基于移动互联平台的马铃薯生产管理专家系统设计与实现

张永恒， 张 峰，2， 吴敏宁， 刘红霞

（1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000；2.西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710065）

专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题[1]。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。

农业专家系统是把专家系统知识应用于农业领域的一项计算机技术，是一项运用人工智能技术来汇集总结农业领域里的知识技术、以及通过试验得到的各种数据资料和数学模型等，用计算机语言编制的能指导农业生产的计算机智能软件。

农业专家系统可应用于农业的各个领域，如作物栽培、植物保护、配方施肥、农业经济效益分析、市场销售管理等[2]。例如，病虫草害防治专家系统是针对作物不同时期出现的各种症状和不同环境条件，诊断可能出现的病虫草灾害，并提出有效的防治方法。栽培管理专家系统是在各个作物的不同生育期，根据不同的生态条件，进行科学的农事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保护等[3]。栽培部分包括品种选择、种子准备、整地、播种、田间管理与收获，优化它们之间及其与产量之间的关系[4]；施肥部分主要是优化肥料与产量的关系；水分管理部分主要是合理灌排，优化水分与产量的关系；植保部分主要是病虫草害的预测和控制。

农业专家系统来自专家经验，它们代替为数极少的专家群体，走向地头，进入农家，在各地具体地指导农民科学种田，培训农业技术人员，把先进适用的农业技术直接交给广大农民，这是科技普及的一项重大突破[5]。

本文将计算机技术与农学有机结合、将专家系统与计算机网络技术相结合，开发建设面向榆林市基层技术人员和广大农户服务的马铃薯生产管理农业专家系统；为马铃薯生产提供全过程的决策和指导，并利用互联网等现代信息渠道，加快马铃薯科技成果的转化，加快马铃薯生产技术的推广应用；帮助基层农业技术人员和农业经营者进行科学管理决策，并快捷、方便地提供专家水平的技术指导，用信息技术推动榆林马铃薯生产优质化、标准化、规模化和产业化的发展。

1 系统主要功能模块分析

1.1 系统总体结构

统中由推理决策模块，从选地、播种、灌溉、田间管理、收获和贮藏等各个阶段都给出了专家决策，便于对用户进行马铃薯种植的专家性指导和帮助。本信息管理系统由以下四大子系统组成。

1）基础数据管理平台：主要实现马铃薯生产管理专家系统提供了马铃薯从种到收、到贮藏的各种信息支持，以移动互联的形式提供马铃薯生长发育的特点以及农业生产中常见的问题，包括生长发育、环境效应、退化脱毒、栽培技术、收获贮藏、加工利用等，另外把推理决策作为一个模块集成到了系统之中，它具有继承性、集成性、复制性、便捷性等特点。用户可以通过移动终端或计算机访问系统平台。

2）移动互联管理平台：包括栽培与管理知识、咨询服务、播前准备、品种信息等功能。系统平台以服务农业、农村、农民为目标，针对榆林市农业地域广、区域性强、生产个体分散的特点，建立以信息技术为支撑的农业推广体系，引导农民依靠农业科技发展经济。

3）系统管理平台：对系统的安全、用户、知识库和模型等进行管理。

4）生产管理咨询系统：包括播期、播量、品种、施肥、田间管理等决策。具体内容如图1所示。

图1 功能组成图Fig.1 Functional components

1.2 系统总体架构设计

系统采用模块化设计，利用国际上流行的“客户层/服务层/数据层”三层网络结构模型，建立在Java EE技术架构基础之上。采用安卓平台技术，组合多层次的统一的类库集合，以后台数据库为核心，通过前台浏览器管理和运行。Web浏览器为表现层，主要提供专家系统人机交互界面中信息的表示和数据的收集，包括多媒体信息，表单（面向系统）以及决策结果（面向用户）的提交等[6]。Web服务器为应用层（或功能层），提供专家系统中与应用逻辑有关的各种服务构件，也是系统运行的枢纽部分。它响应用户发来的请求，执行某种业务任务，并对响应的数据进行处理和对数据源层的访问与操作，用户不需要直接与数据库打交道。数据源层提供和管理大量的数据。前两层实现页面结构和元素的定义，而把该页面的大量元素值即数据存放在数据库，数据的复杂处理放在中间层。从而站点结构维护和数据更新成为两个相对独立的过程。这种结构的最大好处就是把应用程序和计算逻辑全部移植到服务器端，客户端只保留界面统一的浏览器，便于维护和减轻网络负担。

在逻辑上系统由3部分组成，即3G用户端移动系统、后台管理平台系统和知识库系统；从硬件组成上讲，3G移动系统也由3部分组成，即监控中心、通讯网络和用户终端。用户使用场景如如图2所示。

图2 系统架构示意图Fig.2 System architecture diagram

2 系统总体架构的设计与实现

2.1 用户访问合法性控制

系统访问控制层采用Seam的Action作为用户访问控制器，Seam的Action实现非常简单，通过继承Seam的Action基类重载execute方法，并在该方法里调用业务逻辑组件的业务方法。通过上述分析，在本系统中可以发现所有的Action有个共同之处是都需要调用业务逻辑组件。而在分析服务层时，业务逻辑组件统一封装成了工厂类ManagerFactory，所以定义一个基类BaseAction，让所有的Action都从基类派生。BaseAction基类代码如下所示。

在本系统中，大多模块需要验证用户是否登录系统，所以为所有登录验证的Action设计一个安全控制基类SecureValidBaseAction， 在 SecureValidBaseAction类 中 的execute方法中，首先检查用户是否己登录，如果没有登录，则将用户导向登录页面，否则执行todoExecute逻辑。todoExecute方法是在SecureValidBaseAction定义的抽象方法，该方法与一般的Action类的execute方法类似，有相同的参数。SecureValidBaseAction的实现类不在执行execute方法，而是实现todoExecute方法。

2.2 系统平台设计

系统实现架构主要由客户端 （包括苹果平台，Android平台，Blackberry黑莓平台等），服务器端主要由App Web服务，App连接服务，PUSH连接服务等组成，外部依赖系统主要由第三方移动应用服务中间件组成，系统平台结构如图3所示。

图3 系统平台结构图Fig.3 System structure of the platform process diagrams

2.3 业务实现逻辑架构

用户可以通过移动终端了解马铃著各种生长特性，如播前准备，品种介绍，病虫害诊断与防治等。系统业务客户端实现逻辑架构如图4所示。

2.4 系统的功能模块

为了使用系统平中具有可扩展的功能，设计了系统基础数据管理平台，该平台主要实现组织机构信息、人员信息、功能模块信息、用户管理、角色管理、用户角色权限设置 、日志管理，系统主界面功能区域主要划分为3个区，分别为导航区、功能设定区和结果显示区。其登录模块如图5所示。

当用户通过登录界面输入用户名，密码后，单击“登录”按钮，如用户名，密码无误后则可进入系统窗口。可以进入移动平台主界面进行各功能模块的操作，如马铃著各种生长特性，如播前准备，品种介绍，病虫害诊断与防治等。系统主界面布局如图6所示。

图4 移动终端功能结构Fig.4 Mobile terminal functional structure

为了满足不同用户的需求，能处理更多的知识信息，本系统运行在Internet，用户只要通过浏览器就可以获得所需信息。由于本系统面对的主要用户为农户和乡村农技人员，因此不适宜用过多的专业术语来表述，操作也不宜过于复杂。设计系统界面时尽量采用所见即所得的方式，将描述和操作简化。该平台主要实现组织机构信息、人员信息、功能模块信息、用户管理、角色管理、用户角色权限设置 、日志管理，系统主界面功能区域主要划分为3个区，分别为导航区、功能设定区和结果显示区。浏览器端界面布局如图7所示。

图5 系统登录界面布局Fig.5 System login screen layout

图6 系统主界面布局Fig.6 The main interface layout

3 结 论

本文所设计的基于移动互联平台的马铃薯生产管理专家系统应用移动互联技术为基层技术人员和广大农户服务的马铃薯生产管理农业专家系统，为马铃薯生产提供全过程的决策和指导。采用移动互联技术、人工智能和专家系统技术、多媒体技术、网络应用和系统集成技术，将马铃薯专家多年积累的经验、技术和方法以及大量的马铃薯作物普遍性知识，建立核心知识数据库。支持马铃薯全生命周期的规范化管理和种植运作管理，具有较强的可移值性，能方便地集成其他多媒体辅助系统。该系统用移动互联技术扩大用户了解信息渠道，加快马铃薯科技成果的转化，加快马铃薯生产技术的推广应用。

图7 系统总体布局Fig.7 The overall layout of the system

[1]Warneke B，LastM，Liebowitz B，etal.Smartdust:communicating with a cubic-millimeter Computer[J].IEEE Computer Magazine，2001，34（1）:44-51.

[2]Zhang C.Research on the daily gas load forecasting method based on support vector machine[J].Journal of Computers，2011，6（12）：2662-2667.

[3]Jae-Jin Koh，Soon-Duir Kwon，Byong-Uk Kim，et al.Implementation of an interactive electronic technical manual based on web-multimedia technology[C]//The 4th Korea-Russia International Symposium on Volume 2，2007：21-24.

[4]CHENG Hong-bing.Identity based encryption and biometric authentication scheme for secure data access in cloud computing[J].Chinese Journal of Electronics，2012，21（2）254-259.

[5]Zhang X J.System Integration in Business Information Systems:Framework，Implementation and Case Study[C]//2008 International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing （WiCOM 2008），2009：4681094.

[6]Wang X K，F LImproved adaptive median filtering[J].Computer Engineering and Application，2010，46（3）：175-176.