基于Android手機(jī)系統(tǒng)APP蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)

錢曄 ，謝春暉，孫吉紅，王白娟 *，王靜

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)（昆明 650201）；2. 云南省有機(jī)茶產(chǎn)業(yè)智能工程研究中心（昆明 650201）；

3. 云南省科學(xué)技術(shù)院（昆明 650000）；4. 云南省高校智能有機(jī)茶園建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（昆明 650201）

伴隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，推動著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)管理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)的推出進(jìn)一步助推農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的跨越式發(fā)展，農(nóng)民不再是大眾眼中只會出“苦力”的勞動者。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)信息技術(shù)、農(nóng)業(yè)工人等現(xiàn)代化的詞語已覆蓋農(nóng)村，智能農(nóng)業(yè)將成為今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。

20世紀(jì)80年代，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)主要應(yīng)用于PC機(jī)PDA個人數(shù)字助理等應(yīng)用終端，對農(nóng)作物病蟲害智能系統(tǒng)進(jìn)行研究[1-7]。隨著農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展，劉晴蕊等[8]采用智能診斷方法識別蘋果病害。宋凱等[9]采用基于支持向量機(jī)識別技術(shù)對玉米葉部病害進(jìn)行智能識別。周珂[10]使用圖像識別方法對煙草青枯病害進(jìn)行智能診斷。近年來，智能手機(jī)作為已經(jīng)普及的通訊、娛樂、學(xué)習(xí)等多功能集一體的智能化工具，已經(jīng)深入城市、農(nóng)村的各個角落。國內(nèi)外研究人員利用手機(jī)方便攜帶的特點(diǎn)，開發(fā)各種手機(jī)APP程序，實(shí)現(xiàn)電腦程序向手機(jī)APP的成功轉(zhuǎn)移。

以云南省大理州劍川縣文板村科技服務(wù)為例，把蠶豆作為研究對象，構(gòu)建基于Android手機(jī)系統(tǒng)APP蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)，為農(nóng)戶提供簡單便捷防治蠶豆病蟲害的方法。

1 基于Android手機(jī)系統(tǒng)APP蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主要基于Android手機(jī)系統(tǒng)，在研究蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對無網(wǎng)環(huán)境下手機(jī)APP進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.1 Android手機(jī)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個系統(tǒng)是一個人機(jī)交互的過程，用戶界面主要是為用戶提供可視化界面，專家界面主要是修改規(guī)則、更新數(shù)據(jù)庫；開發(fā)人員在SQLite環(huán)境下，采用JAVA語言，使用SQLite數(shù)據(jù)，結(jié)合專家制定的規(guī)則開發(fā)基于Android手機(jī)系統(tǒng)的病蟲害智能診斷系統(tǒng)，形成一個小型的病蟲害診斷的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)在無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，基于手機(jī)APP的形式，便于用戶在農(nóng)田中使用；開發(fā)完成手機(jī)APP后，通過邀請種植戶進(jìn)行測試，確定該系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖1 智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下一步研究中將采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建智能模型對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)測試完成智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)，否則將重新制定規(guī)則，然后再構(gòu)建病蟲害智能診斷系統(tǒng)。

1.2 農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)知識表建立

針對蠶豆病蟲害危害植株的癥狀、時間段、防治藥物的類型，結(jié)合Android手機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用功能，總結(jié)蠶豆病蟲害的癥狀和防治的措施，形成蠶豆病蟲害知識表，助推推理機(jī)的構(gòu)建。Android手機(jī)農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)知識表如表1和表2所示。

表1 蠶豆蟲害推理機(jī)知識表

表2 蠶豆病害推理機(jī)知識表

表1 和表2分別為蠶豆病蟲害推理機(jī)知識表，詳細(xì)介紹了蠶豆常見病蟲害的名稱、癥狀和防治的措施，將推理機(jī)知識表應(yīng)用于系統(tǒng)推理過程中，為蠶豆病蟲害診斷提供科學(xué)的依據(jù)。

1.3 農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

Android手機(jī)APP農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)結(jié)合蠶豆病蟲害知識表，應(yīng)用推理機(jī)的推理方法，根據(jù)云南省大理州劍川縣文板村種植蠶豆村民的需求，結(jié)合農(nóng)業(yè)信息技術(shù)構(gòu)建設(shè)計(jì)一款簡單便于攜帶的手機(jī)APP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一部Android手機(jī)在斷網(wǎng)的環(huán)境中解決蠶豆種植過程中遇到的病蟲害問題，滿足農(nóng)戶種植蠶豆過程中的各項(xiàng)問題。整個手機(jī)APP系統(tǒng)采用推理機(jī)進(jìn)行推理，操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)。推理機(jī)推理過程如圖2所示。

圖2 推理機(jī)程序流程圖

首先，推理機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)提供用戶選擇，避免錯誤或者不規(guī)則數(shù)據(jù)輸入；引入SQLiteDatabase類[11]，通過SQLiteDatabase類的靜態(tài)方式創(chuàng)建基于Android系統(tǒng)的低存量、高運(yùn)行類數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增減、查詢以及修改功能[22]，使得數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下，由管理員進(jìn)行更改，便于數(shù)據(jù)的規(guī)范管理。以上的保障功能使得推理機(jī)能夠在程序中順利進(jìn)行推理，即用戶根據(jù)蠶豆病蟲害發(fā)生的實(shí)際情況選擇“病害”或者“蟲害”，如果選擇蟲害，根據(jù)蠶豆蟲害的特征選擇相應(yīng)的癥狀，然后根據(jù)APP中對應(yīng)的癥狀描述，將自動跳轉(zhuǎn)至治療方法的頁面，為用戶提供最佳的治療方法。整個操作過程簡便易學(xué)，適合各類不同的人群使用。

1.3.2 農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Android系統(tǒng)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)是以Android手機(jī)為使用平臺，針對文榜村種植戶的需求，對蠶豆病蟲害長期影響村民經(jīng)濟(jì)收入的情況，構(gòu)建蠶豆病蟲害知識表，采用JAVA語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，構(gòu)建斷網(wǎng)情況下蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)，為文榜村村民解決實(shí)際問題，助推科技扶貧工作。

圖3 基于Android手機(jī)系統(tǒng)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)功能模塊圖

根據(jù)系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)思維[12]，對蠶豆病蟲害診斷系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)架。設(shè)計(jì)包括蠶豆蟲害智能診斷模塊、蠶豆病害智能診斷模塊、管理員模塊。其中，蠶豆蟲害智能診斷模塊包括蠶豆蟲害癥狀模塊和蠶豆蟲害防治模塊。蠶豆病害智能診斷模塊包括蠶豆病害癥狀模塊和蠶豆病害防治模塊。管理員模塊包括修改知識模塊和信息管理模塊。前兩個模塊主要功能是用戶在種植蠶豆的過程中，根據(jù)蠶豆植株上病蟲害的特征，在手機(jī)APP上進(jìn)行選擇，系統(tǒng)將按照用戶選擇的病蟲害特征自動推理，得出對應(yīng)的防治措施供用戶參考。第三個模塊主要功能：一是管理員根據(jù)用戶使用情況和專家意見對知識表進(jìn)行修改，不斷完善數(shù)據(jù)庫信息，提高系統(tǒng)推理的正確率；二是管理員收集用戶使用該系統(tǒng)的建議數(shù)據(jù)，尤其是使用過程中出現(xiàn)錯誤的用戶所產(chǎn)生的信息，并采用智能算法對錯誤信息進(jìn)行分析，將分析結(jié)果用于完善系統(tǒng)。

2 基于Android手機(jī)系統(tǒng)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試

2.1 系統(tǒng)集成

基于Android系統(tǒng)，設(shè)計(jì)斷網(wǎng)環(huán)境下簡單易懂的人機(jī)交互界面，使用JAVA語言開發(fā)基于Android系統(tǒng)手機(jī)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)，結(jié)合簡單的操作方法，使得不同文化層次的人均能快速掌握，形成智能型的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)權(quán)限管理

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要以手機(jī)APP的形式呈現(xiàn)，分為用戶和管理員兩個權(quán)限。用戶能夠查詢蠶豆在種植過程中不同階段的病蟲害特征，并且根據(jù)選擇不同的特征可以直接查詢解決不同病蟲害的措施。管理員權(quán)限可以對數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改。

2.2.2 試驗(yàn)對象和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容

項(xiàng)目的實(shí)施以大理市劍川縣文榜村50名蠶豆種植農(nóng)民為例，試驗(yàn)對象涉及學(xué)歷包括高中、初中、小學(xué)畢業(yè)生，年齡從35歲至65歲人群，男女性各一半。根據(jù)確定手機(jī)APP開發(fā)的目的及可行性-需求分析-軟件設(shè)計(jì)-使用JAVA語言開發(fā)系統(tǒng)-軟件測試等一系列步驟，完成基于Android系統(tǒng)手機(jī)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)種植蠶豆的農(nóng)民在田間斷網(wǎng)環(huán)境下通過簡單操作實(shí)現(xiàn)蠶豆病蟲害防治的功效。

2.3 系統(tǒng)測試

基于Android手機(jī)系統(tǒng)的蠶豆病蟲害智能診斷系統(tǒng)開發(fā)完成后，以華為Mate 30、華為榮耀X10、OPPO K5作為測試手機(jī)，分別在云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大理市劍川縣文榜村種植蠶豆現(xiàn)場進(jìn)行測試。

系統(tǒng)在云南省高校農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。系統(tǒng)更新了蠶豆病蟲害推理機(jī)知識表，簡化了用戶界面，明確區(qū)分了各種病蟲害之間的特征，提高了用戶選擇的正確率，實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)的對策信息。推理機(jī)知識表在系統(tǒng)中的部分界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)知識表界面圖

在大理市劍川縣文榜村種植蠶豆現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)測試，主要以“蠶豆褐斑病”“蠶豆赤斑病”“二條葉甲”“南美斑潛蠅”4種常見的病蟲害為例，對該系統(tǒng)的實(shí)用性、準(zhǔn)確性進(jìn)行測試。整個測試過程，邀請50名不同年齡、學(xué)歷的種植人員進(jìn)行測試，病蟲害樣本4種，共計(jì)200人次使用該系統(tǒng)進(jìn)行測試，并且現(xiàn)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，正確測試出“蠶豆褐斑病”“蠶豆赤斑病”“二條葉甲”“南美斑潛蠅”4種常見的病蟲害的人次分別為42，45，47和41人次，測試準(zhǔn)確率分別為84%，90%，94%和82%。測試過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)部分界面圖

2.4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，4種常見的病蟲害分別有8，5，3和9例發(fā)生錯誤。通過與發(fā)生錯誤的測試人員進(jìn)行詳細(xì)溝通發(fā)現(xiàn)：8人次因?yàn)閺奈床僮鬟^手機(jī)APP，測試過程中緊張錯點(diǎn)了“按鈕”而測試錯誤；7人次將“南美斑潛蠅”蟲害中不規(guī)則蛇形白色蟲道誤認(rèn)為圓形小洞，致使判斷錯誤；10人次將“蠶豆赤斑病”特征赤色小點(diǎn)誤認(rèn)為“蠶豆褐斑病”特征褐色小斑點(diǎn)，從而誤判。

3 結(jié)語和展望

此次研究為大理市劍川縣文榜村村民提供了斷網(wǎng)環(huán)境下解決種植蠶豆中遇到的實(shí)際問題。并且，采用手機(jī)APP系統(tǒng)，將系統(tǒng)集成于Android手機(jī)中，方便種植戶的攜帶和使用。

只需要管理員更換病蟲害推理機(jī)知識表的相關(guān)內(nèi)容，該系統(tǒng)可以推廣至馬鈴薯、水稻等多種農(nóng)作物的種植中，應(yīng)用于全國貧困縣農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)中，為建檔立卡戶脫離貧困做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，為全國脫貧攻堅(jiān)貢獻(xiàn)一份科技成果。

下一步研究將智能算法與蠶豆病蟲害防治知識相結(jié)合，構(gòu)建基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的蠶豆病蟲害智能預(yù)測模型，并應(yīng)用于蠶豆的種植、管理過程中，進(jìn)一步深化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，推動科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。