數字果業綜合信息管理平臺的設計與實現

張瑞 朱春燕 劉暢 徐識溥

摘要：隨著信息化進程在農業領域的快速推進，人們對農業生產過程中的信息需求越來越多。筆者以果業為背景，針對果業種植過程中信息服務需求，設計開發了一個基于Coral組件架構的數字果業綜合信息管理平臺。該平臺分為數據采集層、服務層、應用層。在此基礎上，設計的系統功能結構有農業物聯網監控管理、種植生產管理、專家遠程服務、農產品安全溯源與農產品網上商城5個功能模塊。該平臺為果業從業人員提供相關的技術服務、信息資訊以及規范標準，對推動果業種植過程信息化具有十分重要的意義。

關鍵詞：Coral；數字果業；綜合信息管理平臺；監控管理；生產管理；專家遠程服務

中圖分類號：S24文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0136

Design and Implementation of Digital Fruit Industry Integrated Information Management Platform： Based on Coral Component Architecture

Zhang Rui1，2， Zhu Chunyan3， Liu Chang4， Xu Shipu5，6

（1School of Agriculture and Biology， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China； 2Key Laboratory of Urban Agriculture （South）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Shanghai 200240， China； 3Shanghai Quality Safety Center of Agriculture Products， Shanghai 201708， China； 4School of Information Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， Jiangxi， China； 5Agricultural Information Institutes of Science and Technology， Shanghai Academy of Agriculture Sciences， Shanghai 201403， China；6Shanghai Engineering Research Center of Information Technology in Agriculture， Shanghai 201403， China）

Abstract： People need more related information during agricultural production. This paper takes the fruit industry as the background， and designs and develops a digital fruit industry comprehensive information management platform based on the Coral component architecture for the information service in the fruit industry planting process. The platform is divided into data acquisition layer， service layer and application layer. On this basis， the functional structure of the designed system includes 4 functional modules including agricultural Internet of Things monitoring management， planting production management， expert remote service and agricultural products online shopping mall. The platform provides relevant technical services， information， and norms for fruit industry practitioners. It is of great significance to promote the informatization of the fruit industry planting process.

Keywords： Coral； digital fruit； Comprehensive Information Management Platform； Monitoring Management； Production Management； Expert Remote Service

0引言

在農業發展中，農民增收的重要來源是經濟作物種植，而果業種植是經濟作物種植的重要組成部分。但是在果業發達地區（如陜北地區）中農業信息化程度較低，農村發展比較落后，果業種植者獲取科學種植信息、市場信息的能力比較薄弱[1-2]。長期以來，果業采收部門一直采用傳統的方式進行果業資源管理，各項數據還停留在紙質化管理階段[3]。應用現代農業信息化的技術手段，對土壤資源、氣象氣候資源、品種資源等進行統一標準化管理，提升智慧農業管理工作的信息化和現代化水平，建成融數據采集、數字傳輸網絡、數據分析處理為一體的數字驅動的農業資源管理體系，促進農業生產管理的數字化、網絡化和自動化[4-5]。

Coral組件是基于J2EE的一個開發框架，該框架主要采用Spring、SrpingMVC和Mybatis開發技術，并集成了組件庫產品，完全符合MVC開發模式的要求，已經在檔案系統、行政審批系統、辦公自動化系統等項目和產品中廣泛應用，目前已趨于成熟[6-7]。該架構的應用可以大大提高應用系統的性能和穩定性，并減少后期維護工作量。

Coral組件包括js組件、image組件、css組件、tag組件、界面模板組件、工具組件、子系統組件、基礎組件、組件發布平臺等部分，可應用于信息系統開發的各層面。組件庫將系統處理過程中的通用功能（界面處理、數據庫連接池、數據訪問、文件處理、消息處理、例外日志、標簽庫、數據庫自定義等）進行抽象，具有良好繼承性和擴展性的類基礎架構，封裝了產品研發項目和應用開發項目中共性的功能[8]。在后續的產品研發和開發中也可調用基礎組件平臺中各類組件進行開發建設，提高軟件開發效率和質量[9-10]。

Coral組件平臺提供了良好的前臺展示功能，基于jquery1.9+開發，同時也結合了標簽技術。Coral組件平臺目前提供了表單類、表格類、導航類、其他類4類組件，如圖1所示。部分組件樣式如圖2所示。通過調用基礎組件平臺中的組件快速形成的軟件系統界面框架如圖3所示[11]。

除各類基礎組件外，基礎組件平臺提供了完善的調用例子程序和二次開發手冊，所有組件的培訓教材、二次開發手冊、產品示例、界面原型等都能夠方便的從平臺上獲取[12-13]。

總的來說，基礎組件平臺具有如下優勢[14]。

（1）既包括邏輯層組件，也包括表示層組件；既可以起到規范開發接口的作用，也可以起到統一應用系統界面的作用。其中表示層組件包含表單類、表格類、導航類、其他類4類，并且隨著平臺的不斷升級和完善，組件的數量不斷增加，為各類不同的項目提供基礎支撐。

（2）所有組件兼容目前所有主流的瀏覽器，具體包括IE、Chrome、Firefox、Safari、Opera以及以這5種瀏覽器為內核的其他瀏覽器。所有的組件在不同瀏覽器系統的界面上展現效果一致，極大地提升了用戶體驗。

（3）所有的組件控件都支持拖拽操作的屬性、事件和API接口，同時所有組件界面優美、操作流暢，提供了良好的操作體驗，給使用者帶來了愉悅的工作心境。

（4）提供全新打造的基于開源jquery1.9+類庫，結合標簽技術，專注于前端頁面展示的技術框架，體積小、功能強。

（5）通過引用Jsp Tag File（自定義標簽），統一各組件調用方法，專注通用需求，定制個性需求，使組件庫更加便于復用、擴展、集成[14]。

1數字果業綜合信息管理平臺設計

1.1總體框架設計

根據數字果業平臺的具體需求，結合信息化技術的發展趨勢，對系統總體框架進行設計。數字果業平臺建設的總體框架突出扁平化、鏈條式、高參與、模塊化、易擴展的特點，由5個層面和2個體系組成，在應用方面，重點圍繞果業農業生產環境監控、生產管理、預測預警、安全追溯、制度調控、市場分析、營銷推廣等信息系統，對果業生產實行全方位管理與服務[15]。

數字果業平臺主要建設內容為“一個平臺五大系統”。“一個平臺”為數字果業綜合信息管理平臺，主要通過綜合信息查詢、實時監測管理、指揮調度管理、標準化生產管理、全產業鏈追溯管理、統計分析、大數據服務和系統對接實現地理信息、氣象墑情、土壤養分、視頻監控、溫室環境、水肥一體化、病蟲害防治、果樹生理、標準化生產、分揀包裝、倉儲物流、農產品電商、產品質量溯源等大數據的交互、展示、統計、分析，為公司管理層科學決策提供依據，并最終實現水果標準化生產和果業原產地供應鏈的數字化管理服務[16]。“五大系統”分別為農業物聯網監控系統、種植生產管理系統、專家遠程指導服務系統、農產品安全溯源系統和網上商城[17]。總體架構如圖4所示。

數字果業平臺功能架構圖如圖4，整體架構分為基礎層、數據層、應用支撐層、應用層、用戶層。

基礎層（IaaS）包括應用服務器集群、視頻服務器集群、數據庫服務器集群，機房環境、網絡平臺、通訊鏈路、虛擬化平臺和物聯感知等方面[18]。

數據層（DaaS）包括數字果業數據中心（數據標準化、標準數據庫、標準庫升級、數據庫構件、數據對接接口、標準化數據應用、外部系統對接）、結構化數據（環境氣象數據、基礎信息數據、專家信息數據、消費信息數據、生產管理數據、分揀包裝數據、倉儲物流數據、空間地理數據、營銷管理數據和預警決策數據）和非結構化數據（關系/非關系數據關聯分析記錄、視頻數據、音頻數據、文檔數據、JSON/XML數據）[18]。數據結構主要由多個業務數據庫組成，是建設系統運行的數據環境。數據中心是按照統一的標準和規范建立的共享數據環境，是消除信息孤島，實現軟件系統的基礎，是整個系統成功建設和運行的基礎[19]。

應用支撐層（PaaS）包括基礎組件平臺、數據交換平臺、數據分析平臺、地理信息平臺、報表分析平臺、信息發布平臺、系統配置平臺、系統管理平臺、應用安全平臺等內容[20]。

應用層（SaaS）包括數字果業綜合信息管理服務平臺（綜合信息查詢、實時監測管理、指揮調度管理、標準化生產管理、全產業鏈追溯管理、統計分析、大數據服務和系統對接）、農業物聯網監控系統、種植生產管理系統、專家遠程指導服務系統、農產品安全溯源系統和網上商城[21-22]。應用層在應用支撐層和數據層的支持下，建立各種應用系統。在統一的數據環境體系基礎上，依賴數據層及支撐層的支持，通過內在的數據共享和協作關系將各應用連接起來。

用戶層包括有水果產業體系的農林科技人員、企業管理人員、基層作業人員、消費大眾以及政府監管人員[23]。

1.2系統功能設計

數字果業綜合管理平臺是數字果業平臺的統一入口和統一管理平臺，將實現地理信息、氣象墑情、土壤養分、視頻監控、溫室環境、水肥一體化、病蟲害防治、果樹生理健康、標準化生產、分揀包裝、倉儲物流、農產品電商、產品質量溯源等大數據的交互、展示、統計、分析等，建立企業生產管理、政府監督管理、專家遠程指導、產品質量追溯、電商交易管理、應急指揮于一體的上下聯動體系，形成完整的農產品全產業鏈的監控管理體系[24]。

數字果業綜合管理平臺采用B/S架構，業務應用采用模塊化設計，WEB服務與后臺作業管理模式，是一個集數據獲取、數據挖掘、數據展示、數據管理、數據告警、數據共享、數據安全為一體的農產品標準化生產數據綜合展示及交互平臺。平臺將各系統中的業務數據進行集中匯總、統計、分析，根據數據類別和分布領域等不同，通過綜合管理平臺進行監控展示與決策分析。通過對農產品數據的深入挖掘和分類分析，提供定制化開發的應用和服務。

系統技術架構設計遵循開放性、繼承性、標準性、安全性、可靠性、拓展性的原則，確定可行的技術路線[25-26]。平臺采用數據庫統一部署，物聯感知統一標準，農事活動統一填報，作業監管統一口徑，信息服務統一平臺，工作界面統一規范的原則。最終目標是實現農產品標準化生產，數字果業綜合管理平臺起著提綱挈領的作用。平臺功能模塊如圖5所示。

1.2.1農業物聯網監控管理系統設計農業物聯網監控管理系統是在構建氣象及墑情監測系統、土壤養分監測系統、智能溫室監控系統、智能組培室監控系統、水肥一體化系統、病蟲害監測預警系統、果樹生理健康監測系統的信息化基礎之上，通過對以上環境產生的各類物聯網環境數據采集、監測及控制，實現數據分時統計與分析，指導農產品標準化生產。功能模塊如圖6。

1.2.2種植生產管理系統設計種植生產管理系統基于果業管理及農產品標準化生產管理系統開發應用，旨在為廣大果農提供農業生產便捷、信息化的管理系統，為農產品大數據提供管理數據資源，為農產品質量追溯綠色檔案提供數據支撐，集農業生產管理與生產推銷于一體，包括生產主體數據及其生產過程數據，對作物生長不同時期生長、生產過程數據匯總、分析、展示，尋找適合作物生長環境，指導下一步種植。

種植生產管理系統實現企業對種植生產過程的信息采集和跟蹤管理，包括農業化學投入品使用記錄和農事操作記錄，詳細記錄基地的地塊生產單元、投入品購買和使用檔案、年度生產檔案、詳細農事活動、產品抽檢記錄、銷售出庫檔案等。建立電子化生產檔案，規范生產檔案庫管理，并能夠覆蓋到種植業、農產品加工業的管理范圍。除陜西企業的信息外，還包括果業的供應商（生產企業）信息。平臺通過為果業企業及其供應商（生產企業）分配系統賬號，便于生產企業使用生產管理系統對生產管理過程全程的信息采集和跟蹤管理。信息化基礎比較薄弱的用戶，可以通過移動App實現便捷操作或人工手動記錄全程生產檔案，為農產品安全溯源系統提供真實可靠的溯源信息基礎。

1.2.3專家遠程服務系統設計專家遠程服務系統構建以專家咨詢服務為核心的專家服務體系，充分發揮系統專家資源，切實、快速、準確、有效地幫助廣大果農解決生產過程中遇到的問題，幫助其提高種植技術。專家遠程服務系統以專家服務為核心，針對果樹常見病害提供多種方式的專家遠程診斷、咨詢解答、農技知識和病蟲害防治等信息推送、配備測土配方施肥、病蟲害、種子、種植等相關專家，在線通過數據、圖片、視頻等方式進行指導。同時，根據大數據分析技術，結合各項業務數據、農戶行為數據等，幫助農戶實現精準農技遠程服務。

建設專家遠程服務系統主要為企業或農戶提供遠程在線指導服務。用戶通過手機或查詢機訪問本系統，在編輯欄輸入所要咨詢的內容，如植物病害（發病時期、發病圖片、發病狀況等），系統自動根據主題內容對應行業專家，專家給出指導意見并反饋給用戶，該系統支持語音服務、知識庫服務、預約服務等，系統支持多種操作方式，可全觸屏操作語音自動識別，不需要用戶任何鍵盤輸入即可使用，為農業生產者提供了易用、實用、好用的咨詢服務工具。

1.2.4農產品安全溯源系統設計農產品安全溯源系統是通過IT信息技術實現對農產品全流程信息的可追蹤與可追溯，確保供應鏈每一個環節，可以完整、準確、實時的記錄批次及種植、采摘、分揀、包裝、儲藏等關鍵過程的各種相關數據資料。平臺能夠連接生產、檢驗、監管和消費各環節，從系統的任何一個關鍵控制點均可以快速向上追溯或向下追蹤各種信息，并生成相關報表，滿足質量安全信息追溯管理的要求，規范生產經營行為，提升企業質量管控能力，切實保障產品品質。

果業農產品安全溯源系統分為生產過程信息采集系統和產品質量安全監控系統2個部分。該系統是為溯源體系建設服務的統一信息平臺，該平臺是構建于網絡和軟硬件基礎平臺之上的綜合信息系統，在圖形界面的軟件環境下，實現果品質量信息采集、審核處理、控制執行、科學決策的集成化、可視化、網絡化和桌面化，實現對陜西果品的全程質量追溯與監管，完善果品質量安全追溯與監管體系建設。

系統技術架構如圖7。（1）數據采集層主要是通過物聯網設備、RFID設備、手機終端采集生產過程信息、投入品信息、倉儲信息、分揀信息、包裝信息、物流信息、檢驗檢測信息、用戶行為信息、消費者信息等。（2）數據中心層采集的各類數據通過網絡上傳到溯源平臺，對這些數據進行分類存儲，統計分析等。（3）平臺層，整個溯源體系主要分為生產過程信息采集系統和質量安全監控系統兩部分，前者負責采集上報信息，后者負責對各類信息進行審核管理。（4）用戶層，系統用戶主要為企業專業技術人員、種植戶、企業管理人員等。（5）標準化體系貫穿整個生產過程和數據采集過程。（6）平臺可對接政府監管平臺，溯源的核心數據將作為信息綜合管理平臺的一部分進行應用和展示。

1.2.5農產品網上商城設計農產品網上商城是果業產銷環節的重要部分，承擔了果品在生產采摘后由田間地頭到消費者的關鍵環節。同時建立陜西果品網上銷售系統平臺，以互聯網營銷為核心，將農產品溯源查詢、農產品電子商務和農企官網建站深度整合，為農業企業打造一個互聯網時代下集展示、營銷、宣傳于一體的平臺窗口，提供一站式的互聯網營銷解決方案，幫助農企提高品牌影響力，推動農業產業結構的調整和資源優化整合。實現農產品的網上訂單銷售、線下物流發貨的新零售商業模式，電商平臺與農產品追溯系統的交互。

1.3數據中心設計

利用領先的服務器虛擬化技術將服務器進行整合和虛擬化，以較少的主機設備承載更多的業務系統，并完成與網絡、存儲等資源的聯通協同工作，實現基礎架構的高級別可用性和資源的靈活分配，同時佐以安全、備份、管理等層面的充分考慮，為數字果業打造一套先進、安全、智能的基礎架構平臺，敏捷響應并充分保障上層業務的運行。

平臺的總體框架設計如圖8。數據庫架構采用主從模式，為保證高可讀性，加入緩存數據庫（redis）。主從模式可以保證數據庫高可用性，當一臺數據庫服務損壞，可快整切換到另外一臺（前提是數據庫服務對外曝露采用浮動IP）；同時還起到備份作用。緩存數據庫采用集群方式，防止突然崩潰導致緩存失效，短時間造成數據庫壓力增大，所有業務頻繁使用的數據（如字典數據、配置數據、規則數據等）放入緩存，當修改時同步到緩存中，保證數據一致性。

2數字果業綜合信息管理平臺的實現

本研究的數字果業綜合信息管理平臺將物聯網、移動互聯網、云計算技術與傳統農業生產相結合，通過部署在農作物產區現場的各種傳感器、控制器、監測站和攝像頭，全面展現和監測基地現場的大氣環境、土壤環境、水質環境、作物長勢、設備運行狀態、病蟲害情況等，實現對農業生產過程的科學化、精準化，自動化，標準化管理。力求搭建一個服務農業智能化的物聯網監控服務平臺，從生產側，推動農產品安全、高質、標準化生產；從消費側，搭建農村與城市之間的橋梁，讓消費者能夠更加直觀了解農業生產現場和過程；從產業側，提高農業生產智能化、經營網絡化、管理數據化、服務在線化水平。平臺采用軟件即服務模式（SaaS）模式運營，同時支持“公有云”與“私有云”數據中心，用戶只需通過瀏覽器或智能手機就可以輕松享用全部平臺服務。

3結論與討論

對數字果業綜合信息管理平臺的設計與實現，能夠促進果業種植過程的科學化和規范化以及果業信息化。本文研究與設計的數字果業綜合信息管理平臺是在參考現有的農業技術服務系統的基礎上，設計并實現的果業技術綜合服務平臺，設計了一個數字果業綜合信息管理平臺體系結構與果業信息的輕量級推送架構，其中功能模塊主要有物聯網監控管理、種植生產管理、專家遠程服務、農產品網上商城與數據中心等。設計開發的數字果業平臺綜合信息管理平臺已經通過測試，部分子系統已經投入使用，但仍然存在一些不足，在接下來還有一些工作需要完善：（1）數字果業綜合信息管理平臺的功能還需要進一步擴充與完善，特別是為用戶提供多種形式的信息獲取和交流方式，比如微信、短信、WAP等。（2）在消息推送功能模塊里，伴隨著用戶的增多，需要搭建一個高并發性的服務器，以及進行多應用的消息推送（手機App、Web網站、微信公眾號）。

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