劉寧趙建華

（1.商洛學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西商洛 726000；2.商洛學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)院，陜西商洛 726000))

基于物聯(lián)網(wǎng)的商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)

劉寧1趙建華2

（1.商洛學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西商洛 726000；2.商洛學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)院，陜西商洛 726000))

為了提高商洛市智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)。平臺(tái)包括商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)和商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺(tái)。通過(guò)采集、存儲(chǔ)商洛市各類農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、分析預(yù)測(cè)和決策分析等功能。同時(shí)，提出了一種多分類器協(xié)同智能決策算法，建立一整套商洛市農(nóng)作物生長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，使用智能決策算法實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物自動(dòng)化控制和病情智能診斷，提高商洛農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平。最后，對(duì)平臺(tái)的應(yīng)用前景和存在問(wèn)題進(jìn)行分析。

智慧農(nóng)業(yè)；信息平臺(tái)；智能決策；機(jī)器學(xué)習(xí)

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)階段，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)為一體，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、專家在線指導(dǎo)等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精確化種植、可視化管理和智能化決策。

全世界許多國(guó)家，在發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)上達(dá)成了共識(shí)，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)已經(jīng)在歐美國(guó)家的農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)管理和農(nóng)產(chǎn)品安全溯源領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校建立了林業(yè)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)林業(yè)進(jìn)行統(tǒng)籌管理［1］；法國(guó)建立了完備的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)施肥、施藥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程［2］。我國(guó)出臺(tái)了一系列政策，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用。許多省市開(kāi)始發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)并出現(xiàn)了許多成功案例，如河南某移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商用手機(jī)管理種花大棚［3］；南京某物聯(lián)網(wǎng)公司開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用案例，在某農(nóng)場(chǎng)30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化大棚內(nèi)，布滿了40個(gè)傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)，憑借這些數(shù)據(jù)，操作人員用手機(jī)或電腦對(duì)蔬菜進(jìn)行實(shí)時(shí)了解和掌控［4］；江蘇省宜興市采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控幾十畝的水塘，實(shí)現(xiàn)智能化［4］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些城市將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)糧食的質(zhì)量追溯［5-6］，江蘇部分城市將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，并取得了較好成效［7-8］。

商洛作為一個(gè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)城市，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本不斷上升，產(chǎn)業(yè)化水平低。耕地零散，農(nóng)戶生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模小，農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)體系不健全，組織化程度較低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。這些現(xiàn)狀和問(wèn)題，都表明商洛市急需發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，急需發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，急需建立智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)。

本文結(jié)合商洛地方實(shí)際，研究商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)和商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)商洛農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能決策和智能分析，為商洛農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植和智能化決策，推動(dòng)商洛市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)

1.1 商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)

智慧農(nóng)業(yè)主要包括農(nóng)業(yè)的智慧感知、智慧流通和智慧處理3個(gè)組成部分。商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)信息的智慧處理，在已經(jīng)建成的、不斷升級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件平臺(tái)上進(jìn)行研究。已建成的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署在農(nóng)田里，構(gòu)成自組織的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，隨時(shí)獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，比如農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中息息相關(guān)的環(huán)境因素，如：空氣的溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤水分等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的全面覆蓋和智能感知；智能通訊終端將這些數(shù)據(jù)上傳至智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智慧處理。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)抽取，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)整理、校對(duì)、核準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)業(yè)信息的采集與發(fā)布、農(nóng)業(yè)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)展示、電子物流與商貿(mào)管理等，最終實(shí)現(xiàn)信息查詢、決策分析和信息訂閱，為最終的用戶提供全方面的信息管理與服務(wù)。

圖1 商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)

平臺(tái)如圖1所示，主要包括農(nóng)業(yè)信息采集發(fā)布、農(nóng)業(yè)資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息管理與分析決策等模塊。通過(guò)采集、存儲(chǔ)商洛市各類農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、分析預(yù)測(cè)和決策分析等功能。

1.2 商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺(tái)

建立商洛市農(nóng)作物生長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立商洛農(nóng)作物監(jiān)測(cè)診斷綜合平臺(tái)，利用知識(shí)庫(kù)、機(jī)器學(xué)習(xí)理論、自學(xué)習(xí)算法進(jìn)行智能決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制和專家咨詢?cè)\斷，提高農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平。依據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，提取不同的特征信息，將其進(jìn)行分類和標(biāo)記。同時(shí)對(duì)采集的特征信息進(jìn)行歸一化處理，使用處理后的數(shù)據(jù)信息訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能決策和病情綜合診斷。

比如根據(jù)商洛地區(qū)小麥的生長(zhǎng)情況，把小麥苗情劃分為一類苗、二類苗、三類苗及旺苗。有機(jī)結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)代農(nóng)學(xué)的研究成果，得到苗情狀況與環(huán)境因子、生理參數(shù)指標(biāo)之間的規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律對(duì)小麥苗情和氣象災(zāi)害進(jìn)行診斷。具體過(guò)程是，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將小麥生長(zhǎng)適宜指標(biāo)以及小麥當(dāng)前生長(zhǎng)狀態(tài)比對(duì)相關(guān)知識(shí)規(guī)范和專家知識(shí)，智能推論得出小麥診斷結(jié)果，給出相應(yīng)的專家建議、調(diào)優(yōu)技術(shù)方案和災(zāi)害調(diào)控方法。

智能診斷綜合平臺(tái)中，智能決策算法是核心。在這里，智能決策的主要作用是根據(jù)農(nóng)作物已有特征信息，分別對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分類標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物未知特征信息類別進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)綜合診斷。本文設(shè)計(jì)了一種多分類器協(xié)同的智能決策算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能決策。

決策方案如圖2所示，粗直線代表無(wú)標(biāo)記樣本的流向，細(xì)直線表示有標(biāo)記樣本的流向，L表示有標(biāo)記樣本集，U表示無(wú)標(biāo)記樣本集，用抽樣方法對(duì)L進(jìn)行抽樣，將其分為3個(gè)訓(xùn)練集L1、L2和L3，使用L1、L2和L3訓(xùn)練有監(jiān)督分類算法，生成3個(gè)分類器C1、C2和C3，通過(guò)3個(gè)分類器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)標(biāo)記樣本的預(yù)測(cè)，當(dāng)3個(gè)分類器預(yù)測(cè)標(biāo)記一致時(shí)，才將該標(biāo)記作為最終的決策標(biāo)記。

算法中3個(gè)分類器的訓(xùn)練集樣本始終是不同的，同時(shí)3個(gè)訓(xùn)練集中訓(xùn)練樣本的數(shù)目基本上是一致的。最開(kāi)始，將標(biāo)記樣本集L等分為L(zhǎng)1，L2和L3 3個(gè)小樣本集合，3個(gè)小樣本集中的樣本之間互相不重復(fù)。接著，在L1，L2和L3訓(xùn)練集中，采用有監(jiān)督分類算法分別訓(xùn)練3個(gè)分類器C1，C2和C3。從無(wú)標(biāo)記的訓(xùn)練集U中選取樣本，用分類器C1，C2和C3分別對(duì)選取的樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)標(biāo)記。對(duì)于某個(gè)無(wú)標(biāo)記樣本，若3個(gè)分類器對(duì)其預(yù)測(cè)的類型值一致，則用該預(yù)測(cè)值為預(yù)測(cè)值。

算法主要通過(guò)以下幾個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)分類器之間的差異性，提高對(duì)無(wú)標(biāo)記樣本的正確標(biāo)記率。

1.2.1 初始化訓(xùn)練集的差異性

首先，采用抽樣方法對(duì)L進(jìn)行自助抽樣，產(chǎn)生3個(gè)差異性較大的子集L1，L2和L3作為初始的訓(xùn)練集。抽樣方法的思路如下，首先統(tǒng)計(jì)標(biāo)記樣本的總數(shù)目和各類別樣本的數(shù)目，計(jì)算各種類別樣本的比例，按照比例和抽樣子集的大小，確定每個(gè)分類器中各種類別樣本的組成。

圖2 多分類器協(xié)同的智能決策方案圖

1.2.2 分類器中算法的類型

為了增大幾個(gè)分類器之間的差異性，可以選取幾種不同的有監(jiān)督分類算法，每個(gè)分類器采用一種分類算法。為了操作簡(jiǎn)單，3個(gè)分類器也可以使用相同的有監(jiān)督分類算法訓(xùn)練分類器。

1.2.3 決策函數(shù)

決策函數(shù)可以采用3個(gè)分類器投票一致的辦法，也可以采用加權(quán)投票法。為了操作簡(jiǎn)單，可以使用三分類器投票一致的方法進(jìn)行決策，即如果3個(gè)分類器預(yù)測(cè)結(jié)果一致，才把該標(biāo)記作為最終的數(shù)據(jù)類型。

2 系統(tǒng)分析

智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)將為各類農(nóng)業(yè)相關(guān)用戶提供一個(gè)安全可靠、方便使用的數(shù)字化環(huán)境，提供不受時(shí)空限制的資源共享和個(gè)性化服務(wù)等，從而為各類用戶提供有效地技術(shù)支持和服務(wù)功能，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系信息化上升到一個(gè)更高的層次?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)大的推廣應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景?？梢詫⑵渫茝V到農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能物流和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源等各個(gè)領(lǐng)域。

不過(guò)，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性較高，必須有配套的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件設(shè)備作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能獲取，同時(shí)要解決物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智慧流通。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有的少量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采取數(shù)據(jù)和信息傳遞，也可以通過(guò)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

另外，由于農(nóng)作物類型多樣，數(shù)據(jù)復(fù)雜，數(shù)據(jù)規(guī)模大。可通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立可擴(kuò)充的數(shù)據(jù)模型，提高平臺(tái)的可適用性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合商洛地方實(shí)際，研究商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種智能決策方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能診斷。為商洛市智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，加速商洛市智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)施，提升商洛市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新能力，加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。推動(dòng)商洛市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，轉(zhuǎn)變基層政府職能，提高基層政府監(jiān)管和服務(wù)水平。提出的思路和方法對(duì)其他地方智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展也具有一定的借鑒作用。

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Intelligent Agricultural In formation Platform in Shangluo City based on Internetof Things

Liu Ning1Zhao Jianhua2
（1.Schoolof Economicsand Management,Shangluo University,Shangluo，Shaanxi726000；2.SchoolofMathematics and Computer Application，ShangluoUniversity，Shangluo，Shaanxi726000）

In order to improve the development pace of intelligentagriculture in Shangluo city，this paper designed an intelligent agricultural information platform of Shangluo city based on Internet of things.The platform included comprehensive service platform of intelligent agriculture and integrated platform of intelligent diagnosis for crops in Shangluo city.Through the collection and storage of all kinds of crop information data in Shangluo city，it was to achieve unifiedmanagementand coordination，analysis and forecasting，decision analysis and other functions.At the same time，the paper proposed a multi-classifier cooperation decision algorithm.Then a set of growth information database for Shangluo city crops was established，the intelligent decision algorithm was used to realize automatic control and intelligent diagnosisof crop disease，and improve the agriculture refinementmanagement level.Finally，theprospectof implementation and the existing problemsof the platform were analyzed.

intelligentagriculture；information platform；intelligentdecision；machine learning

F326

：A文章編號(hào)：1003-568（2015）03-0017-3

2015-2-18

商洛學(xué)院科研項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：14SKY006），商洛市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：SK2014-01-15）。

劉寧（1981-），女，碩士，講師，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)。