山東省智慧果業云服務平臺的設計與實現*

崔冬冬，王曉芳，李 晨，周 菲，李穎芳，亓雪龍，陶吉寒

（山東省果樹研究所，泰安 271000）

智慧農業是農業生產的高級階段[1]，以信息和知識為核心，將互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等現代信息技術，深入運用于農業領域的各個環節，實現農業信息感知、定量決策、智能控制、遠程管理和個性化服務的全新農業生產[2-15]。果業是農業的重要組成部分，將現代信息化技術引入果業發展的各個環節，勢必能促進果業信息化的全面發展，也能推進現代果業生產經營能力和綜合實力的提升[16-17]。

我國果業信息化經過多年建設，基礎網絡、硬件設備、軟件開發、應用水平等方面都有了較大發展，在漸進的建設過程中，各級果業部門建立了大量信息化應用系統，但由于建設時缺乏統一的頂層設計、技術架構和數據標準，導致數據分散、煙囪林立[18-19]。同時，我國智慧果業建設相比智慧農業較為落后，還未有綜合性的涵蓋全產業鏈的果業云服務平臺面向社會公眾開放。

本研究設計實現的山東省智慧果業云服務平臺，將圍繞果樹種植的數字化、信息化管理，以及種植基地的可視化管理，結合農業機械的采購配套，建設體系化業務系統。為更好地服務于果樹生產經營決策，促進果樹產業發展，實現果業知識動態更新、數據共享應用，提升科研部門服務效能等提供技術支撐。

1 平臺綜合設計

1.1 開發工具

山東省智慧果業云服務平臺基于SOA 架構，采用以XML技術與Web Services 技術為核心的組件化開發模式，實現了業務模塊/組件的松藕合，系統通過組件化構建，實現了系統的高內聚、低耦合的特點，增加了系統的高重用性、可適用性、可維護性等優點，并有利于軟件工程化管理。軟件部署架構上采用B/S（瀏覽器/服務器）結構模式。在充分實現平臺基本功能的基礎上，同時考慮平臺的可拓展性。

1.2 系統架構設計

平臺采用數據、服務、業務和表現分離的多層設計理念，以安全可靠的數據管理為基礎，以專業的數據服務模塊為支撐，實現高效的業務處理能力，同時融合當前完備的安全、權限管理體系，保證平臺穩定和安全可靠運行，充分考慮系統的兼容性和擴展性，能夠在各種終端設備上以多種形式展現。平臺主要分為數據層、服務層、業務層、通訊層、設備層和應用層6 個層次（圖1）。

圖1 山東省智慧果業云服務平臺系統架構

1.2.1 數據層

為實現果樹全產業鏈信息資源的整合、共享和統一管理，對數據進行標準化處理并分類存儲，建立分類保存數據庫，并建設數據庫集群，避免了因重復建設和標準不統一造成的資源浪費。數據主要包括：基地基礎數據、物聯網傳感采集數據、果樹知識庫、系統運維數據等。

1.2.2 服務層

服務層主要包含數據管理、界面框架、消息機制、接口服務、統計分析模型、報表服務、用戶權限體系等。其中，以模塊化和契約組合方式提供的各種服務引擎和服務策略，提高了平臺的可擴展性、復用性和可適用性。

1.2.3 業務層

山東省智慧果業云服務平臺掛接多個業務系統，包括物聯網服務系統、大數據挖掘系統、人工智能/深度學習系統、微服務應用系統等業務系統，實現了綜合管理服務。

1.2.4 通訊層

通訊層采用多種數據傳輸方式，提供高效安全的數據傳輸通道。包括基于廣域無線網絡的GPRS/3G/4G，基于固定網絡接入的Internet 網絡服務，基于局域無線網絡的WiFi/藍牙通訊，以及基于有線的設備之間局域通訊的RS485/RS232 等數字化總線通訊。

1.2.5 設備層

平臺能夠接入多種類型的傳感器、控制器，可以使用無人機、農機作為信息獲取、管理監控的載體手段，能夠使用電腦、手機作為數據、信息交互的工具，還可以通過配套的檢測設備獲取所需的數據。同時，作為運行的基礎，相關的服務器、云服務器、網絡路由交換設備，也是項目中所配備的基礎性設備。

1.2.6 應用層

平臺支持各種可視化呈現、遠程監控、遠程控制、智能提示，提供了移動應用APP、電腦端軟件、嵌入式應用等多種形態的產品。按照實際的業務板塊，劃分為多個具體的子應用系統，實現項目所需的各項業務功能。

1.3 功能設計

山東省智慧果業云服務平臺是針對整個山東省果業情況進行信息化管理和展示，基于物聯網、人工智能等先進技術的果樹種植數字化管理，并為果樹產業提供知識服務等功能為一體的綜合性系統平臺。

按照統一規劃、頂層設計、分步實施的原則，山東省智慧果業云服務平臺總體功能結構（圖2）和智慧果園APP 功能結構（圖3）如下所示。

圖2 山東省智慧果業云服務平臺總體功能結構

圖3 智慧果園APP 功能結構

1.4 用戶角色介紹

山東省智慧果業云服務平臺用戶角色主要分為3 種：系統管理員、工作人員、普通用戶。

系統管理員具有平臺中所有的權限，可以進入軟件的系統管理模塊，進行增加、修改、刪除、授權等操作，主要負責系統建設和運行穩定。工作人員具有除了系統管理模塊之外的所有權限，登錄后可以進入平臺進行果樹種植相關的業務操作。普通用戶僅瀏覽平臺門戶網站首頁相關內容。

2 平臺應用

該服務平臺以門戶網站形式搭建總體框架（圖4），門戶網站欄目組成包括首頁、大數據中心、綜合服務、智慧果園、科技成果幾個部分。

圖4 山東省智慧果業云服務平臺門戶網站

2.1 平臺首頁

平臺首頁展示平臺logo 及名稱、菜單導航、果業圖片、新聞動態、知識服務、快捷導航、技術支持等部分。

2.2 系統登錄

用戶如需訪問智慧果園下屬相關子業務系統，需要登錄，或者直接點擊網站首頁右上角，系統提供單獨登錄頁面，輸入用戶名和密碼，點擊立即登錄，即可正式進入系統，訪問系統各功能模塊。

2.3 果園遙感

該欄目主要是集成果園無人機航拍圖像數據，目前已實現了山東省果樹研究所金牛山基地無人機航拍圖像的可視化呈現和圖像查看。

2.4 產業一張圖

產業一張圖以綜合信息匯聚和可視化圖表的方式，集中展示果園基地的關鍵性信息，用來做基地和平臺整體化數據的呈現。目前已實現了山東省果樹研究所金牛山基地的呈現。

2.5 智能蟲情

智能蟲情是基于蟲情測報燈設備，結合智能蟲情識別算法，實現對果園蟲情發生情況的監測、分析展示。包含蟲情分布、蟲情監測、蟲情分析三大模塊。

2.6 果園氣象

果園氣象是基于氣象站設備，實現對果園各區域實時氣象信息的展示及歷史氣象數據的存儲、展示、導出。

2.7 生長監測

生長監測是基于果實膨大傳感器和莖稈微動傳感器，通過物聯網設備，在系統實現對被監測果實和莖稈的變化情況，包括實時數據和歷史數據的圖表化展示，支持歷史數據的導出。

2.8 農機作業

農機作業模塊是通過為農機配裝物聯網終端設備，實現農機作業過程的行駛路線軌跡、作業時間等數據的收集和遠程傳輸，以可視化的方式，呈現農機作業數據和信息，提供農機的分類管理等。包含農機運行、作業信息、歷史軌跡、數據分析、地理圍欄、農機檔案六大功能模塊。

2.9 果園知識庫

果園知識庫是一套果樹病蟲害知識管理系統，包括病蟲害知識庫、知識庫管理、基礎數據管理三大模塊。

2.10 資源基地

資源基地是基于GIS，實現基地、區域、種植樹種、品種的管理。包括基地管理、區域管理、樹種管理、品種管理四大模塊。

2.11 果品溯源

基于氣象站的氣象數據、果品信息、現場圖像數據等，可生成果品溯源檔案信息，提供溯源二維碼的生成、打印、下載，手機微信掃描二維碼，即可查看相應果品的溯源信息。

2.12 水質監測

水質監測是基于各類水質監測傳感器，通過物聯網設備，在系統實現對水源水質的變化情況，包括實時監測、歷史數據、統計分析3 個模塊。

2.13 土壤監測

土壤監測，即土壤肥力管理系統，是基于果園內土壤樣品采集、實驗室檢測、檢測結果錄入后進行分析呈現的系統，主要包括土壤肥力分布、土壤采集管理、檢測結果管理、養分類別管理4 個功能模塊。

2.14 監測預警

監測預警主要是通過監測指標設置，對環境監測（如水質、土壤）、病蟲害發生、天氣災害發生進行預測預報。包括預警服務、監測指標、監測記錄3 個模塊。

2.15 系統管理

系統管理功能主要實現用戶管理、角色管理、權限管理以及智慧果業云服務平臺網站的后臺管理功能。僅管理員賬號登錄后才顯示該功能菜單。

2.16 手機APP

手機APP 在智慧果業云服務平臺登錄頁面進行掃碼下載（僅支持安卓版手機），下載安裝完成后，點擊APP 圖標，進入應用（圖5）。

圖5 智慧果園APP 界面

3 小 結

智慧果業云服務平臺在山東省的應用表明，該平臺整合果業生產資源和管理服務資源，為果業生產和科研服務，可以全面摸清山東省果業的資源底牌、市場底牌、技術支撐、科技支撐的實際情況，集成空間信息、資源信息和管理信息，涵蓋果樹區域生產、病蟲害防治、果園知識庫和溯源等全產業鏈過程，全面梳理和整合山東省果業的綜合信息資源，推進現代果業生產的標準化、精準化、數字化發展，具備良好的穩定性和實用性，可在其他地區推廣應用。其他類別的農業資源管理還需在今后的應用中進一步研究和擴展。

未來，在國家“十四五”規劃指引下，山東省智慧果業云服務平臺的整體框架將進一步完善擴展，將探索如何通過智慧云平臺的數據積累，建立全面且權威的專家知識庫，確保果業資源的有效管理和合理利用；利用高光譜技術、仿真技術等現代信息化手段實現果樹的標準化、數字化管理技術集成，建立適合現代果業發展要求的數字資源體系，從而在果業管理、果業生產和環境保護方面提供更廣泛、更深入、更有效的服務需求，切實解決果業發展的生產難、銷售難、監管難的問題，支撐山東省果業信息化的建設，推進山東省果業的綠色可持續發展。