基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統的設計

葉 煜，李 敏，王 彪

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基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統的設計

葉 煜，李 敏，王 彪

（成都農業科技職業學院 信息技術分院，四川 成都 611130）

隨著手機的極大普及，為促進農業專家系統的普及和應用，改善傳統的、基于Windows的專家系統的效率和使用效果，對手機應用于農業專家系統進行了探討，設計了基于Android的手機茶葉病蟲害查詢診斷系統用戶通過手機可以查詢、診斷茶葉的病蟲害信息，獲得病蟲害防治方法，農資信息，以及與專家溝通交流的渠道。以便為茶葉的生產種植提供了技術支持，為茶農帶來方便。

Android；茶葉；病蟲害

0 引言

在農業生產中，病蟲害一直是農業生產面臨的重要問題，病蟲害的及時有效防治是保證作物正常生長發育獲得高產的重要因素。建立依靠推理機和知識庫，如在某一領域有深入研究的專家一樣解決問題的專家系統，為農業生產者提供各種建議和指導，使農業生產者可以進行更為有效的農業生產[3]。目前我國農業的許多領域如蔬菜、水果、畜牧、養殖等都已使用了專家系統[4-11]，并取得了很好的經濟效益和社會效益。

茶葉是我國重要農業經濟作物之一。要提高茶葉生產和種植的品質，實現茶葉高產、優質、高效，應該在茶葉種植過程中，及時做好茶葉病蟲害的診斷、防治工作。茶葉病蟲害的良好控制是提高茶葉產量和品質的重要內容之一。病蟲害控制的關鍵在于及時正確地診斷。由于我國產茶區地域遼闊，受各地環境和氣候等多種因素的影響，不同地區病蟲害發生的種類和范圍各不相同，據不完全統計，茶樹害蟲超過400種，茶樹病害100種以上，這些病蟲害對茶葉生產帶來很大威脅[12]。因此，病蟲害的診斷和防治工作尤為重要。但我國作為一個傳統農業大國，農業信息化起步較晚，農民科技文化素質相對較低，加上大部分基層農業技術人員難以詳盡地掌握數量眾多的茶葉病蟲害資料，不能對出現的問題進行準確及時的診斷和防治，對茶葉生產造成影響。因此，建立一套方便快捷、診斷準確及時、防治措施得力的專家系統，對生產過程中少走彎路、減少損失是非常必要的。

1 設計目標

目前的農業生產領域，雖然開發了一批農業智能系統，但這些系統多數基于Windows平臺，從目前的使用效果來看，成本高、對網絡環境的依賴性強、人機交互等方面較差。隨著智能手機的不斷普及，移動互聯網的快速成長，用戶規模不斷增大，開發基于Android的農業智能系統應用終端更適于經常工作在田間地頭的生產人員。

本系統針對茶葉種植，以高效管理和有效控制茶葉病蟲害為目標，將已經掌握的茶葉病蟲害資料作為基礎，為廣大基層農業技術人員和農民服務，提高農業管理人員、基層農業技術人員以及廣大農民對茶葉病蟲害的診斷和防治水平，減少農藥使用量、減輕環境污染、提高茶葉品質，加速推進茶葉生產管理的科學化、規范化和標準化進程。

2 系統設計

2.1 系統架構

系統分別采用基于B/S架構的服務端和基于C/S的客戶端，MVC框架具體分為應用層、業務邏輯層和數據層。應用層負責與用戶交互，專家或管理員通過服務端對系統進行管理，茶農通過APP獲取病蟲害的查詢診斷信息以及其他資訊；業務邏輯層負責處理網絡傳遞過來的數據以及與數據庫的交互；數據層主要是存儲病蟲害以及處置方式的信息以及相關資訊。

2.2 系統組成

茶葉病蟲害查詢診斷系統主要由知識庫、知識獲取、推理機、解釋器、人機接口等五部分組成。知識庫存儲以適當格式表示的相關專家積累的有關茶葉生產過程中病蟲害的專門知識、經驗和常識。知識獲取的基本任務是為專家系統收集知識，建立起全面、有效、可靠的知識庫，它將茶葉生產管理專家的知識和經驗格式化之后加入到知識庫中，并提供修改知識庫原有知識和增加新知識的相應手段。推理機用于控制、協調整個系統的工作，在一定的控制策略下，系統根據用戶與系統交互的信息及知識庫中的知識對問題的進行求解。解釋器用于解釋推理的結果。人機接口是系統與用戶進行交流的界面，通過該界面，用戶輸入基本信息、回答系統提出的相關問題，系統輸出推理結果及相關的解釋。

2.3 系統流程

茶農在發現茶葉病蟲害之后，記錄下病蟲害的部位和特征，在平臺輸入或選擇病蟲害信息，系統根據病癥描述，提取病害特征與數據庫中病蟲害特征信息進行比對，并將匹配的結果以及從知識庫中提取到了治理方案反饋給客戶端。

2.4 系統的功能模塊設計

茶葉病蟲害查詢診斷系統的功能模塊分為病蟲害診斷功能、查詢功能、知識庫維護功能和其他輔助功能等。診斷功能主要根據病蟲害特征進行診斷，提供防治方法；查詢功能主要是按照病蟲害名稱查詢該病蟲害的證癥狀、圖片、防治方法等；知識庫維護功能主要用于對相關專家和技術人員對知識庫進行更新；輔助功能有農資信息、專家列表等。系統功能模塊如圖1所示。

2.4.1 系統診斷功能設計

系統的診斷功能原理，用戶在系統APP主界面中選擇病害或蟲害診斷功能后，將進入茶葉病蟲害診斷的分界面，用戶提交病蟲害相關信息后，系統將信息發送至數據庫，數據庫將推理的結果返回至客戶端，用戶再進行下一步操作，經過幾輪推理之后，系統將產生診斷結果，此診斷結果以及相應的防治方法發送至客戶端后，用戶就可以在診斷結果中選擇病蟲害的防治方法進行操作。

2.4.2 系統查詢功能設計

系統查詢功能原理，用戶在系統APP主界面中選擇病害或蟲害查詢功能后，將進入茶葉病蟲害查詢的分界面，用戶提交病蟲害相關名稱后，系統將信息發送至數據庫，數據庫將查詢的病蟲害結果信息以及此病蟲害相應的防治方法返回至客戶端，用戶查詢結果中進行學習或選擇病蟲害的防治方法進行操作。

圖1 茶葉病蟲害查詢診斷系統功能模塊圖

2.4.3 系統輔助功能設計

系統輔助功能原理，用戶通過系統APP選擇輔助功能之后將進入子界面，用戶選擇農資信息或專家列表之后，系統將操作信息發送到數據庫，數據庫將相應信息返回至用戶。

2.4.4 知識表維護功能設計

系統知識維護功能原理，用戶在系統APP主界面中選擇知識表維護功能后，將進入知識表維護功能的分界面，知識表維護功能主要包括知識表編輯、存取、組織和知識維護等模塊，實現對知識表的存取、組織、修改和維護等功能。知識表中的內容需要通過較長時間大量、全面的農業知識收集，經過農業專家與計算機專家以事實測定其規則的正確性之后完成知識規則的建立。

3 知識庫

知識庫是專家系統的關鍵之一，在農業專家系統知識庫中，知識表示為事實、知識規則和結論。知識庫中存儲農業專家的知識和經驗之外，還要存儲必要的約束規則。當用戶提交信息進行決策時，相應信息也要進入知識庫參與推理。知識獲取把解決問題的專門知識轉化為計算機可以識別的代碼，知識的表示通過規則來實現。每一條規則都包含前提和結論以及閾值和可信度。閾值指定推理時某規則是否可以應用。在閾值給定的范圍內，由前提推出結論，結論由可信度標明其邏輯蘊涵強度。各規則之間具有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或等關系，此外規則之間還具有互補和互斥關系。上述規則都是基于知識的，要進行推理還必須建立基于規則的規則，以確定規則之間的聯系，從而實現規則之間的計算。規則的提取和邏輯關系的確定由領域專家和知識工程師共同完成，然后集成為規則庫[13]。

基于以上原因，本系統知識庫分為靜態知識庫、動態知識庫和知識規則庫，靜態知識庫中記錄領域專家的掌握的各種品種的茶葉所發生過的病蟲害情況，以及該病蟲害對應的防治措施等，包括病蟲害名稱、別名、病蟲害圖像、寄主植物、分布區域、為害特征、發病規律、形態特征、生活習性以及防治措施等；動態知識庫保存推理的中間值和過程參數，并將最終的結果通過推理機發送到人機界面，動態知識庫針對用戶的具體查詢而建立，在運行中動態更新，有利于保證靜態知識庫的安全性、一致性和完整性。知識規則庫則存放各種推理、約束的規則，在人機接口輸入信息時，專家系統以該信息為起點進行推理，通過在一定規則下對大量數據進行篩選，從而發掘出最優結果。

4 推理機

推理就是根據一定的規則和事實推出結論的過程。本系統以獲得病蟲害防治措施為目標，推理過程是在一定的控制策略下，使用知識庫中的規則對數據進行匹配，最終獲得結論的過程，是基于規則的產生式系統，其推理機制是演繹性推理。推理機的控制策略主要有正向推理、反向推理和混合推理。正向推理是從已知的事實出發向目標操作，反向推理則以假定目標向事實進行操作。正向推理和反向推理這兩種單一控制策略都有自身的局限性，正向推理目的性不強，需要經常回溯，效率較低；反向推理存在目標選擇盲目的問題，當結論較多時表現更為明顯。本系統主要采用混合推理策略，結合正向推理和反向推理各自的優點，推理實踐中利用已知的事實選擇恰當的目標進行反向推理，既克服了反向推理目標選擇的盲目性又避免了正向推理的無目的性。比如羅列茶葉病蟲害的特征給用戶進行選擇，當用戶選擇了病蟲害特征后，未被選擇的特征被篩除掉，減少推理判斷的空間，推理機再引導用戶對被選特征的病蟲害進行判斷和特征選擇，推理機需要具有對病蟲害特征和病蟲害結果進行雙向搜索的能力，因此推理機的設計為混合推理方式。

5 結語

茶葉病蟲害查詢診斷系統的目的是科學、快速、準確地為茶農提供病蟲害信息和防治方法。本系統采用多種診斷方式，結合茶農自身對病蟲害的認識，設計診斷系統的框架，操作更為方便簡單，有利于基層人員的使用，也可以有效提高病蟲害診斷的準確性，提升病蟲害防治效果。除了方便茶農和基層技術人員快速、準確地獲得所需信息之外，還能使他們及時得到專家的指導，解決茶葉生產過程中技術難點，有效推廣農業專家的知識和經驗，提高茶葉生產水平，提高生產的經濟效益。

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Design of a Tea-Based Pest and Disease Query Diagnosis System Based on Android

YE Yu, LI Min, WANG Biao

(Chengdu agricultural college Department of Information technology, Sichuan Chengdu 611130)

With the great popularity of mobile phones, in order to promote the popularization and application of agricultural expert systems, improve the efficiency and use effect of traditional Windows-based expert systems, the application of mobile phones to agricultural expert systems was discussed, and Android-based mobile phones were designed. The tea pest and disease inquiry and diagnosis system users can query and diagnose the pest and disease information of tea through the mobile phone, obtain pest control methods, agricultural materials information, and channels for communication with experts. Provided technical support for the production and cultivation of tea, convenient to tea farmers.

Android; Tea; Pests and diseases

TP182

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.016

成都農業科技職業學院院級科研項目(課題編號：cny17-20)

葉煜(1972-)，女，副教授，主要研究方向為計算機應用；李敏(1976-)，女，副教授，主要研究方向為計算機應用；王彪(1983-)，男，高級工程師，主要研究方向為計算機應用。

葉煜，李敏，王彪. 基于Android的茶葉病蟲害查詢診斷系統的設計[J]. 軟件，2018，39（11）：68-71