農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在武陵山片區(qū)油茶種植中的應(yīng)用

周妮，丁湘陵，錢(qián)瑩晶

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院/武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008）

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在武陵山片區(qū)油茶種植中的應(yīng)用

周妮，丁湘陵，錢(qián)瑩晶

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院/武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南懷化418008）

分析了武陵山片區(qū)油茶種植的現(xiàn)狀，提出了研究適用于此片區(qū)、此作物的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng).查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，構(gòu)建了目標(biāo)系統(tǒng)模型.此系統(tǒng)的核心為SSH開(kāi)發(fā)框架，以MyEclipse作為主要的開(kāi)發(fā)工具，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將采集系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)油茶種植狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能.此系統(tǒng)的研究在武陵山片區(qū)油茶種植中具有較好的發(fā)展前景.

專家系統(tǒng)；紫蜂協(xié)議；人機(jī)交互

1 引言

油茶（Camellia deifera）又名油茶樹(shù)、茶子樹(shù)[1]，是我國(guó)特有的木本食用油樹(shù)種.2008年，國(guó)家出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)食用植物油產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展保障供給安全的意見(jiàn)》，就明確指出要保障國(guó)家糧油安全，對(duì)油茶等特種油料作物加強(qiáng)管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)安全發(fā)展.

懷化地處湖南西南部，一年四季日照充足，且有足夠的雨水，為發(fā)展油茶產(chǎn)業(yè)提供必要條件.目前，懷化地區(qū)擁有油茶林121.96萬(wàn)畝，懷化中方縣更有“油茶之鄉(xiāng)”的美稱.

由于部分新引種地區(qū)的栽培技術(shù)和管理措施不到位，油茶的日常管理問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.油茶生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的獲取是茶園管理的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性關(guān)系到油茶栽培的質(zhì)量和效益.伴隨著武陵山片區(qū)油茶產(chǎn)業(yè)面積逐漸擴(kuò)大，人工巡查工作量大與效率低的矛盾日益突顯，油茶生長(zhǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和全面性難以保證；且從業(yè)者能力水平參差不齊，不能夠正確分析判斷油茶生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害實(shí)際情況，由于人員本身知識(shí)欠缺而導(dǎo)致的漏查、誤判情況時(shí)有發(fā)生.同時(shí)，油茶栽培者學(xué)習(xí)行業(yè)知識(shí)、獲取相關(guān)技能培訓(xùn)途徑非常有限.地方農(nóng)業(yè)部門(mén)具有良好的技術(shù)支持力量，但目前農(nóng)技人員數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，且由于交通、氣候等因素造成咨詢、判斷、處置等環(huán)節(jié)存在時(shí)間和空間上的脫節(jié)；網(wǎng)絡(luò)涵蓋海量行業(yè)信息，但油茶栽培者普遍計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱，難以在復(fù)雜繁冗的信息中尋找到針對(duì)性的有用知識(shí)，難以切實(shí)發(fā)揮其“萬(wàn)能網(wǎng)絡(luò)”的真實(shí)作用.

因此從油茶種植和生產(chǎn)管理的實(shí)際需要出發(fā)，面向武陵山片區(qū)建立一個(gè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)用化的油茶種植農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，符合我省現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策導(dǎo)向，對(duì)降低污染和能耗、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，有著十分重要的意義.

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

信息的采集是實(shí)施種植信息化、智能化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，隨著采集設(shè)備和無(wú)線通信技術(shù)手段的不斷提高，經(jīng)歷了從手工到自動(dòng)再到智能的發(fā)展歷程[1].

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks WSNs）在溫室環(huán)境應(yīng)用、節(jié)水灌概應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測(cè)及動(dòng)植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)中等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié).

2.2 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert System）是具有一定智能特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)程序，其智能化主要表現(xiàn)為能夠在特定的領(lǐng)域內(nèi)模仿人類專家思維來(lái)求解復(fù)雜問(wèn)題[2].

專家系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代中期，70年代末期，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)初露雛形.美國(guó)伊利諾斯州立大學(xué)研制成功大豆病蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)[3]；佛羅里達(dá)大學(xué)研究的大豆病蟲(chóng)害防治專家系統(tǒng)、品種選擇專家系統(tǒng)[4]；美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)院專家系統(tǒng)發(fā)展組開(kāi)發(fā)研制的系列果樹(shù)類軟件在美國(guó)各州全面推廣[5]；Kemp（人名）等[6]開(kāi)發(fā)的蘋(píng)果病蟲(chóng)害診斷專家系統(tǒng)、Buwalda（人名）和Smith（人名）等[7]開(kāi)發(fā)的稱猴桃營(yíng)養(yǎng)管理專家系統(tǒng)、Laurenson（人名）等[8]開(kāi)發(fā)的果園精細(xì)灌溉和病害診斷系統(tǒng)投入生產(chǎn)中應(yīng)用后，均帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)上的效益；美國(guó)農(nóng)業(yè)部和全國(guó)棉花委員會(huì)合作開(kāi)發(fā)了棉花綜合生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)[9]；埃及農(nóng)墾部聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和發(fā)展計(jì)劃署共同發(fā)起了研制作物管理專家系統(tǒng)的項(xiàng)目，并建立農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)室.

目前，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究吸引了國(guó)內(nèi)外大批的學(xué)者參與其中，極大地促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)的進(jìn)程，但在其發(fā)展過(guò)程中仍存在如下的問(wèn)題：

①性能達(dá)不到真正指導(dǎo)作業(yè)的要求.目前研究的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，沒(méi)有針對(duì)武陵山片區(qū)的特殊氣候環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，大部分處在科學(xué)院及其試點(diǎn)應(yīng)用，沒(méi)有真正應(yīng)用于油茶林.

②系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者未考慮使用者的專業(yè)水平.目前研究的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)功能復(fù)雜，操作難度較大，對(duì)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)較差的茶農(nóng)推廣起來(lái)較難.

③知識(shí)獲取困難.農(nóng)業(yè)信息量龐大，由于農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)滯后，專家系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)更新最新知識(shí)，使用者無(wú)法有效合理使用農(nóng)業(yè)信息.

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

圖2 信息監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 油茶專家系統(tǒng)總體框架圖

3 研究方案

3.1 研究目標(biāo)

目標(biāo)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.

首先對(duì)油茶的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合人工智能技術(shù)給出適合油茶生長(zhǎng)的實(shí)施方案；最后，用戶通過(guò)訪問(wèn)專家系統(tǒng)，查詢和獲取基本的油茶領(lǐng)域知識(shí).

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 油茶生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

武陵山片區(qū)地理環(huán)境多為山地，且茶林面積巨大，光纖等信息基礎(chǔ)建設(shè)薄弱.考慮到功耗與成本，網(wǎng)絡(luò)的通信方式應(yīng)盡可能選擇低成本、低速率、低功耗的通信技術(shù).比較有線和無(wú)線兩種連接方式可知：雖然有線連接穩(wěn)定性相對(duì)較高，但大量的布線使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本增加；而無(wú)線方式能耗、成本更低，維護(hù)相對(duì)容易.

圖4 生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面

圖5 信息管理頁(yè)面

因此系統(tǒng)可以采用主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域的Zigbee（是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，又名紫蜂協(xié)議[10]）協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng).油茶林?jǐn)?shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.

3.2.2 油茶專家系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的工作原理，油茶專家系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)：油茶生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油茶病蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)信息管理.油茶專家系統(tǒng)總體框架如圖3.

此項(xiàng)目的3個(gè)子系統(tǒng)均基于Web頁(yè)面（互聯(lián)網(wǎng)頁(yè)面，萬(wàn)維網(wǎng)上的一個(gè)按照HTML格式組織起來(lái)的文件[11]），都是采用Java語(yǔ)言（是一種跨平臺(tái)、適合于分布式計(jì)算的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言[12]）開(kāi)發(fā)的，因?yàn)樵撓到y(tǒng)處在同一硬件平臺(tái)之下，所以可以整合到同一項(xiàng)目之中.

圖6 環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)表頁(yè)面

4 系統(tǒng)界面及測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1 生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面

生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面如圖4所示.

在這個(gè)頁(yè)面上，系統(tǒng)能夠有效地定位監(jiān)測(cè)地址，并且在地圖上標(biāo)識(shí)出來(lái)；能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前區(qū)域的空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤的溫度、濕度等相關(guān)信息，并對(duì)這些信息與系統(tǒng)里面存儲(chǔ)的油茶生長(zhǎng)環(huán)境信息做出相應(yīng)分析.

4.2 信息管理頁(yè)面

信息管理頁(yè)面如圖5所示.

在這個(gè)頁(yè)面上系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)一個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的室外溫度、濕度、光照、風(fēng)速等相關(guān)信息，能夠記錄這段時(shí)間里系統(tǒng)報(bào)警的記錄，能夠提供用戶日志，以便做出分析比較.

4.3 環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)表頁(yè)面

環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)表頁(yè)面如圖6所示.

在這個(gè)頁(yè)面上系統(tǒng)將一個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)到的室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及土壤溫度、濕度等相關(guān)信息以報(bào)表的形式展現(xiàn)出來(lái)，能夠?qū)⑦@段時(shí)間里系統(tǒng)報(bào)警的記錄以報(bào)表的形式展現(xiàn).通過(guò)分析比較可以有效地掌握油茶林的生長(zhǎng)情況.

5 結(jié)論

由于研究時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，此系統(tǒng)目前還沒(méi)廣泛用于武陵山區(qū)的油茶林.測(cè)試的數(shù)據(jù)是在懷化學(xué)院逸夫樓的溫室大棚進(jìn)行的.經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可以長(zhǎng)時(shí)間保留用作對(duì)比分析.

油茶專家系統(tǒng)已經(jīng)完成了生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究.接下來(lái)的工作將會(huì)對(duì)油茶林病蟲(chóng)害信息做出調(diào)查，將診斷系統(tǒng)加以完善.

目前國(guó)內(nèi)市面上還沒(méi)有一個(gè)面向武陵山片區(qū)油茶種植的集數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、儲(chǔ)存、智能決策于一體精細(xì)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng).而由于作業(yè)方式、作物種類、地域特點(diǎn)以及生產(chǎn)規(guī)模的不同，國(guó)外系統(tǒng)很難直接引用.因此，針對(duì)武陵山片區(qū)地域特色，研究建立符合片區(qū)特點(diǎn)、簡(jiǎn)單易用的油茶種植精細(xì)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，對(duì)發(fā)展武陵山片區(qū)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)具有重要理論價(jià)值，對(duì)提高我省的農(nóng)業(yè)信息化水平具有重要意義.

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Research on Camellia Planted Agricultural Expert System in Wuling Mountain Area

ZHOU Ni，DING Xiang-ling，QIAN Ying-jing
（Electrical and Information Engineering College/Hunan Provincial Key Laboratory of Ecological Agriculture Intelligent Control Technology，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418008）

This paper analyzed the current situation of the Wuling mountain area of tea planting and put forward the research of agricultural expert system applicable to the crops in this area.Based on the relevant information at home and abroad，the model of the target system was constructed.This model used object-oriented technology，using Java language，MyEclipse as development tool with the mainstream SSH development framework as the core，the crop pest control system，diagnosis system and crop management system of organic integration.The operation interface was simple and clear.Users needed no special training，no professional agricultural knowledge and computer knowledge and could make various types of access to the platform，query and diagnosis of diseases and insect pests.This system had good prospects for development in tea planting in Wuling Mountain area.

expert system；Zegbee；human-computer interaction

S126

A

1671－9743（2017）05－0050－04

2016-11-28

武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（ZNKZ2016-06）；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（2016NK3158）；湖南省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015NK2155-2）.

周妮，1980年生，女，湖南益陽(yáng)人，講師，研究方向：通訊技術(shù).