農業專家系統在武陵山片區油茶種植中的應用

周妮，丁湘陵，錢瑩晶

（懷化學院電氣與信息工程學院/武陵山片區生態農業智能控制湖南省重點實驗室，湖南懷化418008）

農業專家系統在武陵山片區油茶種植中的應用

周妮，丁湘陵，錢瑩晶

（懷化學院電氣與信息工程學院/武陵山片區生態農業智能控制湖南省重點實驗室，湖南懷化418008）

分析了武陵山片區油茶種植的現狀，提出了研究適用于此片區、此作物的農業專家系統.查閱了國內外相關資料，構建了目標系統模型.此系統的核心為SSH開發框架，以MyEclipse作為主要的開發工具，利用面向對象技術，將采集系統、專家系統等有機結合，實現對油茶種植狀態進行實時監測等功能.此系統的研究在武陵山片區油茶種植中具有較好的發展前景.

專家系統；紫蜂協議；人機交互

1 引言

油茶（Camellia deifera）又名油茶樹、茶子樹[1]，是我國特有的木本食用油樹種.2008年，國家出臺了《關于促進食用植物油產業健康發展保障供給安全的意見》，就明確指出要保障國家糧油安全，對油茶等特種油料作物加強管理，促進農業安全發展.

懷化地處湖南西南部，一年四季日照充足，且有足夠的雨水，為發展油茶產業提供必要條件.目前，懷化地區擁有油茶林121.96萬畝，懷化中方縣更有“油茶之鄉”的美稱.

由于部分新引種地區的栽培技術和管理措施不到位，油茶的日常管理問題日益突出，嚴重制約著油茶產業的發展.油茶生長數據的獲取是茶園管理的基礎，數據的準確性和實時性關系到油茶栽培的質量和效益.伴隨著武陵山片區油茶產業面積逐漸擴大，人工巡查工作量大與效率低的矛盾日益突顯，油茶生長數據監測實時性和全面性難以保證；且從業者能力水平參差不齊，不能夠正確分析判斷油茶生長、病蟲害實際情況，由于人員本身知識欠缺而導致的漏查、誤判情況時有發生.同時，油茶栽培者學習行業知識、獲取相關技能培訓途徑非常有限.地方農業部門具有良好的技術支持力量，但目前農技人員數量遠遠不能滿足產業發展的需求，且由于交通、氣候等因素造成咨詢、判斷、處置等環節存在時間和空間上的脫節；網絡涵蓋海量行業信息，但油茶栽培者普遍計算機應用基礎薄弱，難以在復雜繁冗的信息中尋找到針對性的有用知識，難以切實發揮其“萬能網絡”的真實作用.

因此從油茶種植和生產管理的實際需要出發，面向武陵山片區建立一個智能化、網絡化、實用化的油茶種植農業專家系統，符合我省現代化農業發展的政策導向，對降低污染和能耗、提高農作物產量和質量，有著十分重要的意義.

2 國內外研究現狀和發展趨勢

2.1 數據采集技術

信息的采集是實施種植信息化、智能化的關鍵和基礎，隨著采集設備和無線通信技術手段的不斷提高，經歷了從手工到自動再到智能的發展歷程[1].

無線傳感器網絡技術（Wireless Sensor Networks WSNs）在溫室環境應用、節水灌概應用、環境監測及動植物生理生態監測中等環境數據的采集方面具有一定的優勢，可用于農業生產的各個環節.

2.2 農業專家系統

專家系統（Expert System）是具有一定智能特點的計算機程序，其智能化主要表現為能夠在特定的領域內模仿人類專家思維來求解復雜問題[2].

專家系統產生于20世紀60年代中期，70年代末期，農業專家系統初露雛形.美國伊利諾斯州立大學研制成功大豆病蟲害診斷系統[3]；佛羅里達大學研究的大豆病蟲害防治專家系統、品種選擇專家系統[4]；美國賓夕法尼亞州立大學農業科學院專家系統發展組開發研制的系列果樹類軟件在美國各州全面推廣[5]；Kemp（人名）等[6]開發的蘋果病蟲害診斷專家系統、Buwalda（人名）和Smith（人名）等[7]開發的稱猴桃營養管理專家系統、Laurenson（人名）等[8]開發的果園精細灌溉和病害診斷系統投入生產中應用后，均帶來了經濟上的效益；美國農業部和全國棉花委員會合作開發了棉花綜合生產管理專家系統[9]；埃及農墾部聯合國糧農組織和發展計劃署共同發起了研制作物管理專家系統的項目，并建立農業專家系統中實驗室.

目前，農業專家系統的研究吸引了國內外大批的學者參與其中，極大地促進了我國農業信息化建設的進程，但在其發展過程中仍存在如下的問題：

①性能達不到真正指導作業的要求.目前研究的農業專家系統，沒有針對武陵山片區的特殊氣候環境進行調研，大部分處在科學院及其試點應用，沒有真正應用于油茶林.

②系統開發者未考慮使用者的專業水平.目前研究的農業專家系統功能復雜，操作難度較大，對于計算機基礎較差的茶農推廣起來較難.

③知識獲取困難.農業信息量龐大，由于農業信息網絡和數據庫建設滯后，專家系統無法及時更新最新知識，使用者無法有效合理使用農業信息.

圖1 系統工作原理圖

圖2 信息監測與采集系統結構圖

圖3 油茶專家系統總體框架圖

3 研究方案

3.1 研究目標

目標系統的工作原理如圖1所示.

首先對油茶的生長環境和生長情況進行數據采集；然后對采集到的數據進行分析，同時結合人工智能技術給出適合油茶生長的實施方案；最后，用戶通過訪問專家系統，查詢和獲取基本的油茶領域知識.

3.2 系統實現的關鍵技術

3.2.1 油茶生長環境監測與數據采集系統

武陵山片區地理環境多為山地，且茶林面積巨大，光纖等信息基礎建設薄弱.考慮到功耗與成本，網絡的通信方式應盡可能選擇低成本、低速率、低功耗的通信技術.比較有線和無線兩種連接方式可知：雖然有線連接穩定性相對較高，但大量的布線使系統的開發和維護成本增加；而無線方式能耗、成本更低，維護相對容易.

圖4 生長環境監測頁面

圖5 信息管理頁面

因此系統可以采用主要適用于自動控制和遠程監測控制領域的Zigbee（是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，又名紫蜂協議[10]）協議進行組網.油茶林數據采集與監測系統結構圖如圖2.

3.2.2 油茶專家系統平臺開發

根據目標系統的工作原理，油茶專家系統分為3個子系統：油茶生長環境監測系統、油茶病蟲害診斷系統和農業信息管理.油茶專家系統總體框架如圖3.

此項目的3個子系統均基于Web頁面（互聯網頁面，萬維網上的一個按照HTML格式組織起來的文件[11]），都是采用Java語言（是一種跨平臺、適合于分布式計算的、面向對象的編程語言[12]）開發的，因為該系統處在同一硬件平臺之下，所以可以整合到同一項目之中.

圖6 環境數據報表頁面

4 系統界面及測試數據

4.1 生長環境監測頁面

生長環境監測頁面如圖4所示.

在這個頁面上，系統能夠有效地定位監測地址，并且在地圖上標識出來；能實時顯示當前區域的空氣溫度、濕度、光照強度、土壤的溫度、濕度等相關信息，并對這些信息與系統里面存儲的油茶生長環境信息做出相應分析.

4.2 信息管理頁面

信息管理頁面如圖5所示.

在這個頁面上系統能夠存儲一個月甚至更長時間系統監測到的室外溫度、濕度、光照、風速等相關信息，能夠記錄這段時間里系統報警的記錄，能夠提供用戶日志，以便做出分析比較.

4.3 環境數據報表頁面

環境數據報表頁面如圖6所示.

在這個頁面上系統將一個月內監測到的室外溫度、濕度、光照強度以及土壤溫度、濕度等相關信息以報表的形式展現出來，能夠將這段時間里系統報警的記錄以報表的形式展現.通過分析比較可以有效地掌握油茶林的生長情況.

5 結論

由于研究時間和經費的限制，此系統目前還沒廣泛用于武陵山區的油茶林.測試的數據是在懷化學院逸夫樓的溫室大棚進行的.經過測試，該系統監測的數據與實際數據基本吻合，系統存儲的數據也可以長時間保留用作對比分析.

油茶專家系統已經完成了生長環境監測系統及數據管理系統的研究.接下來的工作將會對油茶林病蟲害信息做出調查，將診斷系統加以完善.

目前國內市面上還沒有一個面向武陵山片區油茶種植的集數據采集、處理、傳輸、儲存、智能決策于一體精細農業專家系統.而由于作業方式、作物種類、地域特點以及生產規模的不同，國外系統很難直接引用.因此，針對武陵山片區地域特色，研究建立符合片區特點、簡單易用的油茶種植精細農業專家系統，對發展武陵山片區農業信息化建設具有重要理論價值，對提高我省的農業信息化水平具有重要意義.

[1]黎麗.遂川縣油茶種植氣候區劃及生產建議[J].現代農業科技，2009（24）：281，284.

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[4]H.W.Beck，P.Jones，J.W.Jones.SOYBUG：An Expert System for Soybean Insect Pest Management[J].Agricultural Systems，1989，30：269-286.

[5]劉后勝，李紹穩，劉莉.專家系統及其在果樹學上的應用[J].計算機與農業，2003（3）：3-15.

[6]R.H.Kemp，T.M.Stewart，A.Boorma.AnExpertSystemfor Diagnosis of Pests，Diseases，and Disorders in Apple Crops[J]. NewZealand Journal ofCrop and Horticultural Seienee，1989，17（l）：89-96.

[7]J.G.Buwalda，G.Smith.Kiwifruit Nutrition Management Service：a Mathematical Model and Data base for Commercial Consultancy [J].Acta Horticulture，1990，276：79-86.

[8]M.R.Laurenson.ODE-OrchardDecisionEnvironment[J].Aeta Horticulture，1990，276：301-304.

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[10]周政.BP神經網絡的發展現狀綜述[J].山西電子技術，2008（2）：90-92.

[11]湛湘倩，狄文輝，孫冬.基于SSH框架與AJAX技術的Java Web應用開發[J].計算機工程與設計，2009（10）：2590-2592.

[12]李峰，劉彥隆.基于SSH框架與jQuery技術的Java Web開發應用[J].科技情報開發與經濟，2010（6）：106-108.

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

武陵山片區生態農業智能控制湖南省重點實驗室資助項目（ZNKZ2016-06）；湖南省科技計劃項目資助（2016NK3158）；湖南省科技廳計劃項目資助（2015NK2155-2）.

周妮，1980年生，女，湖南益陽人，講師，研究方向：通訊技術.