基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺研究

敫　健，張　娜，2，劉文釗（.北京農(nóng)學(xué)院，北京　昌平　02206；2.北京農(nóng)村遠(yuǎn)程信息服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京　昌平　02206）

?

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺研究

敫健1，張娜1，2，劉文釗1
（1.北京農(nóng)學(xué)院，北京昌平102206；2.北京農(nóng)村遠(yuǎn)程信息服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京昌平102206）

摘要：為了使當(dāng)今大多數(shù)設(shè)施蔬菜所面臨的農(nóng)業(yè)種植網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)比較落后、不能科學(xué)的利用先進的技術(shù)手段來輔助農(nóng)業(yè)的管理及種植的局面有所改變，根據(jù)設(shè)施蔬菜種植管理需求特點，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺.信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用是農(nóng)業(yè)的主流發(fā)展趨勢，應(yīng)用平臺研究為物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)業(yè)信息化的應(yīng)用提供了更有意義的選擇，農(nóng)技人員也可以根據(jù)傳感器獲取的作物信息進行作物成熟度及環(huán)境因子的查看.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；成熟度預(yù)測；農(nóng)業(yè)信息化平臺

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，設(shè)施大棚內(nèi)高度智能化的管理、實時環(huán)境數(shù)據(jù)的精確獲取以及高效的農(nóng)業(yè)自動化已經(jīng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中逐漸普及開來.由于計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展緩慢所致，農(nóng)技人員在種植過程中，不能直觀、準(zhǔn)確的對作物進行生育期的預(yù)測及評價，雖然已有少數(shù)的農(nóng)業(yè)種植管理平臺，但由于平臺的設(shè)計沒有與農(nóng)業(yè)種植實際相結(jié)合，導(dǎo)致平臺中的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相脫離，導(dǎo)致管理效率低、數(shù)據(jù)沒有參考價值等諸多問題，外加農(nóng)技人員并不熟悉復(fù)雜的平臺界面導(dǎo)致了用戶體驗差的結(jié)果.

目前有不少研究機構(gòu)和學(xué)者也開展了蔬菜管理相關(guān)平臺，所建設(shè)的平臺大多依托于數(shù)據(jù)的人工輸入，并不能保證設(shè)施蔬菜中環(huán)境因子的實時的準(zhǔn)確性，以及在多數(shù)管理平臺中沒有友好的用戶體驗.所以，多數(shù)農(nóng)業(yè)種植管理中的問題沒有得到完善.為解決農(nóng)業(yè)管理信息化所遇到的問題，設(shè)計研究如下平臺：平臺中蔬菜作物關(guān)鍵生育期在線推演功能通過對獲取數(shù)據(jù)的分析得出蔬菜的成熟度，方便農(nóng)戶預(yù)測采收期并采摘.而本應(yīng)用平臺采用數(shù)據(jù)采集層、通訊層和管理層的三層的總體框架來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取以及分析，從根本上解決了數(shù)據(jù)獲取的不及時的問題.

無論是政府相關(guān)門，還是相關(guān)農(nóng)業(yè)從業(yè)者.立足于物聯(lián)網(wǎng)，搭建設(shè)施蔬菜種植過程的在線推演系統(tǒng)，這是從業(yè)者可以確定收獲日期，提高工作效率的一個新的途徑.

1　應(yīng)用平臺總體框架

設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺主要由數(shù)據(jù)采集層、通訊層和管理層三層組成.

數(shù)據(jù)采集層主要是對溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑ig-Bee匯聚節(jié)點，ZigBee匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)的處理后經(jīng)由通訊層的GPRS網(wǎng)絡(luò)或3G/4G網(wǎng)絡(luò)向管理層的遠(yuǎn)程服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器獲取到環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解析，并將其存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫mySQL中，通過設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺實現(xiàn)蔬菜生長過程數(shù)字信息化展示、成熟度計算等功能.如下圖1所示.

圖1　設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺總體架構(gòu)圖

2　相關(guān)技術(shù)

Jfan架構(gòu)簡介Jfan是Java Web環(huán)境中Model-View -Control（MVC模式）開發(fā)的新的框架.MVC的系統(tǒng)開發(fā)分為三層：View層、Control層、Model層.三層相互關(guān)聯(lián)、依托.

View層是用的Freemarker模板引擎.FreeMarker是一個用Java語言編寫的模板引擎，它基于已成型的模板來生成文本輸出.FreeMarker與Web容器無關(guān)，即在Web運行時，它并不知道Servlet或HTTP.它可以用于生成XML，JSP或Java等格式文件，是一種表現(xiàn)層的實現(xiàn)技術(shù).

Control層用的是Jfan框架中的Action的方法控制跳轉(zhuǎn)及邏輯處理.控制層中的接受用戶的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的需求，所以當(dāng)單擊Web頁面中的超鏈接和發(fā)送HTML表單時，控制器本身不輸出任何東西和做任何處理.它只是接收請求并決定調(diào)用哪個模型構(gòu)件去處理請求，然后再確定用哪個視圖來顯示返回的數(shù)據(jù).

Model層用的是Jfan框架中編寫的Model類作為父類，實體類繼承該類.通過配置系統(tǒng)中的配置文件和這個子類對象關(guān)系映射（ORMapping），在初始化本系統(tǒng)的時會加載并解析配置文件.

3　系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)功能設(shè)計

應(yīng)用平臺功能如下圖2：

圖2　設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺的設(shè)計主要采用JFan框架和B/S架構(gòu)結(jié)合開發(fā)的設(shè)計思想.總體的設(shè)計思想如下：本應(yīng)用平臺面向有計算機基礎(chǔ)的農(nóng)技從業(yè)人員及企業(yè)用戶，主要用于對設(shè)施蔬菜種植的基礎(chǔ)信息的實時觀測，以及成熟度的計算，生育期的推算、預(yù)測.系統(tǒng)用戶登錄以后，根據(jù)自身權(quán)限與需求，選擇將要查看的模型.該平臺主要包括4個模型：蔬菜關(guān)鍵生育期種植指導(dǎo)模型、蔬菜成熟度預(yù)測模型、蔬菜作物環(huán)境因子有效積累模型、蔬菜綜合商品性狀及生育期矯正模型.

4　模型介紹

4.1蔬菜關(guān)鍵生育期種植指導(dǎo)模型

蔬菜關(guān)鍵生育期種植指導(dǎo)模型.用于幫助平臺使用人員查看當(dāng)前種植蔬菜生育期，在平臺中會顯示有當(dāng)前生育期所遇到的種植方面的提示，指導(dǎo)農(nóng)戶種植.

在種植過程中，隨時關(guān)注蔬菜生育期的變化是保證蔬菜健康生長的必要條件，通過查看生育期及提示，可以及時提示平臺使用者對當(dāng)前生育期的蔬菜的進行相適宜的處理，以確保蔬菜在相對適宜的環(huán)境下生長.

4.2蔬菜成熟度預(yù)測模型

蔬菜的商品性狀是蔬菜在生長過程中所表現(xiàn)出來的形態(tài)結(jié)構(gòu)，生理特征，行為習(xí)慣等具有的各種特征.平臺中可以查看天氣預(yù)報、當(dāng)前作物生長情況、成熟特性、蔬菜積溫進度條.

選擇此模型后，通過積溫等參數(shù)帶入成熟度計算公式，可以得出當(dāng)前蔬菜的成熟情況.

其中d為成熟需要的天數(shù)；Ad為當(dāng)前有效積溫，Ae為采收所需積溫，dn為成熟所需天數(shù).

成熟度預(yù)測流程圖如下圖3所示.

圖3　成熟度預(yù)測流程圖

4.3蔬菜作物環(huán)境因子有效積累模型

蔬菜作物環(huán)境因子有效積累模型用來顯示設(shè)施蔬菜的有效積累的數(shù)據(jù)，并以可視化的圖表方式在頁面顯示，主要顯示空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度等.

模型包括6種環(huán)境因子的數(shù)據(jù)的展示，展示的方式是以統(tǒng)計圖表的方式展示的.

4.4蔬菜綜合商品性狀及生育期矯正模型

用戶選擇本模型查看蔬菜作物的商品性狀信息，可以一目了然的看到所選擇區(qū)域種植作物種植的情況、當(dāng)前作物所處生育期等，利用設(shè)施蔬菜大棚中所獲取的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，由模型中公式計算得出便于用戶判斷是否該對蔬菜進行操作的提示.由于種植過程環(huán)境因子的多變性，應(yīng)用平臺對生育期判定會出現(xiàn)誤差，所以在本模型中配有生育期矯正功能，以對之后種植中生育期預(yù)測有指導(dǎo)作用.

具體功能如下圖4展示：

圖4　蔬菜作物產(chǎn)品形成智能推演模型

理論采收期是根據(jù)某個已經(jīng)確定生育期的蔬菜（例如：黃瓜），蔬菜倒數(shù)第二個生育期是理論采收期.

倒數(shù)第二個生育期的字段數(shù)值由“（1-當(dāng)前積溫總和/積溫）”得出并取整，以上公式可以計算出預(yù)計推遲/提前天數(shù).從平臺數(shù)據(jù)庫表中查找倒數(shù)第二個生育期并存入字段中.此公式直接存入程序中.

5　數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的核心.蔬菜生產(chǎn)數(shù)據(jù)屬于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括方法、圖片數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)庫.方法、圖片數(shù)據(jù)庫主要包括推理公式、蔬菜圖片；數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)庫包括：用戶/用戶身份數(shù)據(jù)、傳感器信息數(shù)據(jù)、傳感器獲取信息數(shù)據(jù)、蔬菜信息數(shù)據(jù)、蔬菜品種信息數(shù)據(jù).在本平臺的設(shè)計中，通過關(guān)鍵字實現(xiàn)圖屬掛接.

6　開發(fā)環(huán)境介紹

本平臺是在Windows 7環(huán)境下，采用Java 2 Platform Enterprise Edition（J2EE）平臺和MySQL相結(jié)合共同開發(fā)的.

應(yīng)用平臺采用了目前業(yè)內(nèi)主流的B/S結(jié)構(gòu)平臺以及Java Web動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù).客戶端計算機上安裝通用的瀏覽器（例如Windows操作系統(tǒng)的Internet Explorer）用戶通過使用虛擬專用網(wǎng)（VPN）用瀏覽器向WEB服務(wù)器發(fā)出業(yè)務(wù)處理請求，WEB服務(wù)器收到請求后，如果需要業(yè)務(wù)處理，就調(diào)用業(yè)務(wù)處理組件，訪問數(shù)據(jù)庫，然后將處理后的結(jié)果形成HTML格式的信息返回瀏覽器進行顯示.

6.1開發(fā)工作環(huán)境

本應(yīng)用平臺是利用集成開發(fā)環(huán)境Eclipse，以J2EE平臺為核心，J2EE是一種利用Java 2平臺來簡化企業(yè)解決方案的開發(fā)、部署和管理相關(guān)的復(fù)雜問題的體系結(jié)構(gòu).

6.2數(shù)據(jù)庫管理軟件

本系統(tǒng)采用瑞典MySQL AB公司開發(fā)，目前屬于Oracle旗下公司的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)mySQL作為本應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)庫管理軟件.

7　平臺實現(xiàn)

應(yīng)用平臺主要依托于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，并且通過傳感器獲取實際環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用平臺計算，獲得蔬菜種植相關(guān)的信息，方便種植管理者對該地區(qū)蔬菜種植管理.應(yīng)用平臺采用界面友好的頁面設(shè)計方式，方便用戶操作.

8　系統(tǒng)特點

（1）數(shù)據(jù)采集自動化：本平臺數(shù)據(jù)采集層采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建節(jié)點，通過相應(yīng)傳感器自動采集數(shù)據(jù)，具有實時性高、功耗低、安全性高、準(zhǔn)確性高等特點.

（2）系統(tǒng)架構(gòu)組成：系統(tǒng)由三個層次組成，分別為數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層，這樣擴展性及封裝復(fù)用性比較強、安全穩(wěn)定等.

（3）應(yīng)用平臺展示多樣性：設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺展示系統(tǒng)是對針對不同企業(yè)對獲取數(shù)據(jù)以圖表方式的不同展示，應(yīng)用平臺以種方式展示各個生育期作物產(chǎn)品形態(tài)建成模型所涉及數(shù)據(jù)，從而針對不同客戶滿足不同市場的需求.

（4）靈活的組織結(jié)構(gòu)與用戶角色設(shè)置：應(yīng)用平臺的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，能滿足多種類用戶不同操作需求，多重角色的靈活設(shè)置與蔬菜信息管理等功能，便于不同規(guī)模組織架構(gòu)的農(nóng)業(yè)企業(yè)使用.

（5）對作物生育期的智能推演：應(yīng)用平臺中通過傳感器設(shè)備對獲取的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，通過積溫等參數(shù)帶入公式計算，可以得出當(dāng)前選擇的作物所處的生育期.通過數(shù)據(jù)庫中公式推算，可以推算出理論采收期、預(yù)計推遲/提前天數(shù)等方便用戶生產(chǎn)操作的信息.

9　結(jié)果與討論

本文探討了設(shè)施蔬菜形態(tài)建成模型應(yīng)用平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，較好地綜合了蔬菜生長過程中商品性狀信息及環(huán)境因子數(shù)據(jù)有效積累各項數(shù)據(jù)展示、成熟度計算以及蔬菜當(dāng)前生育期預(yù)測，平臺的建立能夠提高蔬菜生產(chǎn)管理與服務(wù)的信息化、科學(xué)化和現(xiàn)代化水平，實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)過程中的信息，通過應(yīng)用平臺直接服務(wù)于操作人員的目的.平臺立足于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器傳回信息在平臺端進行數(shù)據(jù)展示.在成熟度計算中通過數(shù)據(jù)運算分析，可以得出所查看蔬菜的成熟度.查看蔬菜生長環(huán)境，方便用戶保存種植蔬菜的有效信息，方便所種植蔬菜的數(shù)據(jù)積累、科學(xué)研究，在實際應(yīng)用方面可以便于農(nóng)技人員管理作物的采摘期，提高收獲效率.

參考文獻(xiàn):

〔1〕頓文濤.物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2013.

〔2〕王鳳利.當(dāng)前壩上蔬菜信息管理平臺.河北北方學(xué)院學(xué)報，2013.

〔3〕楊寶祝農(nóng)業(yè)企業(yè)信息管理系統(tǒng)的研究.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2007.

〔4〕王磊.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中綜合信息管理系統(tǒng)的設(shè)計.山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

〔5〕王魯.家庭農(nóng)場信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015.

〔6〕高國忠.基于J2EE和MVC模式的企業(yè)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，2005.

〔7〕張猛.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013.

〔8〕周紅偉.基于ZigBee技術(shù)的葡萄大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究.東華大學(xué)碩士論文，2013.

〔9〕肖靜.作物發(fā)育期積溫計算方法及其穩(wěn)定性.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，2010.

〔10〕陳紅艷.蔬菜安全生產(chǎn)管理與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計及實現(xiàn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010.

收稿日期：2015-10-25

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0046-03