基于辣椒生产技术信息平台建设研究与开发

基于辣椒生产技术信息平台建设研究与开发

绪言 李凝 潘昌勇

贵州省山地农业机械研究所，贵州狼邦科技有限公司 ,贵州 贵阳 550007

【摘要】为贵州辣椒生产提供现代化信息技术服务，使贵州辣椒产业的可持续发展提供数据支撑和参考，分析当前贵州辣椒产业发展现状，研究如何利用现代化技术应用于辣椒生产过程，从而实现科学化种植、合理化用药、智能化管理的目标。本平台主要以智慧农业为建设目标，集成应用互联网、移动互联网、物联网技术、音视频技术、传感器技术、无线通信技术等为一体，系统构成以1+6的组成模式，即1个平台+6个应用，具体包括水肥一体化自动灌溉系统、农产品溯源系统、视频监控系统、专家咨询系统、农产品电子商务系统、农业环境检测系统(农业气象站)。

【科研项目】贵州省科技厅科研机构服务企业行动计划“贵州省现代高效农业示范园区辣椒生产机械化技术研究与应用”项目之“辣椒生产技术信息平台建设”，【黔科合平台人才[2017]5708号】。

【关键词】辣椒生产；信息平台开发

前言

智慧农业，对于大多数人来说已经不再陌生，目前在我国发达的省份已在普遍使用并已经生产一定的运用效果。智慧农业通过生产领域的智能化、经营领域的差异性以及服务领域的全方位信息服务，推动农业产业链改造升级，实现农业精细化、高效化与绿色化，增加农产品质量安全、农业竞争力提升和农业可持续发展。因此，智慧农业是我国农业现代化发展的必然趋势，需要从培育社会共识、突破关键技术和做好规划引领等方面入手，促进智慧农业发展。那么，在贵州是否适用智慧农业的技术应用，为贵州辣椒生产种植技术提供一定的推动和发展作用呢？这正是本项目所研究的主要内容。

一、行业分析

1、贵州辣椒产业发展现状

辣椒，是贵州最具代表性的传统特色优势产业。作为贵州大力发展的12个农业特色优势产业之一，辣椒产业的发展备受关注。当前贵州正全力推进辣椒产业全链条向规模化、集群化、高端化、国际化发展，加快从“辣椒大省”向“辣椒强省”转变。贵州具有适宜辣椒生产的气候条件、自然环境等条件，政府部门出台了支持辣椒产业发展的多项政策，这些是贵州开展辣椒种植、加工的有利条件。

贵州是我国辣椒生产种植优势产区，其气候适宜于辣椒营养和风味物质的形成和积累，适宜高品质辣椒生产；贵州辣椒品种资源丰富，与独特的产地环境结合，形成了贵州辣椒的独有特色。近年来，贵州辣椒产业规模逐渐扩大，已成为带动贵州农民脱贫致富的大产业。

贵州省农业农村厅在2020年的贵州省辣椒产业发展对接会上提出，2020年贵州省计划种植辣椒515万亩，预计产量685万吨，产值230亿元，加工产值135亿元，交易额突破750亿元。由此可见，在提高种植量的同时，也要注重辣椒产品的质量，质量决定品质，品质决定市场。如何使用科学化种植、合理化用药、智能化管理，最终使生产出来的辣椒产品深受消费者的喜欢，这将是每个种植辣椒的人最为关心的核心问题。

2、加强智慧农业在贵州的应用

目前贵州围绕大数据应用发展智慧农业，是农业转型升级的有效路径，是我省发展现代山地特色高效农业的重要支撑。相比传统的人工种植，机械化种植及智能化管理带来的变化是“革命性”的：既能减轻劳动强度，又能降低生产成本、提高效率，同时促进增产增收。有助于降低人力资源成本、扩大生产规模、增加农业产业链价值、提升农产品市场竞争力、促进绿色发展,是实现贵州山地特色现代高效农业的发展路径。

随着农村产业革命向纵深推进，必须进一步强化大数据在农业生产、农业统计、市场销售和农业监管上的广泛应用,推进贵州农业智能化发展。

贵州地形地貌复杂，有海拔高达2000m以上的高寒地带，也有海拔低于500m的河谷地带；有土地肥厚的万亩大坝，也有土壤瘠薄的石漠化山区；不同的民族区域和不同文化区域，有不同的食辣习惯和审美情趣。因此，要依托贵州名椒众多、小气候类型丰富、民族文化多元的特点，形成一区一特生产格局，发展特色高品质辣椒。

进一步强化“大数据+智慧农业”的应用，有助于降低人力资源成本、扩大生产规模、增加农业产业链价值、提升农产品市场竞争力、促进绿色发展,是实现贵州山地特色现代高效农业的发展路径。随着农村产业革命向纵深推进,必须进一步强化大数据在农业生产、农业统计、市场销售和农业监管上的广泛应用,推进贵州农业数字化、智能化发展。

二、研究内容与技术线路

1、研究内容

本课题主要利用现代化技术应用于辣椒生产过程，通过应用互联网、移动互联网、物联网技术、音视频技术、传感器技术、无线通信技术等为一体，系统构成以1+6的组成模式，即1个平台+6个应用，具体应用包括水肥一体化自动灌溉系统、农产品溯源系统、视频监控系统、专家咨询系统、农产品电子商务系统、农业环境检测系统（农业气象站）等系统的研究与开发。

2

、技术线路

辣椒生产技术信息平台基于B/S模式开发，数据统一集中管理，运行方式以服务器+客户端的形式组成。客户端可以通过浏览器即可实现快速接入，移动端可下载手机App并安装后即可使用。以下为技术类型：

【操作系统】服务器操作系统Windows server 2008 R2及以上版本。

【运行组件】IIS7.0+.Net Core 2.1（无托管模式）。

【数据库】MySql 8.0或MsSql 2008以上版本。

【开发语言】.Net Core（C#）+VUE+HTML5+CSS3+p+JavaScript，基于MVC的开发模式。

【浏览器】支持IE9以上版本（极速模式）以及各种主流浏览器（极速模式）。

【硬件配置】CPU4核、内存4G、硬盘100G。

三、平台规划及架构

1、平台设计原则

安全性、可靠性、实用性、效率性、健壮性、标准性、扩展性、先进性、友好性、完整性。这是作为系统架构及软件设计人员需要考虑的十大主要原则。

2、技术线路选型思考

软件平台采用什么样的开发工具、编程语言、数据库、系统架构，需要系统分析人员，并结合当前项目的具体要求，以及技术的发展方向和未来变化，既要满足项目要求又要跟得上技术前沿，然后才最终确定相关的技术线路。

3、数据存储的方式选择

根据项目的要求，数据需要异地远程存储。为此，在选择项目示范基地时，最为重要的因素之一就是辣椒种植基地首先要能链接互联网，无论通过无线传输，还是有线传输，需要系统设计人员者实地考察与分析，规划设计出经济适用的数据传输方案。经过调查，由于此项目的种植示范基地原来已经接有专线网络，并且拥有独立的公网IP，满足本项目接入Internet互联网问题。

4、网络数据传输规划

由于科研示范基地的视频监控和农业环境检测系统（农业气象站）硬件设备所采集到的实时数据，需要异地远程传输到数据中心，先对数据中心及辣椒种植示范基地原有的内部网络结构了解情况，才能规划出符合项目实际要求的相关设计图，既要正常接入双方原有网络，又要不影响原有网络的正常应用。解决方案是：为了不影响原有网络用户的内网IP地址产生冲突，单独规划出不同的局域网IP地址段进行端口映射。

5、平台总体架构图

图-1：辣椒生产技术信息平台系统架构

图-2：数据存储及网络架构图

四、数据库及表设计

1、数据库类似的选择原则

数据库有多种类型，选择正确类型则是数据库设计的关键。我们可以将数据库以两种方式分类。一是基于数据库用以定义和操作数据的查询语言。使用SQL的数据库是结构化数据最常用的类型。然而，由于NoSQL数据库的可伸缩性、灵活性和速度更优，它们更适合机器学习、网络分析以及物联网（IOT）使用。第二种分类方式则是基于数据模型。这样分类会有四种类型：关系数据库、分层数据库、网络数据库以及面向对象的数据库。研究数据库的不同类型，并针对应用需求作出选择，这是必要的初始步骤。

2、数据库的设计的重要性

数据库是任何一种软件信息系统或平台的灵魂，没有数据的软件，就无法体现出软件自身的功能和特点。数据库负责为软件提供存储及运行时所需要的一切数据，作为数据库设计人员，首先要解软件的功能、定位、应用领域、应用场景、使用人群，才然才能确定最终选择什么类型的数据库，以及该设计有哪些表及字段，字段的类型、长度，表与表之间的逻辑关系等。

3、数据库表设计规划

作为数据库设计人员，数据库该分成哪些表，几个表，有时我们既要结合软件实际要求也要结合开发技术积累经验，及时召开项目开发人员沟通讨论，并且根据软件需求说明书、技术开发规范文档、软件UI设计效果图、软件UML业务图说明等相关的文档进行设计和优化。

4、数据库表分类设计

根据项目需求及后期扩展，最终选择的数据类型为MySql8.0作为数据库，其数据库表设计共分为:系统底层架构表、基础数据表、业务数据表三种大类型。具体数据库表有：系统底层框架表：权限管理表、用户角色表、功能配置表、管理账号表、用户日志表、系统日志表、菜单管理表、系统配置表；基础数据表：地区数据表、用户信息表、民族分类表、账号管理表、用户类型表、企业信息表、企业类型表、产品分类表、咨询分类表、新闻分类表、新闻信息表；业务数据表：咨询信息表、咨询回复表、专家信息表、产品信息表、店铺信息表、订单信息表、溯源档案表、农事记录表、水肥记录表、生长环境表、检测报告表、产品认证表、产品视频表

5、表字段设计

根据需求分析文档，把数据进行分类出来进行归类后，接下来就是针对每一个表的字段进行设计与规划，在设计具体的字段名称、字段类型、字段长度、默认值、是否为空等关键属性，首先要根据具体真实数据来确定，不能随意设置类型或长度，要不然然后无法录入数据，或都数据录入格式不正确，不完整等问题。以下为数据设计常用规范:

本平台的命名规划采用的是骆驼式命名法（Camel-Case）又称驼峰式命名法，是电脑程式编写时的一套命名规则（惯例）。正如它的名称CamelCase所表示的那样，是指混合使用大小写字母来构成变量和函数的名字。程序员们为了自己的代码能更容易地在同行之间交流，所以多采取统一的可读性比较好的命名方式。骆驼式命名法的命名规则可视为一种惯例，并无绝对与强制，为的是增加识别和可读性。

数据库名命名方式，一般都是根据自己的需求来命名即可，例如：公司名+数据库名+项目简称,LB_DataBas_LaJiaoPlatform,LB代表某一个公司的字母缩写，DataBase代表数据，LajJiaoPlatform代表辣椒平台。此命名是为了项目开发组其他成员能够快速识别，节省沟通时间，提高开发效率。

数据库表的命名方式与数据库列类似，比如我们定义新闻发布管理系统的相关表，我们可以这样进行命名，如：News_List表示新闻列表；News_Type表示新闻类型；Product_List表示产品列表，Product_Type表示产品类型，依此类推。以下是以用户表为设计示例：

表-1：用户信息表

在设计该表时，首先要根据项目的实际要求，需要采集用户的哪些数据项，并且确定哪一个数据类型具有唯一性，此时就需要将它设置为主键，作为这张表中查找某一个具体数据的位置记录。通常我们把编号来作为用户的唯一性标识，在现实中也有些个别系统也会用到手机号、身份证号等具有唯一标识来作为主键。列的顺序对于表来说无关紧要，但是从习惯上来说，采用“主键+外键+实体数据+非实体数据”这样的顺序对列进行排序显然能得到比较好的可读性。表-2为数据库表设计实例，在项目开发之前，必须明确和核对所有数据库表是否已经设计完成，每个表之间的关联字段，设计出所有数据表的关联图，方便程序开发人员快速识别的查询数据关联。以下是以用户信息表、产品信息表、问答信息表、订单信息表相互之间的关系逻辑图：

图-3：数据库关系图

6、数据库设计总结

数据库设计是软件开发中的重要技术环节之一，其应用水平的高低直接影响到软件的扩展性和运行效率等。选择一个高性能的数据库产品不等于拥有一个好的数据库应用系统，如果数据库系统设计不合理，不仅会增加用户端和服务器端程序的编程和维护的难度，而且还会影响系统实际运行的性能。主要涉及数据库各种性能优化技术，从而避免磁盘I/O瓶颈、减少CPU利用率、大内存的设置和减少资源竞争。数据库设计可以这些设计技巧，可以进行分类拆分数据量大的表,对于经常使用的表（如某些参数表或代码对照表），由于其读取频率很高，要尽量减少表中的记录数量，分好主从关系表的关系。如果某一张表的字段个数相当多，证明设计规范上需要进行优化。例如,产品信息表，由于产品类型多，而且每个产品所对应的所拥有的属性规格，尺寸等有不同，可以将同类产品及同类属性分成不同的表，在一定程度上可以大大提高数据的查询效率，因为数据少，查询快。就像我们在10个人中，寻找一个人肯定比在100个人中寻找一人快得多。

五、系统架构设计

系统架构及交互设计的思维方法建构于工业设计以用户为中心的方法，定义产品的行为和使用密切相关的产品形式，预测产品的使用如何影响产品与用户的关系，以及用户对产品的理解。使用过程中的感觉就是一种交互体验，在软件开发中，交互设计必不可少，我们不能按照个人的喜好来随意设计。交互设计首先要掌握几个关键点，一是确定产品名称，二是确定产品功能以及解决用户的哪些需求；三是通过什么样的方式解决这个需求；四是这些解决方法是否便捷、高效、适用；五是用户使用起来是否愉快，友好；六是用户对该软件的依赖速度，是不是刚性需求；六是同一个问题，需要考虑多种方法处理的解决，不能太过于单一化。一个好的交互设计师，需要了解项目需求之外，还要了解行业知识，大众用户的喜好，满足目标用户的诉求，解决目标用户的刚性需求。

结合实际情况和项目特点，在本平台的交互设计中，目标用户主要是辣椒种植户、合作社、消费者等人群，由于该目标人群大都没有计算使用基础，所以在界面交互设计上采用了简单、易用、突出重点为设计出发点。

1、系统架构设计

在软件设计中架构域是如何划分的，架构域包括：业务架构、数据架构、产品架构、应用架构、技术架构。首先需要熟悉业务，形成业务架构，根据业务架构，做出相应的数据架构和应用架构，最后通过技术架构落地实施。业务架构是战略，应用架构是承上启下，一方面承接业务架构的落地，另一方面影响技术架构的选型。如何针对当前需求，选择合适的架构，如何面向未来，保证架构平滑过渡，这个是软件开发者，特别是架构师，都需要深入思考的问题。

2、MVC在本平台的应用

MVC是Model View Controller，其中Model表示模型，View表示视图，Controller表示控制器，是一种软件设计思想，用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件里面，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。MVC被独特的发展起来用于映射传统的输入、处理和输出功能在一个逻辑的图形化用户界面的结构中。^[1]

MVC是当前软件开发中比较流行的一种开发模式，当我们的只需要返回json、xml数据，则不需要view层，因为vies层主要是用html、css、js对数据进行处理，再连同数据一起返回给客户端浏览器。

3、UML在本平台的应用

UML统一建模语言即Unified Modeling Language的缩写，又称标准建模语言。用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。UML的定义包括UML语义和UML表示法两个元素。UML的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽的应用领域。其中最常用的是建立软件系统的模型，但它同样可以用于描述非软件领域的系统，如机械系统、企业机构或业务过程，以及处理复杂数据的信息系统、具有实时要求的工业系统或工业过程等。总之，UML是一个通用的标准建模语言，可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模，而且适用于系统开发的不同阶段，从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护。^[2]

以本平台的下设计实例为举例，通过该UML流程图开发人员即可清楚地看到，如何实现用户和注册、登录的整个过程。其中，垂直的虚线叫生命线，它代表一个对象存在的时间，每一个箭头代表一个调用；竖长方形为激活条，这个箭头从调用者对象链接到接收者对象的生命线上的激活条，激活条代表调用所时间周期。

UML用例图包含了用例和参与者，用例之间用关联来连接以求把系统的整个结构和功能反馈用户，对应的是软件的结构和功能分解。为了提高产品的交互体验和操作便捷，在用例中，有些功能管理环节采用到了包含关系(include)、扩展关系(extend)、泛化关系(generalization)。如下图所示：

图-4：平台用户用例关系图

在图-4中，主要体现了用户在该平台能使用到的功能模块以及分类规划。作为一个从无到有的产品，在开发前期的设计规划，UML图显得更为重要，同时还能提高开发者与用户之间的有效沟通途径。

主要用于后台系统对于用户分析权限时，每个功能如果单独去设置对应的增加、修改、删除、查询，如要有10个功能，在用户操作上就要选择40次，相对麻烦，用户体验不够理想。可以采用此方法，提高产品的用户体验，此方法也需要根据具体情况进行分析，并不是完全能适用所有系统。

由于后台管理系统及用户中心，包括有数据查询统计功能，而在日常的用户使用习惯中，通常有报表的地方，都需要有打印、导出数据等功能。有时我们沟通用户需求时，用户需求是源源不断地，所以软件有史以来都是在不断升级和完善的过程。由于导出、打印相对独立，而且为查询操作添加了新行为。因此可以采用扩展关系来描述，从而增加系统的完整性和实用性。

六、研究成果

根据课题的研究要求，软件平台目前已投入应用，辣椒生产技术信息平台（网址：www.gzlajiao.cn），以下为各系统功能简介：

功能模块有：水肥一体化系统、环境监测系统、视频监控系统、产品溯源系统、专家咨询系统、电子商务系统。

水肥一体系统结合种植基地的相关硬件设备与软件组合而成，种植人员通过软件平台，可以远程控制开关设备，由原来传统的人工施肥浇水方式转变成机械化作业，从而实现节约人员成本，提高工作效率的目的。通过手机APP，可实现对基地的水龙头开关（电磁阀门）进行远程开关，在进行水肥灌溉时，无法人工到达现场即可自动开关。

环境监测系统主要通过不同功能类型的传感器设备，实时采集数据，提供给种植人员实时了解种植基地的环境气候变化，以便提前做好相关的应急措施。

视频监控系统主要目的提供24小时的远程观看，实时了解当前农作物的生长情况。无人种植人员亲自达到现场。

专家咨询系统主要向种植农户、合作社等相关农业种植人员，在种植过程中遇到的种植技术问题，可以通过专家咨询系统获得相关的解答与帮助。

产品溯源系统主要通过视频监控系统、水肥一体化系统、环境监测系统等所采集到的数据进行分析与整理，将种植过程中的关键节点：育苗、耕地、起垄、开箱、覆膜、移栽、实肥、种植管理、采摘等的数据采集，最终形成当前的农作物的溯源档案，提供给消费者查询。

农产品电子商务系统主要当前种植基地的农户通过网络销售的方式向消费者提供网上购买服务，实现产地直供，增加销售渠道，提高收入来源，实现劳动价值。

八、研究结论

经过项目组研究人员的认真研究与田间试验，通过数据采集与分析，试验与应用，研究成果表明，对于辣椒种植中，信息技术的引用起了非常重要的支撑作用。对于水肥一体化系统，可以通过土壤温湿度传感器来监测土壤温湿度情况，通过土壤温湿度判断土壤墒情，了解土壤是否需要浇水，当土壤温湿度低于标准值以后，系统可以自动打开灌溉系统对于农作物进行灌溉，当土壤湿度达到了标准值，系统又可以自动关闭灌溉系统，用户只需要提前设定好与让温度和湿度标准数据，从而实现灌溉自动化，整个过程只需要一个人或最多两个人即可完成，大大节约人员开支。对于施肥也是一样，通过土壤养分传感器监测土壤氮磷钾等养分，当检测养分低于标准值系统可以自动打开施肥系统，当土壤养分达到标准值以后，系统又可以自动关闭施肥系统，最终实现了智慧化管理，科学施肥，从而达到了节约水肥的目的。与传统施肥相比，只要科学、正确地使用水肥一体化技术可以节省20％-30％左右的水肥和人工及时间成本，而不影响正常的生产和质量。

辣椒种植过程的全程信息化，给种植者带来实时高效的管理方法和手段，提前告知种植管理人员，通过视频监控系统即可查看当前种植基地的实时情况，通过环境监测系统（农业气象站）让种植人员了解环境情况，提前预知该什么施肥和浇水，实现全程自动化管理。通过专家系统，若遇到种植技术问题，可向专家进行咨询和提问，解技术难题。辣椒生产出来后，又面临销售问题，其中电子商务系统为种植者提供网络销售通道，拓宽了网络销售覆盖面，解决了农产品上线问题。同时，当消费者采购产品时，可以通过产品溯源系统，对当前的产品进行扫码追根溯源，为用户可提供溯源查询，增加产品可信度，解决用户后购之忧。当前农业发展从数字农业走向精准农业，从精准农业又走向智慧农业的发展形式，将种植计划、生产规划、生产结果信息化，采用水肥一体化灌溉、实时视频监控、传感技术、大数据、人工智能、云计算、无人机、机器人、自动化农机等集合于一体，最终形成智慧农业，为未来的农业种植和发展提供重要的技术保障。

参考文献

1^[?] 百度百科

2^[?] 百度百科