智慧果園移動管理服務平臺設計與實現

摘要：針對果園生產管理的需求，基于微信小程序開發智慧果園大數據移動管理服務平臺，以便對果園實現精準管理和服務。以果園管理為場景需求，綜合運用移動GIS、數據庫和AI目標檢測等技術，實現生產服務、咨詢服務、果園管理和數字采集等功能，設計開發智慧果園大數據移動管理服務平臺。通過構建智慧果園大數據管理和數據采集服務，實現園區信息的數字化管理和可視化，為數字果園、智慧果園管理和綜合服務提供技術支撐。該平臺可以作為智慧農業的信息服務管理基礎支撐平臺，為數字果園的數據采集、數據展示、數據分析與應用提供有效的手段。

關鍵詞：智慧果園；精準管理；生產服務；農業數字孿生；移動GIS

中圖分類號院S126" 文獻標志碼院A" 文章編號：2096-9902（2023）11-0005-05

Abstract： According to the demand of orchard production management， big data mobile management service platform of smart"orchard was developed based on WeChat Mini Programs， in order to achieve accurate management and service of orchard. Taking"orchard management as the scene requirement， comprehensively using mobile GIS， database and AI target detection technology to"achieve production services， consulting services， orchard management and digital collection and other functions， designed and devel-oped the smart orchard big data mobile management service platform. Through the construction of big data management and data"collection services of smart orchard， the digital management and visualization of park information can be realized， which provides"technical support for digital orchard， smart orchard management and comprehensive services. This platform can be used as the basic"supporting platform for information service management of smart agriculture， and provides an effective means for data collection， data display， data analysis and application of digital orchard.

Keywords： smart orchard; precise management; production service; Agricultural Digital Twin; mobile GIS

果園是一個綜合復雜的生態系統，涉及果樹生長環境和果園生態環境，同時又涉及果園管理、農事活動、種植管理等一系列活動[1]。傳統的果園管理和數據采集工作，缺乏科學的系統管理思維，主要依靠農民經驗和簡單的農機設備，管理效率低下、人力成本高，是一種粗放型的管理模式，很難實現精準管理、智能控制和科學決策[2]。亟需借助天空地一體化、數字農業、數字孿生等技術給傳統果園賦能[3-4]，實現傳統果園向智慧果園的升級。

目前，基于智慧農業、數字中臺、人工智能技術構建智慧果園系統已經取得了初步成果。潘明等[5]借助空天地一體化技術，將物聯網、大數據、遙感等信息技術進行深度融合，研發了智慧果園平臺，對果園開展立體化數據監測。周國民等[6]基于農業科學觀測數據，構建了信息匯聚管理平臺，涉及農業觀測數據采集與加工系統、農業觀測數據挖掘與預警系統、農業觀測數據匯交系統、農業觀測數據長期保存系統和農業觀測數據共享服務。饒曉燕等[7]針對蘋果園，開發了蘋果園空天地一體化監測系統，構建果園監測集成數據中臺。覃浩軒等[8]借助物聯網構建了智慧果園監測系統，能夠監測果園的環境數據和獼猴桃生長情況。韓冷等[9]討論了智慧果園構建關鍵技術裝備，提出物聯網、大數據和智能裝備是解決智慧果園的關鍵技術和途徑。鄭蕾娜等[10]基于數字孿生基礎，通過新一代無人機傾斜攝影技術，構建了農田實景三維模型。顧生浩等[11]探討了農業數字孿生系統的背景、概念、內涵和基本組成，該理論的提出為農業數字孿生應用方向和發展路徑提供了參考。邵澤中等[12]利用深度學習和AI 目標檢測與識別技術，開發了農業害蟲圖像智能識別系統。

從數據角度來看，在數字果園建設領域主要涉及到數據感知—數據采集—數據存儲與管理—數據挖掘與分析—數據應用和服務—數據可視化整個流程[13]。從軟件系統架構發展歷程來看，主要經歷了單體架構—SOA 架構—微服務架構—原生云架構[14]；從整個農業信息化發展歷程來看，主要經歷了農業信息化—精準農業—數字農業—智慧農業—農業數字孿生等階段[11]。無論從數據角度，還是軟件系統架構發展，亟需一種新的架構思維進行耦合。數字中臺是數字化和軟件架構發展的產物，形成了以數字中臺、技術中臺、業務中臺三者相輔相成的格局[15-16]。其中，數據中臺重點關注數據建模和分析，技術中臺主要考慮軟件架構的可靠性，業務中臺主要聚焦農業種植生產、管理、經營和銷售等復雜場景。因此，圍繞智慧農業、數字孿生、人工智能等理念和指導思想，面向成都市龍泉驛區現代農業園區實際需求，設計了智慧果園大數據移動管理服務平臺，將AI 目標檢測和移動GIS 技術相結合，為果園生產服務和果園精準管理與決策提供服務，促進果園轉型升級，實現果園科學生產、精準管理和科學決策。

1 研究方法

1.1 系統設計目標

智慧果園大數據移動管理服務平臺主要包括4項基礎工作：淤構建智慧果園大數據智能管理和服務系統數字中臺，建立數據資源池和實現數據治理目標，為果園移動管理數據服務平臺提供技術支撐；于為果園的環境數據感知和管理提供服務；盂作為輕量級的移動平臺，實現智能農機、物聯網、傳感器設備的遠程控制；榆實現圖像、文本、語言和視頻等數據的采集、入庫、管理等工作。基于以上基礎工作，實現智慧果園數字化自動決策，為未來無人化管理提供建設經驗。

1.2 系統總體結構設計

基于數字農業、智慧農業、數字孿生等理念與實踐[17-20]，遵循“頂層設計、統籌規劃、需求導向和融合創新”和“橫向到邊、縱向到底、互通共享”的原則[21]，緊扣數字中臺建設思路，針對成都市龍泉驛區現代農業園區需求場景，面向農戶、管理和各級領導構建知識庫，為領導提供支持決策服務；面向農戶和各級管理人員，實現農業生產精準化服務及果園的高效管理和決策支持目標。圍繞數據應用的視角，進行頂層規劃設計，總體架構設計如圖1 所示。

該系統框架劃分為4 層：淤感知層，主要通過物聯網設備、傳感器設備、農機設備獲取果園大數據環境、果樹生長環境及生產管理方面產生的數據；于傳輸層，主要通過4G/5G，Wi-Fi 和硬件傳輸協議進行數據的網絡傳輸；盂數據層，主要實現果園數據的接入、存儲和管理，形成數據資源池；榆應用層，是果園大數據移動管理服務平臺的主要功能模塊，實現果園數據的采集、精準管理和生產服務。

智慧果園大數據智能管理和服務系統由3 個子系統組成：智慧果園大數據智能監測子系統、智慧果園大數據智能管理和服務子系統、智慧果園大數據移動管理服務子系統[21]。其中智慧果園大數據移動管理服務子系統是智慧果園大數據智能管理和服務系統的移動端，主要負責園區信息采集、生產管理、園區管理等功能。在技術棧方面，該系統主要前端基于Vue，移動GIS技術采用Leaflet 和MapV 庫，后端是基于Node.js 的Koa2架構進行開發，采用混合存儲技術方案，主要按照果園大數據數據模型組織結構來設計，傳統數據存儲在PostgreSQL數據庫，MongoDB 進行無人機遙感圖像、地圖瓦片數據和半結構數據存儲，地圖服務器采用GeoServer[22-23]。此外，為了促進數據互通共享，在混合數據庫基礎之上單獨設計了數據倉庫，并采用Kattle 的可視化建模工具，構建多源數據管理、ETL（Extract-Trans原form-Load）和數據挖掘與分析模型。

2 平臺功能實現

智慧果園大數據移動管理服務平臺主要采用B/S模式，后端采用Node.js的Koa2作為Web 框架，數據庫采用混合存儲模式。前端主要采用微信小程序組件和Vue 家族的組件，此外，GIS地圖采用leaflet庫實現。根據果園實際情況和需求，智慧果園大數據移動管理平臺主要包括生產服務、咨詢服務、果園管理、數據采集和個人中心5個模塊，具體如圖2 所示和見表1。

2.1 生產服務

按照智慧果園大數據平臺建設要求，實現果園生產服務管理需要，基于LOYO-tiny 算法[24-25]，利用AI、計算機視覺技術實現智能識別、病蟲害識別、測產等任務。生產服務主要包括拍照識別病蟲害、拍照數果測產、拍照判斷花期、拍照判斷稍期、病蟲害防治專區和農藥登記查詢。通過簡易拍照上傳，進行快速識別，實時產生結果，如圖3 所示。

2.2 咨詢服務

通過移動端，農場主、用戶和管理人員可獲取果園管理、病蟲害防治和技術培訓等技能，具體包括熱文精選、專家課堂、農資課堂、物候期管理、種植技術和專家咨詢，如圖4 所示。

2.3 果園管理

重點面向管理人員，輔助其進行園區管理、地塊管理和查詢，此外，管理人員還可以通過移動端對農機設備、農業機器人、物聯網和傳感器進行遠程控制。具體包括園區信息、查詢分析、地塊管理、精準作業、智能管控和作業管理，如圖5 所示。

2.4 數據采集

數據采集主要供用戶進行數據采集和管理，可以上傳圖像、文本、視頻和音頻等結構化和非結構化數據集，如圖6 所示。

2.5 個人中心

主要實現用戶管理、信息反饋和業務配置。

3 結束語

智慧果園大數據移動管理服務平臺是基于智慧果園大數據智能管理與服務平臺的移動端，是圍繞成都市龍泉驛區現代農業園區實際需求，設計開發的智慧果園大數據移動管理服務平臺。平臺基于移動GIS、AI目標檢測和混合數據庫技術，采用B/S 架構，實現了對果園的數據采集、精準管理和農業綜合信息服務，具有一定的實踐價值。可移動平臺的建設對現代化農業園區數字化、信息化管理具有一定的意義。下一步將結合果樹三維建模與虛擬現實技術，構建果樹數字化技術體系，為農業數字孿生實現奠定基礎。

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