基于云計算的農業信息系統設計與實現

摘要 農業信息化是農業現代化的主要內容之一，我國的農業信息化起步較晚，在國家的大力支持下，雖已取得了較大的成就，但目前的農業信息系統與農民的實際需求還存在著一定的差距。根據農業生產的需要和農民的實際情況，基于物聯網技術實現基礎數據的采集，通過云計算技術實現分布式存儲處理和系統功能，農民通過安卓手機等智能終端訪問系統功能，數據的傳輸通過無線傳感器網絡、電信提供商網絡實現。系統數據采集完整準確，確保時效性；系統運行穩定，負載均衡；系統功能符合農民需求，易于使用。該系統已經在河南省農業高新科技園智能溫室控制中得到應用，后續將進一步向周邊農戶推廣。

關鍵詞 云計算；農業信息系統；物聯網

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10371-02

基金項目河南省職業教育教學改革研究項目（ZJC14001）。

作者簡介吳強（1979- ），男，陜西乾縣人，講師，碩士，從事農業專家系統和農業信息化研究。

我國是農業大國，農業現代化是農業發展的必然趨勢。農業信息化是農業現代化的主要內容之一，加強農業信息系統建設是推進農業信息化的基礎工作。農業信息系統是用現代數學工具、信息手段和計算機技術，輔助管理者實現管理功能的一種工具[1]。在農業信息化過程中，農民文化水平低、農業生產的地域分散、農業生產的基礎數據量大等是阻礙農業信息化的主要瓶頸[2]。為此，筆者基于云計算、互聯網、物聯網等技術，設計建設一個集農業信息服務、農業生產控制、專家系統為一體的農業信息系統。

1農業信息系統發展概況

國外的農業信息化發展較早，如美國、日本和德國等都將農業信息技術應用到了農業生產的各個環節[3]。我國農業信息化建設起步較晚，但在國家的大力支持下，已取得了很大的成就，建成了一批農業信息系統平臺[4]。但是，這些農業信息系統在推廣中卻遇到了很多問題，究其原因，主要有以下幾個方面：①農民普遍知識水平低，農業信息系統操作復雜，農民很難掌握使用方法；②需要電腦登陸，給農民造成了額外的經濟負擔；③農業信息系統的信息量大，與農民的實際農業生產結合不緊密[5]。

基于以上的問題，筆者在系統設計開發中充分考慮了農民和農業生產的實際，系統中農業數據的采集采用物聯網技術，實時采集[6]；數據的存儲和處理采用云計算技術，降低開發成本，提高數據穩定性和安全性，降低單個服務器的負載，提高系統運行的效率，便于后期的擴展[7-8]；由于安卓（Android）手機的普及率較高，成本也較低，系統的客戶端基于安卓手機平臺開發，農民可以通過智能手機登陸系統，降低了農民的使用成本，操作也簡單方便[9-10]。

2開發技術概述

2.1云計算中國云計算專家咨詢委員會副主任、秘書長劉鵬教授認為：“云計算是通過網絡提供可伸縮的廉價的分布式計算能力”[7]。通過云計算可以把農業信息系統中的農業數據和管理控制功能分散到多個位于互聯網上的服務器上，一方面降低了建設成本，另一方面提高了系統運行的穩定性和安全性[11]。

2.2物聯網物聯網其英文名稱是：“The Internet of things”，其實質是基于互聯網通過各種定位和感知設備實現物物相聯[12]。在該系統的開發中主要通過物聯網技術實現農業生產數據的采集和提交。

3農業信息系統設計

河南省農業高新科技園是河南農業職業學院的教學實習基地，占地面積37.6 hm2，2009年被國家農業部評為現代農業技術培訓基地。園區從西班牙引進3 hm2全自動智能溫室，用于設施農業的科研、教學和生產。該系統基于該智能溫室已有軟硬件設施，應用云計算、物聯網等技術開發農業信息系統，并最終推廣到普通農戶。

3.1農業信息系統需求分析該院位于中原經濟區的核心地帶——鄭州，中原經濟區的戰略定位為：國家重要的糧食生產和現代農業基地，全國工業化、城鎮化、信息化和農業現代化協調發展示范區，全國重要的經濟增長板塊，全國區域協調發展的戰略支點和重要的現代綜合交通樞紐，華夏歷史文明傳承創新區[13]。信息化和農業現代化是中原經濟區建設的核心內容之一[14]，該系統基于現有溫室開發農業信息系統，起到示范作用，并逐步推廣到周邊農戶，主要功能有以下4個方面。

（1）實時監測溫室狀態。系統通過溫度、濕度、土壤養分、光照強度等傳感器采集生產數據，通信設備負責將數據上傳到服務器，服務器對數據進行分析處理并以農戶需要的形式呈現給農戶，農戶就可以通過智能手機等設備查看最終的監測信息了。

（2）智能信息推送。系統的智能信息推送分為兩個部分，一般的作物管理、生產規程、農產品銷售等信息通過網站以每日提醒的方式呈現給農戶；對于檢測中出現的異常情況或者需要立即處理的事務，系統會通過電信運營商提供的短信功能進行及時的短信警告，以便農戶能夠及時進行處理，減少不必要的損失。

（3）自動控制。對自動化智能溫室還可啟動自動控制模式，由系統完成相關管理工作，如自動通風、打開或關閉遮光板、噴灑水分等。

（4）農事指導。通過專家系統和在線專家對農戶進行農事指導。

3.2農業信息系統架構設計根據系統的需求，確定了“以互聯網為信息傳輸基礎，基于物聯網技術進行農業數據采集、基于云計算進行數據存儲處理、農戶通過智能手機終端使用系統功能”的“物聯網傳感器+互聯網+云計算中心+客戶端”的系統架構[15]，具體如下。

（1）物聯網傳感器。主要由傳感器模塊和通信模塊組成。其中傳感器模塊由溫度、濕度、光照強度、空氣質量、土壤養分等傳感器組成，主要負責相關農業生產數據的采集；傳感器模塊采集到的數據通過通信模塊匯總后，借助電信運營商的網絡傳送到服務器端[16]。

（2）互聯網。數據到服務器的傳送主要通過無線傳感器網絡、ADSL等實現，客戶端的連接主要是基于GSM等無線網絡[17]。

（3）云計算中心。系統目前使用園區的服務器組建，完成系統所需的數據存儲、數據處理分析、農業控制、信息服務等功能[18]。

（4）客戶端。用戶可以通過智能手機等智能設備登陸到該系統使用相關功能[19]。

3.3農業信息系統客戶端設計農業信息系統客戶端主要的使用群體是農戶，為了減輕農戶的設備投資，系統選擇以安卓智能手機等設備作為客戶端平臺，采用B/S結構進行開發。安卓操作系統在智能手機市場的占有率已經超過了80%，同時它的開發環境的開放性也是選擇的主要原因[20]。采用B/S結構主要是為了減輕客戶端的配置更新壓力。安卓客戶端的開發系統選擇Android SDK+Eclipse進行設計。

客戶端在易用性的要求下，盡量減少文字輸入，更多采用觸摸選擇的方式，主要實現了實時監控、自動控制、農事指導、智能信息推送、系統設置等功能模塊[21]。

3.4農業信息系統云計算中心的搭建與設計為了減少硬件投資、提高系統的穩定性，系統的數據存儲和處理采用了云計算的方式。系統采用Hadoop平臺搭建云計算中心，實現分布式計算和分布式處理。Hadoop是一個分布式系統基礎架構，由Apache基金會開發，是一個能夠讓用戶輕松架構和使用的分布式計算平臺，它的開源性使用戶可以輕松地在Hadoop上開發和運行處理海量數據的應用程序。該研究在園區的多臺Linux服務器上搭建Hadoop分布式平臺，采用Java作為主要的開發語言。Hadoop平臺具有資源監控和資源調度的功能，該平臺會監控云中服務器的CPU、內存和硬盤資源的使用情況，并根據處理任務進行負載分配，提高資源利用率和系統性能[22-23]。

系統中數據的存儲采用MySQL數據庫服務器，服務頁面的設計主要通過PHP完成[24]。

4小結

該研究介紹的農業信息系統是在河南省農業高新科技園智能溫室的智能控制系統之上進行的升級改造，在農業數據的采集中主要采用了物聯網技術，數據的存儲和處理是在基于Hadoop平臺開發的云計算平臺上進行，客戶端采用了比較普及的安卓智能手機作為客戶端，整個系統的網絡連通采用了有線無線相結合的方式。系統目前僅在園區使用，下一步計劃向周邊農戶推廣應用。

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