丑橘種植數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)姣，文杰，周文志，張琳琳

（南華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南衡陽(yáng)，421001）

0 引言

丑橘又稱“丑八怪”[1],與其外表不同的是，丑橘味道極好，深受大眾青睞。但是對(duì)丑橘種植戶而言，卻充滿了諸多挑戰(zhàn)：（1）栽培經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)洞察力不足，同時(shí)缺乏技術(shù)和市場(chǎng)行情指導(dǎo)。（2）從種植到成熟的周期較長(zhǎng)，且影響其生長(zhǎng)趨勢(shì)和結(jié)果的因素較多，種植戶很難精準(zhǔn)地估判其生長(zhǎng)情況，難以預(yù)測(cè)果實(shí)收成。（3）傳統(tǒng)丑橘種植過(guò)程中需要依賴大量的人力去做數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)分析，但是我們無(wú)法保證所得結(jié)果的效率和準(zhǔn)確性。（4）遇到特殊天氣、病蟲(chóng)害等突發(fā)狀況，缺乏應(yīng)對(duì)措施和專業(yè)指導(dǎo)。

基于上述困難，本項(xiàng)目將在智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上，采用大數(shù)據(jù)等技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)專門針對(duì)丑橘種植的解決方案。

1 大數(shù)據(jù)在種植業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

我國(guó)務(wù)農(nóng)人口數(shù)在不斷減少，且存在老齡化問(wèn)題日漸嚴(yán)重的趨勢(shì)，如何提高農(nóng)業(yè)（尤其是種植業(yè)）生產(chǎn)效率，維持我國(guó)龐大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的一大要事。近年來(lái)，無(wú)論是大數(shù)據(jù)還是機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)都取得了持續(xù)性的突破進(jìn)展，在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，種植業(yè)也不例外。我國(guó)包括世界上許多國(guó)家正在轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式，從原先的機(jī)械化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒幌盗械难苌氛沁@一轉(zhuǎn)變的中間件。這些中間件利用大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)挖掘海量種植業(yè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，進(jìn)而推薦相應(yīng)的方案，大幅度提高了管理的精準(zhǔn)度，改善了種植物的生長(zhǎng)狀況，節(jié)省人力，增加產(chǎn)值，促使產(chǎn)業(yè)升級(jí)，是智慧農(nóng)業(yè)中重要的一環(huán)。

可以想象，隨著5G 等技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)對(duì)種植地連續(xù)多年各類信息數(shù)據(jù)（如氣象條件、土壤條件、種植行為、結(jié)果情況、市場(chǎng)需求及價(jià)格等）進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、案例對(duì)比、深度挖掘計(jì)算等，未來(lái)大數(shù)據(jù)在種植業(yè)中的價(jià)值會(huì)更加顯著，并帶動(dòng)智慧種植業(yè)的發(fā)展[2]。

2 設(shè)計(jì)概述

■2.1 功能設(shè)計(jì)

2.1.1 前臺(tái)設(shè)計(jì)

前臺(tái)是使用本系統(tǒng)的非管理人員操作端，功能模塊劃分如圖1 所示。

圖1 前臺(tái)設(shè)計(jì)圖

2.1.1.1 用戶管理模塊：用于個(gè)人管理用戶注冊(cè)、登錄和個(gè)人信息維護(hù)

（1）注冊(cè)：用戶注冊(cè)本系統(tǒng)賬號(hào)；

（2）登錄：用戶登錄系統(tǒng)可使用本系統(tǒng)絕大部分功能；

（3）個(gè)人信息維護(hù)：用戶可對(duì)本人賬號(hào)信息進(jìn)行增刪查改。

2.1.1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊：用于顯示丑橘的數(shù)據(jù)信息

（1）開(kāi)通丑橘監(jiān)測(cè)分析功能：有需要的用戶開(kāi)通該功能，享受丑橘生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)測(cè)、決策功能；

（2）查看丑橘生長(zhǎng)數(shù)據(jù)：以圖表形式查看采集的丑橘數(shù)據(jù)；

（3）查看數(shù)據(jù)分析結(jié)果：查看丑橘當(dāng)前生長(zhǎng)狀況聚類結(jié)果；

（4）查看預(yù)測(cè)結(jié)果：查看未來(lái)生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)結(jié)果；

（5）查看決策信息：查看基于數(shù)據(jù)分析、種植技術(shù)和行情動(dòng)態(tài)的建議。

2.1.1.3 種植技術(shù)學(xué)習(xí)模塊：用于用戶交流、學(xué)習(xí)丑橘種植技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)

（1）觀看視頻課程：用戶觀看線上課程學(xué)習(xí)；

（2）瀏覽新聞資訊：用戶瀏覽平臺(tái)資訊，掌握行情動(dòng)態(tài)和相關(guān)研究；

（3）發(fā)表種植經(jīng)驗(yàn)：用戶發(fā)表種植心得，支持圖、文、視頻；

（4）點(diǎn)贊：用戶點(diǎn)贊自己欣賞的分享內(nèi)容；

（5）評(píng)論：用戶評(píng)價(jià)分享內(nèi)容。

2.1.2 后臺(tái)設(shè)計(jì)

后臺(tái)是本系統(tǒng)管理人員操作端，用于管理用戶及系統(tǒng)功能，功能模塊如圖2 所示。

圖2 后臺(tái)設(shè)計(jì)圖

2.1.2.1 用戶管理模塊：用于管理員管理系統(tǒng)所有用戶信息

注冊(cè)：管理員注冊(cè)賬號(hào)；

登錄：管理員登錄后臺(tái)；

用戶信息：管理員增刪查改系統(tǒng)所有用戶賬號(hào)信息。

2.1.2.2 丑橘監(jiān)測(cè)分析模塊：

數(shù)據(jù)管理：管理丑橘數(shù)據(jù)；

2.1.2.3 種植技術(shù)學(xué)習(xí)管理模塊：用于管理員管理種植技術(shù)學(xué)習(xí)模塊內(nèi)容

學(xué)習(xí)視頻信息管理：管理員增刪查改學(xué)習(xí)視頻及其信息；

新聞資訊管理：管理員增刪查改新聞資訊；

評(píng)論管理：管理員增刪查改評(píng)論信息。

■2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用E-R 圖來(lái)描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)E—R 圖

2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)需求及E-R 圖定義數(shù)據(jù)表，包括用戶表（userInfo）、丑橘數(shù)據(jù)表（uglyOrangeInfo）、視頻課程表（videoInfo）、新聞資訊表（newsInfo）、種植心得表（sharingInfo）、課程評(píng)論表（videoCommentInfo）、資訊評(píng)論表（newsCommentInfo）、視頻點(diǎn)贊表（video LikeInfo）、資訊點(diǎn)贊表（newsLikeInfo）、回復(fù)表（replyInfo）,數(shù)據(jù)表格式如表1-表6 所示。

表1 用戶表（userInfo）：定義普通注冊(cè)用戶、專家、管理員信息

表2 丑橘數(shù)據(jù)表（uglyOrangeInfo）：定義采集的丑橘數(shù)據(jù)格式

表3 視頻課程表（videoInfo）：定義視頻課程基本信息

表4 新聞資訊表（newsInfo）：定義新聞資訊基本信息

表5 課程評(píng)論表（videoCommentInfo）:定義課程評(píng)論數(shù)據(jù)格式（新聞資訊評(píng)論表結(jié)構(gòu)類似）

表6 回復(fù)表（replyInfo）：定義回復(fù)信息數(shù)據(jù)格式

3 技術(shù)概述

■3.1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成[3]。在丑橘的監(jiān)測(cè)區(qū)域中布置溫度、濕度、光照、酸堿度傳感器等，組成傳感節(jié)點(diǎn)群，這些采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳和網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)椒?wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并存儲(chǔ)，再通過(guò)終端可視化，為用戶提供接口。用戶通過(guò)獲取的信息進(jìn)行操作,或者直接通過(guò)設(shè)置使其智能完成任務(wù)[4]。架構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

■3.2 基于hadoop 分布式數(shù)據(jù)挖掘的丑橘生長(zhǎng)情況聚類

丑橘的各項(xiàng)數(shù)據(jù)豐富多維，其中包含了大量無(wú)用、不確定、不完整信息，既提高了處理成本，也極大地影響效率。利用hadoop 大數(shù)據(jù)處理框架和數(shù)據(jù)挖掘能夠在這些海量的數(shù)據(jù)中找到有用、有意義的信息，加以分析轉(zhuǎn)化為易于接受理解的知識(shí)[5]。處理過(guò)程如圖5 所示。

聚類采用Kmeans 算法，將沒(méi)有標(biāo)注的N 個(gè)丑橘數(shù)據(jù)樣本通過(guò)迭代的方式聚類為K 個(gè)簇，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，K值未知，所以先進(jìn)行試驗(yàn)劃分，再結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)確定K 值取4，將丑橘生長(zhǎng)狀況聚類為4 簇，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、中、差。這種方式易于理解，聚類的效果較好，處理大數(shù)據(jù)集的時(shí)候可以保持較好的伸縮性和高效率，但不足之處在于受初始簇中心點(diǎn)影響大、特殊值對(duì)模型影響結(jié)果較大，不適于發(fā)現(xiàn)大小差別懸殊的簇且時(shí)間復(fù)雜度較高。這是后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究需要加以改進(jìn)的點(diǎn)。

■3.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的丑橘生長(zhǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果分析和處理方案推薦

機(jī)器學(xué)習(xí)中，決策樹(shù)反映對(duì)象屬性與對(duì)象值之間的一種映射關(guān)系，可用于預(yù)測(cè)。資料[6][7][8][9][10]表示，丑橘適宜生長(zhǎng)溫度為18～25℃，溫度在-3℃左右的時(shí)候，會(huì)極大影響其生長(zhǎng)；應(yīng)當(dāng)確保空氣濕度處于70%左右，同時(shí)年降雨量以1 300 mm 為宜，土壤含水量也應(yīng)當(dāng)保持在70%左右，一年當(dāng)中達(dá)到1 300～1 400 h 的日照總量，pH 值保持在5.5-7.0，根據(jù)生長(zhǎng)階段的不同，一年上肥次數(shù)在2～4 次左右。將采集的數(shù)據(jù)與各類的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)構(gòu)建決策樹(shù)預(yù)測(cè)不同路徑和節(jié)點(diǎn)處的丑橘生長(zhǎng)走向。

決策方面同樣依賴決策樹(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)格式定義無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的丑橘數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，如表7 所示。

表7 采集丑橘數(shù)據(jù)格式

通過(guò)建模和模型預(yù)測(cè)進(jìn)行決策，流程如圖6 所示。

圖6 決策模型處理流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)在丑橘種植中可以起到監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、預(yù)測(cè)、決策分析等作用，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)解決種植戶缺乏經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)指導(dǎo)、無(wú)法準(zhǔn)確判斷生長(zhǎng)狀態(tài)和趨勢(shì)等問(wèn)題，節(jié)省了人力物力，科學(xué)決策。未來(lái)，大數(shù)據(jù)在丑橘及其他種植業(yè)的應(yīng)用會(huì)愈加廣泛、精準(zhǔn)有效。