山东省智慧果业云服务平台的设计与实现*

崔冬冬，王晓芳，李 晨，周 菲，李颖芳，亓雪龙，陶吉寒

（山东省果树研究所，泰安 271000）

智慧农业是农业生产的高级阶段[1]，以信息和知识为核心，将互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术，深入运用于农业领域的各个环节，实现农业信息感知、定量决策、智能控制、远程管理和个性化服务的全新农业生产[2-15]。果业是农业的重要组成部分，将现代信息化技术引入果业发展的各个环节，势必能促进果业信息化的全面发展，也能推进现代果业生产经营能力和综合实力的提升[16-17]。

我国果业信息化经过多年建设，基础网络、硬件设备、软件开发、应用水平等方面都有了较大发展，在渐进的建设过程中，各级果业部门建立了大量信息化应用系统，但由于建设时缺乏统一的顶层设计、技术架构和数据标准，导致数据分散、烟囱林立[18-19]。同时，我国智慧果业建设相比智慧农业较为落后，还未有综合性的涵盖全产业链的果业云服务平台面向社会公众开放。

本研究设计实现的山东省智慧果业云服务平台，将围绕果树种植的数字化、信息化管理，以及种植基地的可视化管理，结合农业机械的采购配套，建设体系化业务系统。为更好地服务于果树生产经营决策，促进果树产业发展，实现果业知识动态更新、数据共享应用，提升科研部门服务效能等提供技术支撑。

1 平台综合设计

1.1 开发工具

山东省智慧果业云服务平台基于SOA 架构，采用以XML技术与Web Services 技术为核心的组件化开发模式，实现了业务模块/组件的松藕合，系统通过组件化构建，实现了系统的高内聚、低耦合的特点，增加了系统的高重用性、可适用性、可维护性等优点，并有利于软件工程化管理。软件部署架构上采用B/S（浏览器/服务器）结构模式。在充分实现平台基本功能的基础上，同时考虑平台的可拓展性。

1.2 系统架构设计

平台采用数据、服务、业务和表现分离的多层设计理念，以安全可靠的数据管理为基础，以专业的数据服务模块为支撑，实现高效的业务处理能力，同时融合当前完备的安全、权限管理体系，保证平台稳定和安全可靠运行，充分考虑系统的兼容性和扩展性，能够在各种终端设备上以多种形式展现。平台主要分为数据层、服务层、业务层、通讯层、设备层和应用层6 个层次（图1）。

图1 山东省智慧果业云服务平台系统架构

1.2.1 数据层

为实现果树全产业链信息资源的整合、共享和统一管理，对数据进行标准化处理并分类存储，建立分类保存数据库，并建设数据库集群，避免了因重复建设和标准不统一造成的资源浪费。数据主要包括：基地基础数据、物联网传感采集数据、果树知识库、系统运维数据等。

1.2.2 服务层

服务层主要包含数据管理、界面框架、消息机制、接口服务、统计分析模型、报表服务、用户权限体系等。其中，以模块化和契约组合方式提供的各种服务引擎和服务策略，提高了平台的可扩展性、复用性和可适用性。

1.2.3 业务层

山东省智慧果业云服务平台挂接多个业务系统，包括物联网服务系统、大数据挖掘系统、人工智能/深度学习系统、微服务应用系统等业务系统，实现了综合管理服务。

1.2.4 通讯层

通讯层采用多种数据传输方式，提供高效安全的数据传输通道。包括基于广域无线网络的GPRS/3G/4G，基于固定网络接入的Internet 网络服务，基于局域无线网络的WiFi/蓝牙通讯，以及基于有线的设备之间局域通讯的RS485/RS232 等数字化总线通讯。

1.2.5 设备层

平台能够接入多种类型的传感器、控制器，可以使用无人机、农机作为信息获取、管理监控的载体手段，能够使用电脑、手机作为数据、信息交互的工具，还可以通过配套的检测设备获取所需的数据。同时，作为运行的基础，相关的服务器、云服务器、网络路由交换设备，也是项目中所配备的基础性设备。

1.2.6 应用层

平台支持各种可视化呈现、远程监控、远程控制、智能提示，提供了移动应用APP、电脑端软件、嵌入式应用等多种形态的产品。按照实际的业务板块，划分为多个具体的子应用系统，实现项目所需的各项业务功能。

1.3 功能设计

山东省智慧果业云服务平台是针对整个山东省果业情况进行信息化管理和展示，基于物联网、人工智能等先进技术的果树种植数字化管理，并为果树产业提供知识服务等功能为一体的综合性系统平台。

按照统一规划、顶层设计、分步实施的原则，山东省智慧果业云服务平台总体功能结构（图2）和智慧果园APP 功能结构（图3）如下所示。

图2 山东省智慧果业云服务平台总体功能结构

图3 智慧果园APP 功能结构

1.4 用户角色介绍

山东省智慧果业云服务平台用户角色主要分为3 种：系统管理员、工作人员、普通用户。

系统管理员具有平台中所有的权限，可以进入软件的系统管理模块，进行增加、修改、删除、授权等操作，主要负责系统建设和运行稳定。工作人员具有除了系统管理模块之外的所有权限，登录后可以进入平台进行果树种植相关的业务操作。普通用户仅浏览平台门户网站首页相关内容。

2 平台应用

该服务平台以门户网站形式搭建总体框架（图4），门户网站栏目组成包括首页、大数据中心、综合服务、智慧果园、科技成果几个部分。

图4 山东省智慧果业云服务平台门户网站

2.1 平台首页

平台首页展示平台logo 及名称、菜单导航、果业图片、新闻动态、知识服务、快捷导航、技术支持等部分。

2.2 系统登录

用户如需访问智慧果园下属相关子业务系统，需要登录，或者直接点击网站首页右上角，系统提供单独登录页面，输入用户名和密码，点击立即登录，即可正式进入系统，访问系统各功能模块。

2.3 果园遥感

该栏目主要是集成果园无人机航拍图像数据，目前已实现了山东省果树研究所金牛山基地无人机航拍图像的可视化呈现和图像查看。

2.4 产业一张图

产业一张图以综合信息汇聚和可视化图表的方式，集中展示果园基地的关键性信息，用来做基地和平台整体化数据的呈现。目前已实现了山东省果树研究所金牛山基地的呈现。

2.5 智能虫情

智能虫情是基于虫情测报灯设备，结合智能虫情识别算法，实现对果园虫情发生情况的监测、分析展示。包含虫情分布、虫情监测、虫情分析三大模块。

2.6 果园气象

果园气象是基于气象站设备，实现对果园各区域实时气象信息的展示及历史气象数据的存储、展示、导出。

2.7 生长监测

生长监测是基于果实膨大传感器和茎秆微动传感器，通过物联网设备，在系统实现对被监测果实和茎秆的变化情况，包括实时数据和历史数据的图表化展示，支持历史数据的导出。

2.8 农机作业

农机作业模块是通过为农机配装物联网终端设备，实现农机作业过程的行驶路线轨迹、作业时间等数据的收集和远程传输，以可视化的方式，呈现农机作业数据和信息，提供农机的分类管理等。包含农机运行、作业信息、历史轨迹、数据分析、地理围栏、农机档案六大功能模块。

2.9 果园知识库

果园知识库是一套果树病虫害知识管理系统，包括病虫害知识库、知识库管理、基础数据管理三大模块。

2.10 资源基地

资源基地是基于GIS，实现基地、区域、种植树种、品种的管理。包括基地管理、区域管理、树种管理、品种管理四大模块。

2.11 果品溯源

基于气象站的气象数据、果品信息、现场图像数据等，可生成果品溯源档案信息，提供溯源二维码的生成、打印、下载，手机微信扫描二维码，即可查看相应果品的溯源信息。

2.12 水质监测

水质监测是基于各类水质监测传感器，通过物联网设备，在系统实现对水源水质的变化情况，包括实时监测、历史数据、统计分析3 个模块。

2.13 土壤监测

土壤监测，即土壤肥力管理系统，是基于果园内土壤样品采集、实验室检测、检测结果录入后进行分析呈现的系统，主要包括土壤肥力分布、土壤采集管理、检测结果管理、养分类别管理4 个功能模块。

2.14 监测预警

监测预警主要是通过监测指标设置，对环境监测（如水质、土壤）、病虫害发生、天气灾害发生进行预测预报。包括预警服务、监测指标、监测记录3 个模块。

2.15 系统管理

系统管理功能主要实现用户管理、角色管理、权限管理以及智慧果业云服务平台网站的后台管理功能。仅管理员账号登录后才显示该功能菜单。

2.16 手机APP

手机APP 在智慧果业云服务平台登录页面进行扫码下载（仅支持安卓版手机），下载安装完成后，点击APP 图标，进入应用（图5）。

图5 智慧果园APP 界面

3 小 结

智慧果业云服务平台在山东省的应用表明，该平台整合果业生产资源和管理服务资源，为果业生产和科研服务，可以全面摸清山东省果业的资源底牌、市场底牌、技术支撑、科技支撑的实际情况，集成空间信息、资源信息和管理信息，涵盖果树区域生产、病虫害防治、果园知识库和溯源等全产业链过程，全面梳理和整合山东省果业的综合信息资源，推进现代果业生产的标准化、精准化、数字化发展，具备良好的稳定性和实用性，可在其他地区推广应用。其他类别的农业资源管理还需在今后的应用中进一步研究和扩展。

未来，在国家“十四五”规划指引下，山东省智慧果业云服务平台的整体框架将进一步完善扩展，将探索如何通过智慧云平台的数据积累，建立全面且权威的专家知识库，确保果业资源的有效管理和合理利用；利用高光谱技术、仿真技术等现代信息化手段实现果树的标准化、数字化管理技术集成，建立适合现代果业发展要求的数字资源体系，从而在果业管理、果业生产和环境保护方面提供更广泛、更深入、更有效的服务需求，切实解决果业发展的生产难、销售难、监管难的问题，支撑山东省果业信息化的建设，推进山东省果业的绿色可持续发展。