数字果业综合信息管理平台的设计与实现

2021-01-18张瑞朱春燕刘畅徐识溥

农学学报 2021年8期

张瑞朱春燕刘畅徐识溥

摘要：随着信息化进程在农业领域的快速推进，人们对农业生产过程中的信息需求越来越多。笔者以果业为背景，针对果业种植过程中信息服务需求，设计开发了一个基于Coral组件架构的数字果业综合信息管理平台。该平台分为数据采集层、服务层、应用层。在此基础上，设计的系统功能结构有农业物联网监控管理、种植生产管理、专家远程服务、农产品安全溯源与农产品网上商城5个功能模块。该平台为果业从业人员提供相关的技术服务、信息资讯以及规范标准，对推动果业种植过程信息化具有十分重要的意义。

关键词：Coral；数字果业；综合信息管理平台；监控管理；生产管理；专家远程服务

中图分类号：S24文献标志码：A论文编号：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

在農业发展中，农民增收的重要来源是经济作物种植，而果业种植是经济作物种植的重要组成部分。但是在果业发达地区（如陕北地区）中农业信息化程度较低，农村发展比较落后，果业种植者获取科学种植信息、市场信息的能力比较薄弱[1-2]。长期以来，果业采收部门一直采用传统的方式进行果业资源管理，各项数据还停留在纸质化管理阶段[3]。应用现代农业信息化的技术手段，对土壤资源、气象气候资源、品种资源等进行统一标准化管理，提升智慧农业管理工作的信息化和现代化水平，建成融数据采集、数字传输网络、数据分析处理为一体的数字驱动的农业资源管理体系，促进农业生产管理的数字化、网络化和自动化[4-5]。

Coral组件是基于J2EE的一个开发框架，该框架主要采用Spring、SrpingMVC和Mybatis开发技术，并集成了组件库产品，完全符合MVC开发模式的要求，已经在档案系统、行政审批系统、办公自动化系统等项目和产品中广泛应用，目前已趋于成熟[6-7]。该架构的应用可以大大提高应用系统的性能和稳定性，并减少后期维护工作量。

Coral组件包括js组件、image组件、css组件、tag组件、界面模板组件、工具组件、子系统组件、基础组件、组件发布平台等部分，可应用于信息系统开发的各层面。组件库将系统处理过程中的通用功能（界面处理、数据库连接池、数据访问、文件处理、消息处理、例外日志、标签库、数据库自定义等）进行抽象，具有良好继承性和扩展性的类基础架构，封装了产品研发项目和应用开发项目中共性的功能[8]。在后续的产品研发和开发中也可调用基础组件平台中各类组件进行开发建设，提高软件开发效率和质量[9-10]。

Coral组件平台提供了良好的前台展示功能，基于jquery1.9+开发，同时也结合了标签技术。Coral组件平台目前提供了表单类、表格类、导航类、其他类4类组件，如图1所示。部分组件样式如图2所示。通过调用基础组件平台中的组件快速形成的软件系统界面框架如图3所示[11]。

除各类基础组件外，基础组件平台提供了完善的调用例子程序和二次开发手册，所有组件的培训教材、二次开发手册、产品示例、界面原型等都能够方便的从平台上获取[12-13]。

总的来说，基础组件平台具有如下优势[14]。

（1）既包括逻辑层组件，也包括表示层组件；既可以起到规范开发接口的作用，也可以起到统一应用系统界面的作用。其中表示层组件包含表单类、表格类、导航类、其他类4类，并且随着平台的不断升级和完善，组件的数量不断增加，为各类不同的项目提供基础支撑。

（2）所有组件兼容目前所有主流的浏览器，具体包括IE、Chrome、Firefox、Safari、Opera以及以这5种浏览器为内核的其他浏览器。所有的组件在不同浏览器系统的界面上展现效果一致，极大地提升了用户体验。

（3）所有的组件控件都支持拖拽操作的属性、事件和API接口，同时所有组件界面优美、操作流畅，提供了良好的操作体验，给使用者带来了愉悦的工作心境。

（4）提供全新打造的基于开源jquery1.9+类库，结合标签技术，专注于前端页面展示的技术框架，体积小、功能强。

（5）通过引用Jsp Tag File（自定义标签），统一各组件调用方法，专注通用需求，定制个性需求，使组件库更加便于复用、扩展、集成[14]。

1数字果业综合信息管理平台设计

1.1总体框架设计

根据数字果业平台的具体需求，结合信息化技术的发展趋势，对系统总体框架进行设计。数字果业平台建设的总体框架突出扁平化、链条式、高参与、模块化、易扩展的特点，由5个层面和2个体系组成，在应用方面，重点围绕果业农业生产环境监控、生产管理、预测预警、安全追溯、制度调控、市场分析、营销推广等信息系统，对果业生产实行全方位管理与服务[15]。

数字果业平台主要建设内容为“一个平台五大系统”。“一个平台”为数字果业综合信息管理平台，主要通过综合信息查询、实时监测管理、指挥调度管理、标准化生产管理、全产业链追溯管理、统计分析、大数据服务和系统对接实现地理信息、气象墒情、土壤养分、视频监控、温室环境、水肥一体化、病虫害防治、果树生理、标准化生产、分拣包装、仓储物流、农产品电商、产品质量溯源等大数据的交互、展示、统计、分析，为公司管理层科学决策提供依据，并最终实现水果标准化生产和果业原产地供应链的数字化管理服务[16]。“五大系统”分别为农业物联网监控系统、种植生产管理系统、专家远程指导服务系统、农产品安全溯源系统和网上商城[17]。总体架构如图4所示。

数字果业平台功能架构图如图4，整体架构分为基础层、数据层、应用支撑层、应用层、用户层。

基础层（IaaS）包括应用服务器集群、视频服务器集群、数据库服务器集群，机房环境、网络平台、通讯链路、虚拟化平台和物联感知等方面[18]。

数据层（DaaS）包括数字果业数据中心（数据标准化、标准数据库、标准库升級、数据库构件、数据对接接口、标准化数据应用、外部系统对接）、结构化数据（环境气象数据、基础信息数据、专家信息数据、消费信息数据、生产管理数据、分拣包装数据、仓储物流数据、空间地理数据、营销管理数据和预警决策数据）和非结构化数据（关系/非关系数据关联分析记录、视频数据、音频数据、文档数据、JSON/XML数据）[18]。数据结构主要由多个业务数据库组成，是建设系统运行的数据环境。数据中心是按照统一的标准和规范建立的共享数据环境，是消除信息孤岛，实现软件系统的基础，是整个系统成功建设和运行的基础[19]。

应用支撑层（PaaS）包括基础组件平台、数据交换平台、数据分析平台、地理信息平台、报表分析平台、信息发布平台、系统配置平台、系统管理平台、应用安全平台等内容[20]。

应用层（SaaS）包括数字果业综合信息管理服务平台（综合信息查询、实时监测管理、指挥调度管理、标准化生产管理、全产业链追溯管理、统计分析、大数据服务和系统对接）、农业物联网监控系统、种植生产管理系统、专家远程指导服务系统、农产品安全溯源系统和网上商城[21-22]。应用层在应用支撑层和数据层的支持下，建立各种应用系统。在统一的数据环境体系基础上，依赖数据层及支撑层的支持，通过内在的数据共享和协作关系将各应用连接起来。

用户层包括有水果产业体系的农林科技人员、企业管理人员、基层作业人员、消费大众以及政府监管人员[23]。

1.2系统功能设计

数字果业综合管理平台是数字果业平台的统一入口和统一管理平台，将实现地理信息、气象墒情、土壤养分、视频监控、温室环境、水肥一体化、病虫害防治、果树生理健康、标准化生产、分拣包装、仓储物流、农产品电商、产品质量溯源等大数据的交互、展示、统计、分析等，建立企业生产管理、政府监督管理、专家远程指导、产品质量追溯、电商交易管理、应急指挥于一体的上下联动体系，形成完整的农产品全产业链的监控管理体系[24]。

数字果业综合管理平台采用B/S架构，业务应用采用模块化设计，WEB服务与后台作业管理模式，是一个集数据获取、数据挖掘、数据展示、数据管理、数据告警、数据共享、数据安全为一体的农产品标准化生产数据综合展示及交互平台。平台将各系统中的业务数据进行集中汇总、统计、分析，根据数据类别和分布领域等不同，通过综合管理平台进行监控展示与决策分析。通过对农产品数据的深入挖掘和分类分析，提供定制化开发的应用和服务。

系统技术架构设计遵循开放性、继承性、标准性、安全性、可靠性、拓展性的原则，确定可行的技术路线[25-26]。平台采用数据库统一部署，物联感知统一标准，农事活动统一填报，作业监管统一口径，信息服务统一平台，工作界面统一规范的原则。最终目标是实现农产品标准化生产，数字果业综合管理平台起着提纲挈领的作用。平台功能模块如图5所示。

1.2.1农业物联网监控管理系统设计农业物联网监控管理系统是在构建气象及墒情监测系统、土壤养分监测系统、智能温室监控系统、智能组培室监控系统、水肥一体化系统、病虫害监测预警系统、果树生理健康监测系统的信息化基础之上，通过对以上环境产生的各类物联网环境数据采集、监测及控制，实现数据分时统计与分析，指导农产品标准化生产。功能模块如图6。

1.2.2种植生产管理系统设计种植生产管理系统基于果业管理及农产品标准化生产管理系统开发应用，旨在为广大果农提供农业生产便捷、信息化的管理系统，为农产品大数据提供管理数据资源，为农产品质量追溯绿色档案提供数据支撑，集农业生产管理与生产推销于一体，包括生产主体数据及其生产过程数据，对作物生长不同时期生长、生产过程数据汇总、分析、展示，寻找适合作物生长环境，指导下一步种植。

种植生产管理系统实现企业对种植生产过程的信息采集和跟踪管理，包括农业化学投入品使用记录和农事操作记录，详细记录基地的地块生产单元、投入品购买和使用档案、年度生产档案、详细农事活动、产品抽检记录、销售出库档案等。建立电子化生产档案，规范生产档案库管理，并能够覆盖到种植业、农产品加工业的管理范围。除陕西企业的信息外，还包括果业的供应商（生产企业）信息。平台通过为果业企业及其供应商（生产企业）分配系统账号，便于生产企业使用生产管理系统对生产管理过程全程的信息采集和跟踪管理。信息化基础比较薄弱的用户，可以通过移动App实现便捷操作或人工手动记录全程生产档案，为农产品安全溯源系统提供真实可靠的溯源信息基础。

1.2.3专家远程服务系统设计专家远程服务系统构建以专家咨询服务为核心的专家服务体系，充分发挥系统专家资源，切实、快速、准确、有效地帮助广大果农解決生产过程中遇到的问题，帮助其提高种植技术。专家远程服务系统以专家服务为核心，针对果树常见病害提供多种方式的专家远程诊断、咨询解答、农技知识和病虫害防治等信息推送、配备测土配方施肥、病虫害、种子、种植等相关专家，在线通过数据、图片、视频等方式进行指导。同时，根据大数据分析技术，结合各项业务数据、农户行为数据等，帮助农户实现精准农技远程服务。

建设专家远程服务系统主要为企业或农户提供远程在线指导服务。用户通过手机或查询机访问本系统，在编辑栏输入所要咨询的内容，如植物病害（发病时期、发病图片、发病状况等），系统自动根据主题内容对应行业专家，专家给出指导意见并反馈给用户，该系统支持语音服务、知识库服务、预约服务等，系统支持多种操作方式，可全触屏操作语音自动识别，不需要用户任何键盘输入即可使用，为农业生产者提供了易用、实用、好用的咨询服务工具。

1.2.4农产品安全溯源系统设计农产品安全溯源系统是通过IT信息技术实现对农产品全流程信息的可追踪与可追溯，确保供应链每一个环节，可以完整、准确、实时的记录批次及种植、采摘、分拣、包装、储藏等关键过程的各种相关数据资料。平台能够连接生产、检验、监管和消费各环节，从系统的任何一个关键控制点均可以快速向上追溯或向下追踪各种信息，并生成相关报表，满足质量安全信息追溯管理的要求，规范生产经营行为，提升企业质量管控能力，切实保障产品品质。

果业农产品安全溯源系统分为生产过程信息采集系统和产品质量安全监控系统2个部分。该系统是为溯源体系建设服务的统一信息平台，该平台是构建于网络和软硬件基础平台之上的综合信息系统，在图形界面的软件环境下，实现果品质量信息采集、审核处理、控制执行、科学决策的集成化、可视化、网络化和桌面化，实现对陕西果品的全程质量追溯与监管，完善果品质量安全追溯与监管体系建设。

系统技术架构如图7。（1）数据采集层主要是通过物联网设备、RFID设备、手机终端采集生产过程信息、投入品信息、仓储信息、分拣信息、包装信息、物流信息、检验检测信息、用户行为信息、消费者信息等。（2）数据中心层采集的各类数据通过网络上传到溯源平台，对这些数据进行分类存储，统计分析等。（3）平台层，整个溯源体系主要分为生产过程信息采集系统和质量安全监控系统两部分，前者负责采集上报信息，后者负责对各类信息进行审核管理。（4）用户层，系统用户主要为企业专业技术人员、种植户、企业管理人员等。（5）标准化体系贯穿整个生产过程和数据采集过程。（6）平台可对接政府监管平台，溯源的核心数据将作为信息综合管理平台的一部分进行应用和展示。

1.2.5农产品网上商城设计农产品网上商城是果业产销环节的重要部分，承担了果品在生产采摘后由田间地头到消费者的关键环节。同时建立陕西果品网上销售系统平台，以互联网营销为核心，将农产品溯源查询、农产品电子商务和农企官网建站深度整合，为农业企业打造一个互联网时代下集展示、营销、宣传于一体的平台窗口，提供一站式的互联网营销解决方案，帮助农企提高品牌影响力，推动农业产业结构的调整和资源优化整合。实现农产品的网上订单销售、线下物流发货的新零售商业模式，电商平台与农产品追溯系统的交互。

1.3数据中心设计

利用领先的服务器虚拟化技术将服务器进行整合和虚拟化，以较少的主机设备承载更多的业务系统，并完成与网络、存储等资源的联通协同工作，实现基础架构的高级别可用性和资源的灵活分配，同时佐以安全、备份、管理等层面的充分考虑，为数字果业打造一套先进、安全、智能的基础架构平台，敏捷响应并充分保障上层业务的运行。

平台的总体框架设计如图8。数据库架构采用主从模式，为保证高可读性，加入缓存数据库（redis）。主从模式可以保证数据库高可用性，当一台数据库服务损坏，可快整切换到另外一台（前提是数据库服务对外曝露采用浮动IP）；同时还起到备份作用。缓存数据库采用集群方式，防止突然崩溃导致缓存失效，短时间造成数据库压力增大，所有业务频繁使用的数据（如字典数据、配置数据、规则数据等）放入缓存，当修改时同步到缓存中，保证数据一致性。

2数字果业综合信息管理平台的实现

本研究的数字果业综合信息管理平台将物联网、移动互联网、云计算技术与传统农业生产相结合，通过部署在农作物产区现场的各种传感器、控制器、監测站和摄像头，全面展现和监测基地现场的大气环境、土壤环境、水质环境、作物长势、设备运行状态、病虫害情况等，实现对农业生产过程的科学化、精准化，自动化，标准化管理。力求搭建一个服务农业智能化的物联网监控服务平台，从生产侧，推动农产品安全、高质、标准化生产；从消费侧，搭建农村与城市之间的桥梁，让消费者能够更加直观了解农业生产现场和过程；从产业侧，提高农业生产智能化、经营网络化、管理数据化、服务在线化水平。平台采用软件即服务模式（SaaS）模式运营，同时支持“公有云”与“私有云”数据中心，用户只需通过浏览器或智能手机就可以轻松享用全部平台服务。

3结论与讨论

对数字果业综合信息管理平台的设计与实现，能够促进果业种植过程的科学化和规范化以及果业信息化。本文研究与设计的数字果业综合信息管理平台是在参考现有的农业技术服务系统的基础上，设计并实现的果业技术综合服务平台，设计了一个数字果业综合信息管理平台体系结构与果业信息的轻量级推送架构，其中功能模块主要有物联网监控管理、种植生产管理、专家远程服务、农产品网上商城与数据中心等。设计开发的数字果业平台综合信息管理平台已经通过测试，部分子系统已经投入使用，但仍然存在一些不足，在接下来还有一些工作需要完善：（1）数字果业综合信息管理平台的功能还需要进一步扩充与完善，特别是为用户提供多种形式的信息获取和交流方式，比如微信、短信、WAP等。（2）在消息推送功能模块里，伴随着用户的增多，需要搭建一个高并发性的服务器，以及进行多应用的消息推送（手机App、Web网站、微信公众号）。

参考文献

[1]毛凤霞，罗瑾峰.陕西果业信息服务现状调查与分析[J].西安邮电学院学报，2012，17（2）：103-106.

[2]汪冰.我国农业信息化建设现状及发展研究[J].安徽农业科学， 2008，36（21）：9330-9331.

[3]郑勇涛，刘玉树.支持向量机解决多分类问题研究[J].计算机工程与应用，2005，41（23）：190-192.

[4]张长学，张伟，董智明.移动推送技术面面观[J].移动通信，2011，35（5）：21-27.

[5]高嘉泽，高强，吴国全，等.面向移动应用的后端服务平台[J].计算机系统应用，2014，23（2）：22-27.

[6]Javed K， Maruf S， Babri H A. A two-stage Markov blanket based featureselectionalgorithmfortextclassification[J].Neurocomputing， 2015，157：91-104.

[7]吕晓燕，卢向峰，郝建胜.国内外农业信息化现状[J].农业图书情报学刊，2004，16（11）：121-125.

[8]戴起伟，曹静，凡燕，等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.

[9]宋枫溪，郑如冰，王积忠.自动文本分类中两种文本表示方式的比较[J].计算机工程，2004，30（18）：124-126.

[10]邵小哲，吴国全，魏峻，等.面向移动平台的消息通讯服务设计与实现[J].计算机工程与科学，2013，35（9）：78-82.

[11]张俊丽.文本分类中的关键技术研究[D].武汉：华中师范大学， 2008.