互聯網農業綜合管理平臺的設計與實現

劉寶玉 楊奎 汪琳霞

摘? 要： 設計了互聯網農業綜合管理平臺， 采用Java Web和Android構建了線上管理系統和線下服務中心，實現農業生產全程數據的管理分析，并對農資、農機、農技、農田等生產要素進行有效整合。平臺運用自身的豐富資源和整合能力，為農戶在農業生產中出現的問題，提供了一系列的服務，從而達到提高效率、降低成本、綠色生產的目的。

關鍵詞： 農業管理; 互聯網; Android; Java Web

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）07-92-04

Abstract： An Internet integrated agricultural management platform is designed. An online management system and an offline service center are constructed adopting Java Web and Android to realize the management and analysis of data in the entire process of agricultural production， and effectively integrate the production factors such as agricultural material， agricultural machinery， agricultural technology and farmland etc. The platform uses its rich resources and integration capabilities to provide a series of services for farmers in agricultural production， so as to improve efficiency， reduce costs and achieve the green production.

Key words： agricultural management; Internet; Android; Java Web

0 引言

目前我國農業的主要問題集中在農業生產資源整合程度低，生產成本高，效率低下以及掠奪式耕作導致的污染程度高這幾方面。如今越來越多的人習慣通過網絡獲取信息與服務。據相關調研，農民當中有相當一大部分人擁有智能手機設備。由《CNNIC：第38次中國互聯網絡發展狀況統計報告》[1]中可知，農村網民在中國網民中占比高達26.9%，人口規模高達1.91億。綜上，我們開發了基于互聯網開發農業綜合管理平臺，通過互聯網與智能手機來調整農業生產，指導農民創收。該平臺構建了線上管理系統和線下服務中心，實現農業生產全程數據的管理分析，同時整合農機、農資、農技、農田等生產要素，運用自身的資源整合能力、科學的管理方式、豐富的專家技術資源，以達到提高效率、降低成本、綠色生產的目的。

1 系統介紹

本系統是基于互聯網的農業綜合管理平臺，針對當前農業生產資源整合程度低、生產成本高、效率低下等問題，構建了線上管理系統和線下服務中心，實現農業生產全程數據的管理分析，整合農機、農資、農技、農田等生產要素，同時運用自身的資源整合能力、科學的管理方式、豐富的專家技術資源，達到提高效率、降低成本、綠色生產的目的。

本系統根據農戶在農業生產中出現的問題，提供了一系列的服務。由于農戶耕作的各階段時期基本一致會使得農機的需求也體現出集中，而農作物的耕作又允許一定的時延，故提出通過分區劃片管理來對農機進行智能調度，從而提高農機的利用率。在農作物的生產過程中，蟲害防治是非常重要的，嚴重的時候甚至會毀滅農作物，故提供蟲害識別服務，讓農戶獲取蟲害的基本信息及防治措施，進行科學防治。當代農戶的農業知識也比較缺乏，進行農業知識學習對農業生產意義重大，同時農業生產需要科學的指導，因此農戶也可以通過平臺向專家咨詢農業問題以及推薦閱讀相關文獻，提高農業知識水平。

在本系統中，所涉及到的用戶包括農戶、農機手、工作人員、管理員。農民指擁有可納入平臺統籌規劃耕種的農田且與平臺達成協議的長期從事農業生產的人員。工作人員指在每個鄉鎮建立的服務中心中負責當地管理和技術支持等工作的人員。農機手指加入到平臺的擁有符合條件的農機操作的工作人員或者是公司雇傭的農機操作人員。管理員指維護系統數據，為了簡化開發難度，故管理員身兼數職，集農資部門、農機部門、農技服務中心于一身。

系統由服務中心和智能系統組成。服務中心整合了農田、農機、農技等資源，為實現農業生產的機械化、規模化、科學化提供了條件。多個基層服務中心構成高級服務中心，形成服務中心的層級結構，實現鄉、縣、市、省、國五級互聯互通，更方便地接入政府農業數據及企業產品需求。服務中心主要負責：與農機手、農資商、種植戶、農產品收購商等形成合約關系;統一管理各種農機設備，統一購買農藥化肥等農資;在合適的地方建設農機維修點、農機加油點等基礎設施;配備農業專家以制定合理的計劃并指導種植戶解決農業生產過程中遇到的問題。智能系統分為Web端和移動端。Web端用戶是服務中心工作人員，提供了生產規劃、作業任務規劃、大數據統計分析、數據可視化、農業技術支持等功能;移動端用戶是種植戶與農機手，提供了天氣預警、任務提醒、農田信息查看、蟲害識別、專家咨詢及技術文庫查看等功能。

2 相關技術介紹

2.1 智能調度算法

智能調度是指通過計算機智能計算，生成全年耕作計劃及每日作業任務，從而實現農業生產的智能調度，原理如下。

⑴ 根據農業生產經驗初步制定全年計劃，主要包括農業生產過程中每個時期的始末時間、工作總量、具體任務等。

⑵ 系統根據生產的始末時間、工作總量、農機效率等，合理安排每天的工作任務，詳細到天的任務類型、任務片區、所需農機數量等。

⑶ 當工作收到天氣等不可控因素影響時：

① 修改當前任務或任務延后一天;

② 根據剩余時間和剩余工作量重新安排該段時間任務，必要情況下增加農機數量確保任務在規定時間內完成;

③ 在緊急情況下，調配資源及時解決緊急任務，必要時專家指導發布任務信息。

2.2 蟲害識別算法

本系統使用Inception-v3對圖像進行分類識別， Inception-v3是一種卷積神經網絡[2]（Convolutional Neural Networks， CNN）模型，使用了龐大的圖像庫ImageNet，已經被訓練得比較成熟，對于大型圖像處理有出色表現。ImageNet是一個計算機視覺系統識別項目，是根據WordNet[3]層次結構組織的圖像數據庫，其中層次結構的每個節點都由數百個或數千個圖像描繪。目前每個節點平均擁有500張對應物體的可供訓練的圖像。

對于特征明顯的物體，該模型識別有很高的準確率;當特征不夠明顯時，準確率便會有一定的下降。由于害蟲在ImageNet中只是一個很小的節點，而害蟲又種類繁多，許多害蟲外形相似，致識別率不如一般圖片識別率高。農業生產中面臨的害蟲種類較少，因此可以采取“害蟲歸類”的方法來提高準確率。將農業生產中的害蟲通過模型進行識別、測試和總結，將與其相似的那些害蟲歸結到這種害蟲，可以較大地提高準確率。

2.3 智能問答

將用戶提出的問題文本，經過分詞及關鍵字提取算法，獲取智能計算機所能理解的范圍內的詞組。該算法基于TF-IDF[4]和TextRank[5]提取算法，具有較強的適用性和準確性。根據個性化的分詞表和停詞表，針對農業、天氣等知識進行更準確的優化。

2.4 農田面積算法

本系統使用手動添加標注點，計算面積，其主要利用凸包算法[6]構造區片多邊形外圍輪廓，然后把各條邊通過經緯度轉換后的比例，尺寸距離進行面積計算，其主要原理如下：

⑴ 構造多邊形

采用Graham's scan思想，假設由最底的一點P開始（如果有多個這樣的點，那么選擇最左邊的），計算它跟其他各點的連線和x軸正向的角度，按小至大將這些點排序，稱它們的對應點為A，B，C，D……。

考慮最小的角度對應的點C。若由B到C的路徑相對C到D的路徑是向右轉的（可以想象一個人沿B走到C，他站在C時，是向哪邊改變方向），表示C不可能是凸包上的一點，考慮下一點由B到D的路徑;否則就考慮B到C的路徑是否向右轉……直到回到P。

⑵ 經緯度計算面積

利用公開接口，基于Baidu Map API 1.2將多邊形各邊的端點經緯度傳入，獲得多邊形的平方米面積，并運用轉換公式，換算為多少畝。示意圖如圖3。

3 智能系統的設計與實現

3.1 地圖模塊

地圖模塊調用了百度地圖API，使用前端技術將地圖簡潔、美觀的展示出來。也是系統重要的展示平臺，android端能通過地圖模塊進行常規的定位、導航，Web端通過地圖模塊展示信息。在地圖模塊主要有以下幾個方面，查看基本信息：查看基本信息是指按名定位、顯示加油點、維修點、天氣、服務中心點的功能;查看角色信息：角色是指農民、農田、農機、分區;查看角色信息即顯示上述定義的角色的可見的信息;查看任務信息：任務的提醒、正在作業的任務點，都要在地圖上顯示。

3.2 任務模塊

任務模塊是本系統的中心，也是智能化的體現，整合平臺的資源，優化決策，智能調度。任務模塊主要解決任務的優化建議問題，以及最基本的人工發布功能、提醒功能。任務提醒：每天系統第一次被登陸后，彈出會話框提醒工作人員應該對今、明天的任務作出決策。任務建議：系統通過計算，生成一張優化后的任務清單（具體到人、事、時間、目標、工作流程……）。發布任務的兩種模式：工作人員直接填寫任務發布清單，點擊提交，相應機手將收到任務提醒;經過調整后的任務建議，點擊提交即可完成任務的發布。查看任務：對于當前正在執行、排隊中的任務和規劃的任務列表進行查看。調整任務：對來自優化建議的任務進行調整，以及對算法過程中的影響因子參數的手動調整。

3.3 天氣模塊

天氣模塊會顯示當前地區的天氣。使用網絡爬蟲[7]進行定時爬蟲，從氣象新聞網抓取天氣數據，再將天氣信息展示到平臺上，定時更新。設置一個監聽任務，每天7：30定時在網頁上爬取當月天氣的json數據，寫入文件中。每天爬取一次數據寫入json文件，覆蓋原來的json文件。

3.4 信息管理模塊

信息管理模塊是本系統的數據中心，涉及到農田、農民、農機、分區、文庫、服務中心、任務信息及其它信息的增刪查改。在此模塊中，使用JavaBean傳輸數據，用Service進行數據庫操作。

3.5 知識庫模塊

3.6 咨詢模塊

專家咨詢是為農戶解決農業生產中遇到的問題而產生的，農戶只需將遇見的問題通過文字方式描述，提交至服務器，服務器傳送到Web端，最后將專家建議返回至用戶界面上。

本系統提供人工回答和智能回答兩種方式。人工回答由web端的工作人員對農戶提交的問題直接進行回答;智能回答[8]是通過計算機自動分析問題、提取關鍵字并檢索知識庫進行回答，其使用基于TF-IDF和TextRank提取算法對用戶的問題文本進行分詞及關鍵字提取。

3.7 蟲害模塊

蟲害識別是本系統的特色和難點，其分為自動識別和人工識別兩種方式。自動識別是通過Inception-v3進行識別，人工識別由Web端的工作人員做出識別。用戶在蟲害識別界面上傳蟲害的圖片，也可附加描述性的文字，成功識別后，用戶便可獲得識別的結果、貼近的問答、專家咨詢結果、相關文獻。

3.8 數據庫設計模塊

本系統對用戶的身份證號、聯系電話等私人信息做了相關數據存儲，需保障數據信息的安全。而為了讓用戶能有良好的體驗，要求快速反應，故對數據庫也要求快速、高效的操作，同時， MySql數據庫數據模型簡單，關系與實體都是二維表表示，安全性高，因而系統使用MySql數據庫進行數據存儲。在對其的設計上，遵循原始單據與實體一對多的映射關系，滿足第三范式。針對農業數據管理，設計了農戶表、信息員表、農田表、農機表、申請作業表、需求表、任務表。

農戶表包含的字段：編號、姓名、登錄名、密碼、地址、身份證號、聯系電話、頭像。信息員表包含字段：編號、姓名、登錄名、密碼、地址、身份證號、聯系電話、頭像。農田表包括字段：編號、經度、緯度、面積、農民編號、農作物、實景照片。農機表包含字段：編號、農機主編號、品牌、機種、型號、報廢期限、實景照片。申請作業表包含字段：農機主編號、申請號。需求表包含字段：需求號、農戶編號、農田編號。任務表包含字段：農機主編號、任務號、農民編號、任務狀態。

4 結束語

基于移動互聯網的農業綜合管理平臺，針對農業生產出現的一些滯后問題，提出的一系列解決方案及服務手段，對提高農業生產效率有很好的幫助。在農業生產過程中，利用農業生產允許的時延，對農田分區劃片進行分批耕作，通過算法智能計算產生全年計劃以及每天的作業任務，智能分派到作業人員的客戶端中，并利用服務中心專家的經驗進行農業生產全程指導。

本系統已經完成，但仍然有許多可以拓展的空間，如增強文庫的豐富性、提高蟲害識別的準確度等。隨著網絡技術的發展，將互聯網與農業生產相結合，使農務人員在經營農作物方面更簡便、更高效。這種將科技與傳統農業的結合方式將是未來的趨勢。

參考文獻（References）：

[1] 中國互聯網信息中心（CNNIC）《第38次中國互聯網發展狀況統計報告》，2016.8.

[2] 柯研，王希龍，鄭鈺輝.卷積神經網絡圖像處理[J].電子技術與軟件工程，2018.22.

[3] 孫麗莉，張小剛.基于WordNet的概念語義相似度的計算方法[J].統計與決策，2017.

[4] 于韜，王洪巖.基于TF-IDF算法的文本信息提取[J].科技視界，2018.16.

[5] 門家樂.基于TextRank的關鍵詞提取算法[J].電子世界，2018.15.

[6] 唐磊.凸包圍多面體生成算法及應用[D].清華大學碩士學位論文，2015.

[7] 孫立偉，何國輝，吳禮發.網絡爬蟲技術的研究[J].電腦知識與技術，2010.15.

[8] 武振國，李艷翠.植物病蟲害智能問答系統設計與實現[J].農業網絡信息，2017.1.