劉寧趙建華

（1.商洛學院經(jīng)濟與管理學院，陜西商洛 726000；2.商洛學院數(shù)學與計算機應用學院，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

劉寧1趙建華2

（1.商洛學院經(jīng)濟與管理學院，陜西商洛 726000；2.商洛學院數(shù)學與計算機應用學院，陜西商洛 726000))

為了提高商洛市智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺。平臺包括商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務平臺和商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺。通過采集、存儲商洛市各類農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、分析預測和決策分析等功能。同時，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)作物生長信息數(shù)據(jù)庫，使用智能決策算法實現(xiàn)對農(nóng)作物自動化控制和病情智能診斷，提高商洛農(nóng)業(yè)精細化管理水平。最后，對平臺的應用前景和存在問題進行分析。

智慧農(nóng)業(yè)；信息平臺；智能決策；機器學習

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，是集計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為一體，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導等，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。

全世界許多國家，在發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)上達成了共識，智慧農(nóng)業(yè)技術已經(jīng)在歐美國家的農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理和農(nóng)產(chǎn)品安全溯源領域中得到廣泛應用，如美國加州大學洛杉磯分校建立了林業(yè)資源環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，對林業(yè)進行統(tǒng)籌管理［1］；法國建立了完備的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡，指導施肥、施藥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程［2］。我國出臺了一系列政策，促進物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應用。許多省市開始發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)并出現(xiàn)了許多成功案例，如河南某移動運營商用手機管理種花大棚［3］；南京某物聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)技術應用案例，在某農(nóng)場30個標準化大棚內(nèi)，布滿了40個傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)，憑借這些數(shù)據(jù)，操作人員用手機或電腦對蔬菜進行實時了解和掌控［4］；江蘇省宜興市采用物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)控幾十畝的水塘，實現(xiàn)智能化［4］。同時，國內(nèi)一些城市將物聯(lián)網(wǎng)應用到農(nóng)業(yè)領域，實現(xiàn)糧食的質(zhì)量追溯［5-6］，江蘇部分城市將物聯(lián)網(wǎng)技術在水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進行實際應用，并取得了較好成效［7-8］。

商洛作為一個傳統(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)營規(guī)模小，農(nóng)業(yè)社會化服務體系不健全，組織化程度較低，市場競爭力差。這些現(xiàn)狀和問題，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。

本文結合商洛地方實際，研究商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺關鍵技術，設計商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務平臺和商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺，實現(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)提供精準化種植和智能化決策，推動商洛市現(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

1.1 商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務平臺

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個組成部分。商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務平臺主要實現(xiàn)信息的智慧處理，在已經(jīng)建成的、不斷升級的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件平臺上進行研究。已建成的物聯(lián)網(wǎng)平臺使用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，將多個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署在農(nóng)田里，構成自組織的網(wǎng)絡子系統(tǒng)，隨時獲取農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，比如農(nóng)作物生長過程中息息相關的環(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)綜合服務平臺，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智慧處理。通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)抽取，將相關數(shù)據(jù)通過整理、校對、核準后，實現(xiàn)對于農(nóng)業(yè)信息的采集與發(fā)布、農(nóng)業(yè)資源動態(tài)監(jiān)測展示、電子物流與商貿(mào)管理等，最終實現(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。

圖1 商洛市智慧農(nóng)業(yè)綜合服務平臺

平臺如圖1所示，主要包括農(nóng)業(yè)信息采集發(fā)布、農(nóng)業(yè)資源動態(tài)監(jiān)測、信息管理與分析決策等模塊。通過采集、存儲商洛市各類農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、分析預測和決策分析等功能。

1.2 商洛市農(nóng)作物智能診斷綜合平臺

建立商洛市農(nóng)作物生長信息數(shù)據(jù)庫，并建立商洛農(nóng)作物監(jiān)測診斷綜合平臺，利用知識庫、機器學習理論、自學習算法進行智能決策，實現(xiàn)對農(nóng)作物遠程監(jiān)測、自動化控制和專家咨詢診斷，提高農(nóng)業(yè)精細化管理水平。依據(jù)不同農(nóng)作物的生長信息，提取不同的特征信息，將其進行分類和標記。同時對采集的特征信息進行歸一化處理，使用處理后的數(shù)據(jù)信息訓練機器學習算法，建立學習模型，實現(xiàn)對農(nóng)作物監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能決策和病情綜合診斷。

比如根據(jù)商洛地區(qū)小麥的生長情況，把小麥苗情劃分為一類苗、二類苗、三類苗及旺苗。有機結合專家經(jīng)驗及現(xiàn)代農(nóng)學的研究成果，得到苗情狀況與環(huán)境因子、生理參數(shù)指標之間的規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律對小麥苗情和氣象災害進行診斷。具體過程是，通過對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，將小麥生長適宜指標以及小麥當前生長狀態(tài)比對相關知識規(guī)范和專家知識，智能推論得出小麥診斷結果，給出相應的專家建議、調(diào)優(yōu)技術方案和災害調(diào)控方法。

智能診斷綜合平臺中，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，分別對數(shù)據(jù)樣本進行分類標記，實現(xiàn)對農(nóng)作物未知特征信息類別進行預測，實現(xiàn)綜合診斷。本文設計了一種多分類器協(xié)同的智能決策算法，實現(xiàn)對農(nóng)作物的智能決策。

決策方案如圖2所示，粗直線代表無標記樣本的流向，細直線表示有標記樣本的流向，L表示有標記樣本集，U表示無標記樣本集，用抽樣方法對L進行抽樣，將其分為3個訓練集L1、L2和L3，使用L1、L2和L3訓練有監(jiān)督分類算法，生成3個分類器C1、C2和C3，通過3個分類器實現(xiàn)對無標記樣本的預測，當3個分類器預測標記一致時，才將該標記作為最終的決策標記。

算法中3個分類器的訓練集樣本始終是不同的，同時3個訓練集中訓練樣本的數(shù)目基本上是一致的。最開始，將標記樣本集L等分為L1，L2和L3 3個小樣本集合，3個小樣本集中的樣本之間互相不重復。接著，在L1，L2和L3訓練集中，采用有監(jiān)督分類算法分別訓練3個分類器C1，C2和C3。從無標記的訓練集U中選取樣本，用分類器C1，C2和C3分別對選取的樣本進行預測標記。對于某個無標記樣本，若3個分類器對其預測的類型值一致，則用該預測值為預測值。

算法主要通過以下幾個方面，實現(xiàn)分類器之間的差異性，提高對無標記樣本的正確標記率。

1.2.1 初始化訓練集的差異性

首先，采用抽樣方法對L進行自助抽樣，產(chǎn)生3個差異性較大的子集L1，L2和L3作為初始的訓練集。抽樣方法的思路如下，首先統(tǒng)計標記樣本的總數(shù)目和各類別樣本的數(shù)目，計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，每個分類器采用一種分類算法。為了操作簡單，3個分類器也可以使用相同的有監(jiān)督分類算法訓練分類器。

1.2.3 決策函數(shù)

決策函數(shù)可以采用3個分類器投票一致的辦法，也可以采用加權投票法。為了操作簡單，可以使用三分類器投票一致的方法進行決策，即如果3個分類器預測結果一致，才把該標記作為最終的數(shù)據(jù)類型。

2 系統(tǒng)分析

智慧農(nóng)業(yè)的建設將為各類農(nóng)業(yè)相關用戶提供一個安全可靠、方便使用的數(shù)字化環(huán)境，提供不受時空限制的資源共享和個性化服務等，從而為各類用戶提供有效地技術支持和服務功能，促進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系信息化上升到一個更高的層次?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有遠大的推廣應用價值和應用前景?？梢詫⑵渫茝V到農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測、智能物流和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源等各個領域。

不過，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展對基礎設施的依賴性較高，必須有配套的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件設備作為基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能獲取，同時要解決物聯(lián)網(wǎng)和云計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智慧流通。我們通過實驗室內(nèi)已有的少量無線傳感器節(jié)點采取數(shù)據(jù)和信息傳遞，也可以通過模擬數(shù)據(jù)進行實驗。

另外，由于農(nóng)作物類型多樣，數(shù)據(jù)復雜，數(shù)據(jù)規(guī)模大。可通過優(yōu)化數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)結構，建立可擴充的數(shù)據(jù)模型，提高平臺的可適用性。

3 結語

本文結合商洛地方實際，研究商洛市智慧農(nóng)業(yè)信息平臺關鍵技術，提出了一種智能決策方法，實現(xiàn)對農(nóng)作物的智能診斷。為商洛市智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術支持，加速商洛市智慧農(nóng)業(yè)的實施，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。推動商洛市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，轉變基層政府職能，提高基層政府監(jiān)管和服務水平。提出的思路和方法對其他地方智慧農(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：1003-568（2015）03-0017-3

2015-2-18

商洛學院科研項目資助（項目編號：14SKY006），商洛市科技計劃項目（編號：SK2014-01-15）。

劉寧（1981-），女，碩士，講師，研究方向：機器學習、物聯(lián)網(wǎng)。