依托神經網絡的玉米水肥智能決策系統軟件開發

唐 華

（眉山職業技術學院，四川 眉山 620010）

隨著科技的不斷發展和農業生產的日益復雜化，農業生產對于先進技術的需求與日俱增。在農業生產中，玉米作為一種重要的糧食作物，其產量和質量的提升對于糧食安全和農業經濟具有重要意義。傳統的農業生產管理方式不能滿足新技術的生產需求，需要更智能、高效的解決方案來應對復雜多變的生產環境[1]。

神經網絡作為人工智能領域的研究熱點之一，其強大的學習和模式識別能力為農業決策提供了新的可能。本研究旨在針對玉米水肥管理中存在的問題，借助神經網絡算法，開發一套智能決策系統軟件，以提升玉米生產的水平和效益。

1 系統需求分析

1.1 功能性需求

玉米水肥智能決策系統旨在為農業從業者提供高效的水肥配施決策，并構建全面的綜合系統。系統具備良好的可移植性和可擴展性，以適應未來農業發展需求。用戶分為普通用戶、管理員和超級管理員，系統包含數據管理、模型管理、信息交互、資料管理、賬戶管理和系統管理等六大功能模塊，具體情況如圖1所示。

圖1 系統功能模塊Fig.1 System function module

1.1.1 數據管理模塊

數據管理模塊允許經過認證的用戶錄入和管理數據，涵蓋查詢、編輯和刪除等多項操作。數據錄入環節包含9 個關鍵字段，確保信息的完整性與準確性。此外，系統提供靈活的數據展示和檢索功能，以列表形式呈現，支持多條件篩選[2]。

1.1.2 模型管理模塊

作為系統的核心，模型管理模塊支持用戶使用預設或自定義模型來進行水肥決策。它允許用戶基于實際生產數據來構建新模型，同時，管理員有責任維護模型庫的有效性和可靠性。用戶在模型運行時輸入必要信息，系統后端處理并返回結果，同時保存運行記錄以供查詢。

1.1.3 信息交互模塊

信息交互模塊為用戶交流平臺，管理員在此發布通知和管理用戶內容，包括帖子和留言。用戶可在此模塊發布農業相關內容，實現知識分享和問題解答。模塊設計注重用戶體驗，提供直觀的界面和清晰的功能布局。

1.1.4 資料管理模塊

構建權威且全面的農業知識庫，內容覆蓋種植技巧、病蟲害防治及品種信息等。用戶可快速檢索所需信息，節省時間成本。管理員在此負責內容的更新和維護，確保信息的前沿性和可靠性。

1.1.5 賬戶管理模塊

賬戶管理模塊用于用戶注冊、登錄、維護個人信息及密碼更新。角色包括普通用戶、系統管理員和超級管理員。注冊登錄僅需填寫用戶名、昵稱、密碼，簡潔高效。賬戶管理核心功能分為“個人信息”“賬號管理”，用戶可調整昵稱、密碼等關鍵信息，密碼修改需驗證原設定密碼，確保賬戶安全。

1.1.6 系統管理模塊

系統管理模塊專為管理員和超級管理員設計，提供用戶權限設定和管理功能。包括用戶添加、信息管理和權限分配等。不同級別用戶享有相應的數據操作和系統維護權限，以確保系統的順暢運行和數據安全。

1.2 非功能性需求

玉米水肥智能決策系統的非功能性需求包括系統性能、可靠性、易用性、安全性、可擴展性和可維護性等方面，歸納起來有以下幾方面：一是系統性能要求響應速度快，頁面加載時間在3 s 內完成，模型運行和構建功能的響應速度也有具體要求。二是系統可靠性要求系統正常運行時間占比高于95%，月均故障次數不超過1次。三是系統易用性要求操作和界面友好，支持簡單操作和模糊查詢，具備響應式布局和簡潔大方的界面設計[3]；安全性方面，系統要求具備嚴格的權限控制和加密機制，保障內部和外部安全。四是系統可擴展性，要求系統結構合理，減少耦合，以滿足未來可能的新需求。五是系統可維護性，要求代碼規范，功能模塊相對獨立，降低維護難度和故障牽連影響。

2 玉米水肥智能決策系統的設計

2.1 系統架構設計

玉米水肥智能決策系統采用三層架構，分別為表示層、業務層和數據層，構建在B/S 架構上，如圖2 所示。其中，表示層作為用戶與系統互動的媒介，通過瀏覽器展示用戶可見的系統形式，接收用戶請求并將其傳遞至服務器。用戶登錄需經過鑒權，確保安全進入系統。業務層承擔主要功能，接受表示層請求并處理，依托Django 框架實現業務邏輯。Django 的Models 層使用ORM 框架處理數據事務，Templates 層處理表示層事務，而Views 層作為連接Models 與Templates 的橋梁，共同支持業務層功能。數據層負責存儲系統資源數據，主要采用關系型數據庫系統MySQL，實現數據的存取。為提高系統性能，采用Redis 技術對session 等長周期數據進行緩存，以減輕服務器壓力[4]。

圖2 系統總體架構Fig.2 Overall system architecture

2.2 系統流程設計

系統的核心功能模塊包括數據管理、模型管理、信息交互、資料管理、賬戶管理和系統管理等6個方面。

一是數據管理模塊。提供規范化的作物生產數據存儲和管理平臺，分為普通用戶、管理員和超級管理員3 種角色。普通用戶可對自己的數據進行錄入、刪除、編輯和查詢，而管理員和超級管理員則具有管理所有用戶數據的權限，并在得到用戶許可的情況下優化系統其他功能，如圖3所示。

圖3 數據管理模塊流程Fig.3 Data management module flow

二是模型管理模塊。為用戶提供水肥配施方案決策支持，包括個人歷史記錄和模型管理功能。管理員和超級管理員還能對普通用戶的歷史記錄和模型庫進行操作，如圖4所示。

圖4 模型管理模塊流程Fig.4 Model management module flow

三是信息交互模塊。提供用戶交流互動的平臺，包括通知公告瀏覽、論壇發表文章或提問等功能。管理員和超級管理員可進行論壇業務管理，包括分類、公告、帖子和留言的管理，如圖5所示。

圖5 信息交互模塊流程Fig.5 Information interaction module flow

四是資料管理模塊。構建系統知識庫，用戶可查閱資料，管理員和超級管理員負責錄入和更新資料。

五是賬戶管理模塊。提供用戶注冊、登錄、個人信息維護和密碼管理功能。

六是系統管理模塊。為系統管理人員設計的模塊，包括用戶管理和權限分配。用戶管理涵蓋新增、信息查詢、信息修改、狀態設置和用戶刪除等操作，狀態設置有正常、異常和禁用3種。權限分配操作允許超級管理員設定下級權限用戶為普通用戶或管理員用戶。

以上6 個模塊共同構建了完整的玉米水肥智能決策系統，從數據管理到系統管理的全面功能，為用戶提供了便捷的決策支持和交流互動平臺。

2.3 系統數據庫設計

數據庫在不僅是維持系統高效運行的核心，更是確保軟件系統穩定性和可靠性的要素之一。玉米水肥智能決策系統以MySQL 為基礎，構建完備的表格關系模式和底層架構。系統涉及的核心實體對象包括用戶數據、農作物生產相關數據、農業模型參數設置、模型運行歷史記錄、公共信息發布、討論話題、用戶留言、主題類別、種植技術知識、農作物病蟲害防治策略及品種系譜等。數據庫模型框架圖是系統穩定性和高效性的基石，確保了系統在各方面的功能和性能上達到卓越水平。

3 玉米水肥智能決策系統功能實現

3.1 賬戶管理模塊功能實現

賬戶管理模塊是系統的核心，包含賬號注冊、登錄、個人信息查看和維護等功能。模型層定義了User模型對應MySQL 的users 表，視圖層包含多個函數（如login、dologin、logout 等），模板層有login.html、register.html 等頁面。用戶訪問系統時，經過登錄攔截，若無session 信息則重定向至登錄頁面。已有賬號用戶在登錄界面輸入信息，經dologin 函數核對后寫入session，加載系統首頁（homepage.html）。新用戶可注冊或聯系管理員獲取賬號。系統首頁展示“我的數據庫”“我的預測”“我的論壇”“資料庫”功能和側邊欄導航。管理員用戶有“系統管理”功能。用戶可在右上角查看個人信息或退出，左側“賬號管理”用于修改個人信息和密碼。點擊“賬號管理”經useredit 路由，渲染個人信息至前端。其他功能類似，修改后信息經userupdate 路由寫入數據庫，格式錯誤則提示。整體設計基于AdminLTE 開源項目，前端界面清晰展示多功能組件和側邊欄導航，提供用戶友好的操作體驗。

3.2 數據管理模塊功能實現

數據管理模塊利用Django 應用程序中設計的數據庫實現對各種數據的詳細呈現、添加、更新、刪除和查詢等基本操作。一般用戶可以方便瀏覽和操作個人數據，而管理者和超級管理員擁有更廣泛的權限，能夠管理全體用戶的相關數據。

該模塊主要涉及Summary of data 模型及對應于MySQL數據庫中的Summary of data表。在視圖層面，定義了響應數據管理界面各項操作需求的函數，如index、insert、edit等。在模板層面，整合多個頁面，用戶可以從系統主頁或左側邊欄直接訪問數據管理界面，以有序的列表形式展示數據。

錄入界面要求用戶填寫各字段，完成輸入后，通過單擊“提交”按鈕將數據以form 表單形式提交到后臺服務器。后臺服務器會通過database_insert 路由調用insert 函數進行數據錄入，成功則給出明確提示，否則提供詳細錯誤信息。

用戶可以通過在“操作”欄上點擊“編輯”按鈕更改數據，同時為防止誤操作，提供“刪除”按鈕，系統會彈出確認對話框。管理者或超級管理員有特權查看所有用戶數據，并保留對數據進行編輯和刪除的權限。為了增加靈活性，為“按條件查找”的選項增加了“按所屬用戶ID查詢”的細分選項。

3.3 模型管理模塊功能實現

管理模塊包括水肥配施方案決策子模塊和模型庫子模塊，用戶通過水肥配施方案決策子模塊選擇模型并輸入土壤氮、磷、鉀元素含量及土壤含水率等字段進行預測。提交后，predict 函數傳遞參數給ISSARBF 類，執行模型運算和ISSA算法尋優，輸出建議的灌水量、施肥量及預測產量，結果顯示在水肥配施方案決策界面，并記錄到數據庫的historical prediction表。

用戶可點擊“歷史記錄”按鈕查看或刪除模型運行歷史，跳轉至歷史記錄界面。管理員用戶能查看所有用戶的模型運行歷史，包括“歷史記錄ID”和“所屬用戶”字段，同時可刪除下級權限用戶歷史記錄。

模型庫子模塊允許用戶在模型庫界面查看各模型的簡要信息，包括模型名、評價指標、構建及更新時間等字段。用戶點擊“構建新模型”按鈕，自定義模型名稱并選擇36 個以上的樣本數據作為訓練集。提交后，insert函數進行數據歸一化并以隨機抽樣劃分訓練集和測試集，構建模型并將信息寫入數據庫的models 表。新構建的模型在列表中顯示，用戶可按條件查找、更新、查看、刪除模型。

管理員用戶能操作所有用戶所屬模型，包括默認模型，并查看模型的詳細參數。在模型詳情界面，管理員用戶額外展示“模型ID”和“所屬用戶”字段。模型更新流程與構建類似，但僅對已存在的模型進行改動。系統提供用戶友好的交互體驗，通過按鈕和搜索框使得模型管理更加靈活和高效。

3.4 信息交互模塊功能實現

信息交互模塊主要包括查看公告、發表帖子和留言等功能。該模塊使用Django 應用forum，并定義了Public_notice、Kind、Post、Reply 等4 個模型對應MySQL數據庫中的數據表。前端界面存放于templates/forum目錄下，靜態文件存放于static/AgriculturalSystem/forum目錄下。用戶可通過系統首頁的“我的論壇”組件或邊欄的“論壇”進入信息交互模塊主界面。

在主界面，用戶可瀏覽公告并使用導航欄的功能，如發布新帖、查看帖子分類和搜索帖子。管理員用戶享有額外的“分類管理”權限。帖子以列表形式展示，信息包括分類、標題、作者、發帖時間等，并按時間順序排列，支持通過標題或作者等條件進行搜索。

3.5 資料管理模塊功能實現

資料管理模塊旨在為用戶提供詳盡易操作的查閱服務，分為普通用戶和管理員用戶兩類。核心應用使用Django，主要應用名稱為library，包含3個緊密關聯的模型結構：Plantskills、Diseases in insect pests 和Variety typ pedigree，模型對應MySQL 數據庫中的數據表。系統包括增、刪、改、查等多重函數，以及在模板層創建了相應HTML頁面。

主界面分為3 個板塊：種植技巧、病蟲害防治及品種系譜。用戶可通過主頁或左側邊欄直接進入資料管理模塊。在種植技巧板塊，普通用戶可瀏覽與技巧相關資料，管理員在左下角找到錄入新資料按鈕進行維護。在種植技巧主界面，用戶可通過篩選和點擊標題查看詳細信息。管理員則可在通過重新編輯、刪除資料等按鈕進行修改或刪除操作。該設計保證了系統靈活性和便捷性，普通用戶輕松獲取知識，管理員高效管理和更新資料，確保數據完備和優質。

3.6 系統管理模塊功能實現

系統管理模塊是針對持有高權限的用戶所設計的，主要包括權限設定與用戶管理兩個關鍵環節。高級管理員和超級管理員可通過點擊系統主頁上的“系統管理”按鈕或者進入左側導航欄目下的“系統管理”標簽獲取相應界面。用戶的基本信息以簡潔的列表形式呈現，搜索框支持對用戶姓名或者昵稱的模糊查找。除此之外，界面還增設了諸如“新增用戶”“編輯”“刪除”“查閱用戶詳細資訊”等多種實用按鈕。至于角色權限的分配，只需要調整用戶信息界面中的“用戶權限”字段即可實現。

4 結語

本研究構建了功能完備、性能卓越的玉米水肥智能決策系統，以滿足玉米生長的水肥決策方面的需求。系統設計采用B/S架構和三層架構，確保系統的穩定性和高效性。數據庫以MySQL 為基礎，構建完備的表格關系模式，包括用戶數據、生產相關數據、模型參數、運行歷史記錄等核心實體對象，為系統的穩定性和可靠性奠定了基石。在系統功能實現方面，各模塊均得到實現，包括賬戶管理、數據管理、模型管理、信息交互、資料管理和系統管理，為用戶提供了全面的決策支持和交流互動平臺。