit1.8，數(shù)據(jù)庫基于MySQL，應用服務器采用Apache Tomcat9.0，整個項目基于Maven構建和管理依賴關系。

系統(tǒng)實現(xiàn)包括用戶管理子系統(tǒng)、訂單子系統(tǒng)、消息子系統(tǒng)和認證子系統(tǒng)。訂單子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心業(yè)務，主要針對“訂單”“農(nóng)田服務”“機手”以及“服務評論”這4個實體來實現(xiàn)。下面介紹農(nóng)田服務查詢和購物車兩個核心功能。

（1）農(nóng)田服務查詢。兩種角色的農(nóng)田服務信息查詢方式會有所差異。對于農(nóng)戶而言，搜索農(nóng)田服務，根據(jù)農(nóng)戶選擇的區(qū)域（省份+城市）和價格排序方式分頁顯示，默認為農(nóng)戶個人信息填寫地址;如果沒有設置，則默認值為前端設置的默認值。該功能算法為：后臺將前端傳來的“區(qū)域”信息模糊匹配該區(qū)域所有商戶;然后向數(shù)據(jù)庫批量查詢這些商戶旗下的所有農(nóng)田服務信息，并且按照農(nóng)田服務價格進行排序（排序方式由農(nóng)戶定義）;再判斷農(nóng)戶是否還需要按照商戶位置與農(nóng)戶自身位置的距離依升序排序。如果是，就需要調(diào)用“Baidu地圖的距離位置計算”服務，批量計算這些農(nóng)田服務所屬的商戶位置與農(nóng)戶位置的距離信息，然后按照自定義排序方式對農(nóng)田服務進行排序。排序規(guī)則是在價格相等情況下，按照距離的遠近升序排序。如果不需要按照距離排序，那么就直接返回查詢數(shù)據(jù)即可。

對于商戶而言，農(nóng)田服務查詢只能查詢自身發(fā)布的農(nóng)田服務，可以根據(jù)農(nóng)田服務狀態(tài)分頁顯示。

農(nóng)戶和商戶兩種角色在訂單查詢時基本一致，但是由于訂單涉及的實體比較多，有“農(nóng)戶”、“商戶”、“農(nóng)田服務”以及“飛手”等。雖然在同一訂單情景下，農(nóng)戶與商戶是一對一的關系，但是“農(nóng)田服務”和“訂單”“飛手”與“訂單”是“多對一”關系，整體上它們是多對多關系，所以用兩張第三方表記錄“一個訂單關聯(lián)哪些農(nóng)田服務”和“一個訂單由多少飛手負責”等信息。

因此在查詢上關聯(lián)的表比較多，這樣增加了數(shù)據(jù)庫查詢的負擔和難度。對此在查詢某一訂單關聯(lián)的所有實體信息時，首先通過“訂單表”與“兩張第三方表”連接，獲取訂單關聯(lián)的實體主鍵信息以及訂單的主要信息;然后再將訂單關聯(lián)的實體主鍵信息重新組裝成主鍵集合，批量從Redis查詢這些實體信息;最后再將從Redis得到的實體詳細信息包裝到“訂單的展示Vo”中并返回。

為了提升查詢效率，這一訂單查詢工作分成幾段進行，分而治之。同時，在查詢訂單過程中可根據(jù)用戶設置的查詢條件進行，可以按照訂單的狀態(tài)或者訂單的預約時間升序排序，或者是按訂單創(chuàng)建時間進行排序并分頁顯示，該執(zhí)行過程如圖7所示。

（2）購物車?？紤]到農(nóng)戶對購物車的增刪查改操作會很頻繁，所以采用Redis存儲農(nóng)戶選中的農(nóng)田服務相關信息。采用Hash數(shù)據(jù)類型存儲，使用“ShoppingCartTable”作為HashKey，然后用農(nóng)戶的ID作為key，并用“購物車”實體的Json字符串對象作為value。該“購物車”實體的屬性在“數(shù)據(jù)庫設計”中有說明，記錄的就是“服務ID”“服務所屬的商戶ID”以及“服務的數(shù)量”等關鍵信息。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于Spring Boot和地圖開發(fā)技術，實現(xiàn)了農(nóng)戶尋找合適的“無人機農(nóng)田服務”目的，也為商戶對“農(nóng)戶需求訂單”的集中管理帶來便利。經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠很好地搜索農(nóng)戶的服務需求，以及對訂單進行管理，平衡農(nóng)戶服務需求與飛手供應的關系，提供基于地圖搜索與服務需求的匹配功能，實現(xiàn)集約、高效率的無人機農(nóng)田信息服務。但本研究還有一些不足之處：①沒有設計移動端/微信端應用，可能會影響推廣;②在商業(yè)智能方面可以結(jié)合客戶對商家的評價量化其服務水平，從而為消費者推薦更優(yōu)質(zhì)的商家。后續(xù)研究將以這兩點為重點方向。

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（責任編輯：杜能鋼）