基于智能手機的農業專家咨詢系統設計

摘要：針對現有農業專家系統搭載平臺多為PC機，便攜性差、現場處理能力弱，無法充分利用現有網絡實現遠程服務，不利于在農業基層的普及等問題，提出了基于智能手機的農業專家咨詢系統的設計方法。系統將移動通信技術、智能手機技術和專家系統技術相結合應用于農業生產管理過程中，可以在農業生產現場進行作物生長狀態及病蟲害情況的判斷及推理。系統的結構采取模塊化方式處理，只需更換相應的知識及數據庫文件即可實現不同作物的分類處理，針對當前無法解決的問題，可以通過GSM網絡傳輸給后臺專家系統，并能及時接受反饋信息。結果表明，該系統可以促進農業專家決策系統的應用普及，加快知識向產業的轉化。

關鍵詞：智能手機；農業專家系統；現場處理；作物生產；病蟲害診斷

中圖分類號：TP181 文獻標識碼： A 文章編號：0439-8114（2013）15-3673-04

農業專家系統（Agricultural expert system）具有大量農業領域的知識和經驗，能夠像農業專家一樣對相關的農業問題進行推理和決策。它是人工智能技術在農業領域中的應用，是農業信息化技術的一個重要組成部分，也是目前農業信息化的研究熱點。目前，現有的農業專家系統大多存在著推理過于簡單、知識庫不能跟隨實際情況變化、現場處理能力較弱以及網絡無法充分利用等問題，并且系統一般以PC機為平臺，不利于專家系統的普及和推廣。

近年來，國內在便攜式農業專家系統研究方面做了一些探索并取得了一定的成果，國家農業信息化工程技術研究中心于2003年研究實現了便攜式數字化農業信息技術產品，名叫農務通，在國內率先研究開發了基于PDA的嵌入式操作系統 Windows CE 的農業專家數據庫信息查詢系統；劉小軍等[1，2]、邱小雷等[3]開發了基于 Pocket PC的小麥栽培管理系統；陳立平等[4]開發了基于掌上電腦的飼料配方系統；石禮娟等[5]開發了基于J2ME的病蟲害診斷專家系統。這些系統雖然具有農業生產管理及決策咨詢等功能，卻只針對某一作物或某一功能，難以實現農業專家系統的普適性和精確性，并且不支持通過網絡的遠程服務[6]。

智能手機是近年來發展迅速的移動式智能設備，具有價格便宜、體積小、易攜帶等特點[7]。目前，智能手機價格越來越低，使用越來越廣泛，硬件配置也越來越高，功能越來越接近PC機，使專家系統能夠很好地被使用，并且利用智能手機為農業專家系統搭載平臺，大大提高了其便攜性和普及性，可以將現場處理和通過網絡的遠程處理有機地結合，更有利于農業專家決策產品的推廣與應用[8]。

1 系統設計

1.1 結構設計

根據具體的研究目標和技術要求，系統采用比較流行的專家系統的一般結構，包括6個模塊：知識庫、推理機、數據庫、解釋器、知識獲取及人機接口[9，10]（圖1）。

1.2 功能設計

系統主要包括概述、推理、連接、瀏覽4部分，系統功能圖如圖2所示。概述包括常見病蟲害概述和植物學特征概述，為專家系統提供作物培育的一般常用知識，包括作物的生理概述、常見病蟲害概述、施肥管理、水分管理等數據；為農作物的生長提供一般性常識，從而有助于用戶加強對農作物的進一步了解，而且還能通過實時查詢資料來解決農戶的一般性問題，提高了利用效率。推理包括病害診斷和栽培流程設計，診斷時按照生理病害、苗期發病、全株發病、發病部位依次選擇；栽培流程由播前準備、育苗、定植、定植后管理、植株調整組成。瀏覽包括常見病害瀏覽和常見蟲害瀏覽。連接部分包括溫度、濕度、光照強度、二氧化碳含量、作物發病癥狀、生長階段等信息。所接收信息可導入后臺數據庫中。

1.3 工作流程

圖3為系統工作流程圖，系統通過加載規則對用戶進行詢問并反饋信息，將用戶的選擇、回答在知識庫與數據庫中通過推理機進行分析判斷，得出的結果返回給用戶。若當前系統無法解決現有問題，則通過GSM網絡以短消息方式傳送給專家咨詢中心，傳輸信息包括溫度、濕度、光照強度、CO2含量、作物發病癥狀、生長階段信息等數據；待專家解答后將解答結果通過GSM網絡返回給用戶，解答方案不但能解決當前問題，而且可直接導入數據庫和知識庫，增加數據庫及知識庫的完整性并將結果存儲到數據庫中，完善數據庫信息。

復雜問題可以采用遠程服務來解決。通過GSM網絡，利用PC端的后臺專家系統解決當前系統無法處理的問題。溫度、濕度、光照度、CO2含量、作物發病癥狀、生長階段信息等數據按照規定格式生成傳送文件，通過GSM網絡傳輸到專家咨詢中心，解答完畢后再通過GSM網絡以特定格式傳回當前系統。遠程服務結構圖見圖4。

2 系統的實現及應用

2.1 系統的實現

系統的開發環境為Microsoft VS.NET 2005，調試環境為Windows mobile 6.0模擬器，采用C#編程語言設計系統軟件，數據庫采用Microsoft SQL Server Mobile Edition。系統搭載平臺為智能手機，其操作系統為Windows Mobile 6.0及以上版本，系統部分界面如圖5所示。

2.2 系統的應用

系統設計完成之后，選取河北省徐水縣遂成鎮大龐村的保定七彩農業觀光園作為實驗基地進行應用試點。基地擁有日光溫室10個，單個參數為南北長7 m，東西長80 m，脊高3.5 m。該基地當時種植蔬菜為黃瓜，選取了黃瓜管理專家咨詢系統。

在栽培管理過程中，當黃瓜處于苗期管理階段時，根據具體癥狀準確診斷出了花葉病毒病；當黃瓜進入結果期，白天溫度保持在20～25 ℃，專家咨詢系統根據當前環境的具體參數及作物生長情況，給出通風預警結論；夜間前半夜14 ℃左右，后半夜10 ℃以上，專家咨詢系統分別給出相應的增溫預警結論。

試用結果表明，與常規按照經驗的栽培管理方式相比，該系統穩定可靠，操作簡便，成本低廉，實用性較強，易于被農戶接受。使用過程中針對具體情況，能夠大大增強作物栽培管理過程的科學性和精確性，有效提高作物產量和質量，實現了農民的增產增收。該系統有力地推動了農業信息化“最后一公里”的建設，加快了農業專家系統在農業生產實際應用中的普及和推廣，具有較大的推廣價值。

3 小結

基于智能手機的農業專家咨詢系統，采用模塊化設計方法，實現推理機與知識及數據庫的分離，不同作物種類只需更換相應的知識及數據庫文件即可。無需修改程序即可實現針對不同作物的具體處理。利用混合推理算法，研究在正向推理算法基礎上，增加了反向推理，綜合二者的優點采用了混合推理模式，由正向推理幫助選擇目標，由反向推理證實目標的推理方式或者是控制策略，提高了推理的精度和專家系統處理復雜情況的能力以及分析問題的準確性。

通過GSM網絡實現了專家系統的網絡化服務，提高了遠程服務能力和現場及時處理問題的能力；該系統搭載的平臺為智能手機，其便于攜帶和現場處理，有利于農業專家系統的普及和推廣。

參考文獻：

[1] 劉小軍，邱小雷，孫傳范，等. 基于知識模型和PDA的精確農作系統設計及應用[J].農業工程學報，2010，26（1）：210-215.

[2] 劉小軍，朱 艷，邱小雷，等. 便攜式精確農作系統的構建與應用[J].農業工程學報， 2009，25（增刊）：104-109.

[3] 邱小雷，劉小軍，朱 艷，等. 基于Pocket PC的小麥栽培管理知識模型系統的設計與實現[J]. 農業工程學報，2007，23（10）：182-185.

[4] 陳立平，姚光強，趙春江，等.基于掌上電腦的飼料配方系統的設計與開發[J]. 農業工程學報，2008，24（6）：179-183.

[5] 石禮娟，謝新港，景 秀.基于J2ME的病蟲害診斷專家系統[J].農機化研究，2008（8）：170-172.

[6] 胡建東，余泳昌，江 敏，等.PDA作物施肥通專家系統的技術研究[J].農業工程學報，2006，22（8）：149-152.

[7] 車雙艷，李民贊，鄭立華，等. 基于GPS和PDA的移動智能農田信息采集系統開發[J].農業工程學報，2010，26（2）：109-114.

[8] KORTUEM G， KAWSAR F， FITTON D， et al. Smart objects as building blocks for the internet of things[J]. IEEE Internet Computing，2010，14（1）：44-51.

[9] 馬玉祥，武 波.專家系統[M].成都：電子科技大學出版社，1994.

[10] 吳泉源，劉江寧.人工智能與專家系統[M].長沙：國防科技大學出版社，1995.