基于物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵生境信息融合的贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策系統(tǒng)開發(fā)

姜釗，胡澤林

（贛南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000）

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期[1，2]，目前仍然以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式為主，自動(dòng)化、現(xiàn)代化水平較低，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3，4]。江西贛州市是我國(guó)最大的臍橙主產(chǎn)區(qū)，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式無法有效的防控病蟲害、自然災(zāi)害等，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]，因此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)，從臍橙生長(zhǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)到臍橙成熟后運(yùn)輸?shù)娇蛻舻氖种袑?shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)、生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)管理[6]；預(yù)測(cè)臍橙產(chǎn)量和價(jià)格變動(dòng)趨勢(shì)，為臍橙產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)[7]；專家在線解答農(nóng)戶種植問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和指導(dǎo)[8]。

1 生產(chǎn)決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)架構(gòu)，包括傳感層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層4 個(gè)層次，傳感層主要是為傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供接入接口，如攝像頭、GPS、RFID、傳感器和WSN 等；傳輸層主要是為服務(wù)層和傳感層提供通信媒介，根據(jù)不同的設(shè)備以及環(huán)境的需要，提供不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，包括節(jié)點(diǎn)、CDMA 模塊、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)和PC 端等；服務(wù)層主要是提供可復(fù)用的服務(wù)，比如服務(wù)器和系統(tǒng)終端等；應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)邏輯處理，如PC 端等（圖1）。為了確保實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和訪問便捷，該平臺(tái)采用無線網(wǎng)關(guān)和無線網(wǎng)絡(luò)2種形式進(jìn)行部署；采用應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、文件服務(wù)器和視頻服務(wù)器存儲(chǔ)信息與數(shù)據(jù)，設(shè)置對(duì)外接口，便于平臺(tái)與電子商務(wù)平臺(tái)、食品質(zhì)量安全溯源平臺(tái)、農(nóng)技指導(dǎo)平臺(tái)、控制大廳以及氣象服務(wù)平臺(tái)等對(duì)接。在對(duì)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要科學(xué)布局，而且還要確保平臺(tái)信息的安全，要設(shè)置必要的網(wǎng)關(guān)和防火墻等安全控制機(jī)制（圖2）。

圖1 贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of intelligent production decision support system of Gannan navel orange

圖2 系統(tǒng)物理架構(gòu)圖Fig.2 Physical architecture diagram of the system

1.2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與清洗 建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，校對(duì)并核驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)信息，合并交叉信息，糾正錯(cuò)誤信息，以保證數(shù)據(jù)的正確性、一致性和完整性，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集流程（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)采集過程圖Fig. 3 Data acquisition process diagram

1.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享 將清洗后的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式存儲(chǔ)，用于數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。每個(gè)管理系統(tǒng)只能對(duì)各自的基礎(chǔ)信息庫(kù)進(jìn)行增刪改查操作，調(diào)用其他并列關(guān)系的管理系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，只擁有查詢權(quán)限（圖4）。

圖4 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理體系圖Fig.4 Big data storage management system diagram

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與管理 對(duì)提取和集成得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、分類和歸納，整理出相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)主題域。通過分析數(shù)據(jù)，為贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策的管理提供不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)支持；根據(jù)實(shí)際需求，以表格、圖形等形式展示研究成果，提供下載或?qū)С龉δ堋?/p>

1.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

從表示層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、支撐軟件層、數(shù)據(jù)層和硬件層5 個(gè)層次劃分、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)（圖5）。

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.5 Overall architecture of the system

1.4 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中遵循先整體后局部的原則，對(duì)生產(chǎn)決策方面的總體業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，然后按照業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)唧w的功能進(jìn)行劃分，構(gòu)建生產(chǎn)決策系統(tǒng)的功能架構(gòu)（圖6）。

圖6 生產(chǎn)決策系統(tǒng)功能架構(gòu)圖Fig.6 Functional architecture diagram of production decision system

在生產(chǎn)決策系統(tǒng)中，通過對(duì)一些歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，科學(xué)合理地規(guī)劃和制定生產(chǎn)計(jì)劃。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，遵循先整體后局部的原則，對(duì)生產(chǎn)決策方面的總體業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，按照業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分功能，得到生產(chǎn)決策系統(tǒng)的功能模塊。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 E-R 圖設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，分析贛南臍橙智慧生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)所涉及的業(yè)務(wù)實(shí)體關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)體間的E-R圖（圖7），通過轉(zhuǎn)換的原則，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型和物理模型。

圖7 系統(tǒng)E-R 圖Fig.7 System E-R diagram

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 實(shí)現(xiàn)環(huán)境

依據(jù)科學(xué)性和合理性原則，以提高用戶的體驗(yàn)效果為目標(biāo)，在開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能的低于實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境，確保系統(tǒng)能夠在低配置的環(huán)境中運(yùn)行。

3.1.1 硬件環(huán)境 為了能夠?qū)崿F(xiàn)多客戶端的并發(fā)訪問，確保系統(tǒng)的訪問效率，系統(tǒng)使用的寬帶要滿足需要，必要時(shí)可以設(shè)置專線以確保網(wǎng)絡(luò)通信；應(yīng)用服務(wù)器的硬盤要求500G 以上，內(nèi)存要求4G 以上。

3.1.2 軟件環(huán)境 選用Java 開發(fā)語言，安裝Apache Tomcat 8.5.33 編程軟件支持Java 語言的編程；安裝JDK 組件支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問和鏈接；安裝Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；安裝服務(wù)器防病毒軟件系統(tǒng)，確定使用的服務(wù)器端系統(tǒng)具備安全性需求。

3.2 智慧系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 系統(tǒng)借助物理網(wǎng)感知層傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)臍橙環(huán)境的相關(guān)因素的采集，然后借助傳輸層技術(shù)把有關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，并形成實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，從而有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（圖8）。相關(guān)環(huán)境因素包括風(fēng)向風(fēng)速、雨量、大氣溫濕度、大氣壓值、輻射雨量累計(jì)和土壤溫濕度等。

圖8環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig.8 Real-time environmental monitoring

3.2.1.1 風(fēng)速。坐果期風(fēng)速過大會(huì)導(dǎo)致落果，從而影響產(chǎn)量。對(duì)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到閾值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒決策者采取有效措施以降低損失。

3.2.1.2 濕度。空氣濕度過高或過低均不利于柑橘生產(chǎn)，空氣濕度過高容易發(fā)生病蟲害；空氣濕度過低會(huì)影響開花和授粉，降低結(jié)果率，果實(shí)膨大期會(huì)影響果實(shí)膨大和產(chǎn)量，導(dǎo)致果皮粗糙、囊壁增厚、果汁變少，品質(zhì)下降（圖9）。因此實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣濕度，可以科學(xué)防范災(zāi)害發(fā)生，提高果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量。

圖9 環(huán)境參數(shù)變化折線圖Fig.9 Line chart of environmental parameter changes

3.2.1.3 降水量。陰雨連綿、高溫高濕是大多數(shù)柑橘病蟲害發(fā)生的有利條件，如柑橘立枯病，每年的4～6 月是產(chǎn)區(qū)的雨季，病蟲害發(fā)病率較高，地下水位高、土壤黏重、排水不良的苗圃病情會(huì)加重（圖10）。對(duì)降水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)采取排水措施，確保臍橙的生長(zhǎng)。

圖10 智能蟲害監(jiān)測(cè)Fig.10 Intelligent pest monitoring

3.2.2 生產(chǎn)決策系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)臍橙生產(chǎn)的有效管理，提升臍橙生產(chǎn)的決策支持，對(duì)臍橙生產(chǎn)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面管理，包括農(nóng)田片區(qū)管理、生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備管理、病蟲害防治管理、智能日歷與生產(chǎn)規(guī)劃管理、農(nóng)機(jī)手與種植大戶管理。

3.2.2.1 農(nóng)田片區(qū)管理。根據(jù)耕種作物類別，對(duì)土地級(jí)別進(jìn)行劃分（圖11），支持?jǐn)?shù)據(jù)添加、在線編輯、土地級(jí)別刪除等操作，還可以通過查詢條件進(jìn)行查找和信息處理，支持相關(guān)數(shù)據(jù)的分頁顯示和管理；為了能夠?qū)^(qū)片更好地表述，將數(shù)據(jù)以樹狀圖的形式呈現(xiàn)（圖12），可以直接查看土地級(jí)別、編輯數(shù)據(jù)等。

圖11 土地級(jí)別劃分Fig.11 Land classification

圖12 土地級(jí)別樹狀圖Fig. 12 Tree diagram of land level

3.2.2.2 生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備管理。臍橙生產(chǎn)過程中需要大量的機(jī)械設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)機(jī)械設(shè)備的型號(hào)、功能和數(shù)量可視化（圖13），方便決策者了解設(shè)備的使用情況。

圖13 機(jī)械設(shè)備管理Fig.13 Mechanical equipment management

3.2.2.3 病蟲害防治管理。系統(tǒng)對(duì)病蟲害的發(fā)生情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)一些常見的病害提供解決方案，用戶根據(jù)實(shí)際需求查找解決方案即可（圖14）。

圖14 智能蟲害檢查預(yù)防管理Fig. 14 Intelligent pest inspection and preventive management

3.2.2.4 智能日歷與生產(chǎn)規(guī)劃管理。智能日歷管理系統(tǒng)，可以將管理工作按照日期進(jìn)行管理，并且日常的工作事項(xiàng)可以通過頁面中右側(cè)拖拽圖標(biāo)的方式建立到日歷中可以自由添加事項(xiàng)，可以管理日歷事項(xiàng)等（圖15）。智能日歷呈現(xiàn)方式有多種形式，可以按照日、周、月呈現(xiàn)。通過在系統(tǒng)中建立生產(chǎn)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)智慧生產(chǎn)的有效計(jì)劃和生產(chǎn)支持?？梢跃唧w到每一項(xiàng)生產(chǎn)工作的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、工作效率規(guī)劃等（圖16）。

圖15 智能日歷Fig.15 Smart calendar

圖16 生產(chǎn)規(guī)劃Fig.16 Production planning

3.2.2.5 農(nóng)機(jī)手與種植大戶管理。為了確保關(guān)鍵時(shí)期內(nèi)能夠快速的完成澆灌或耕作，系統(tǒng)錄入農(nóng)機(jī)手（圖17）、種植大戶的基本信息（圖18），并且根據(jù)需求對(duì)農(nóng)機(jī)手進(jìn)行科學(xué)分配任務(wù)，為種植大戶及時(shí)推送天氣等信息。

圖17 農(nóng)機(jī)手信息Fig.17 Information of agricultural machine operators

圖18 種糧大戶信息Fig.18 Information of major grain growers

3.2.2.6 歷史任務(wù)管理。生產(chǎn)管理過程中，負(fù)責(zé)人可以查看任務(wù)情況以及完成情況（圖19），并且對(duì)歷史任務(wù)進(jìn)行查看與分析（圖20）。

圖19 歷史任務(wù)管理Fig.19 Historical task management

圖20 正在進(jìn)行的任務(wù)Fig.20 Task in progress

3.2.3 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng) 為提高解決生產(chǎn)效率問題，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)具有在線留言（圖21）、遠(yuǎn)程診斷功能（圖22），實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶與專家在線互動(dòng)、農(nóng)業(yè)技術(shù)下沉的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖21 在線留言Fig.21 Online message

圖22 專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷Fig.22 Remote diagnosis of expert system

系統(tǒng)中建立了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)農(nóng)戶生產(chǎn)問題的快速處理。通過在線留言實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)問題的遠(yuǎn)程診斷，實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶對(duì)專家資源的充分利用，達(dá)到農(nóng)業(yè)支持有效下沉的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

根據(jù)LoadRunner 性能自動(dòng)化測(cè)試要求，編寫了對(duì)應(yīng)的測(cè)試腳本（圖23），手動(dòng)場(chǎng)景創(chuàng)建（圖24）、對(duì)生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)的響應(yīng)速度進(jìn)行測(cè)試（圖25）。結(jié)果（圖26） 顯示，生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)的響應(yīng)速度較好，整體運(yùn)行平穩(wěn)。在當(dāng)前服務(wù)器配置環(huán)境下，50 并發(fā)用戶登錄平均響應(yīng)時(shí)間在0.034 S，信息查詢后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間是0.545 S，因此系統(tǒng)帶給用戶的體驗(yàn)非常好，遠(yuǎn)超預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)速度要求。生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)達(dá)到了在開發(fā)需求規(guī)格說明書中的有關(guān)規(guī)定，具備了如期交付用戶的質(zhì)量條件。

圖23 創(chuàng)建腳本圖Fig.23 Creating the script diagram

圖24 創(chuàng)建場(chǎng)景圖Fig.24 Creating the scene diagram

圖25 連接運(yùn)行圖Fig.25 Connecting train diagram

圖26 系統(tǒng)并發(fā)訪問響應(yīng)結(jié)果圖Fig.26 Result of system concurrent access response

4 展望

目前，智慧農(nóng)業(yè)的研究還處于初步階段，目前該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基本需求功能，隨著智慧農(nóng)業(yè)深入發(fā)展，今后需根據(jù)不同階段的需求對(duì)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，進(jìn)一步的提高平臺(tái)的性能，確保信息的安全。