智慧果园系统——以水肥一体化系统功能为基础实现智慧果园系统项目 需求文档
文章目录
- 一、引言
-
- 1.文档的作用
- 2.文档的标准
- 3.产品的范围
- 二、综合描述
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- 1.项目前景
- 2.项目目标
- 3.项目功能
- 4.调研和面谈
-
- A.硬数据采样
-
- a)硬数据分析的形式
- b)定量硬数据
- c)定性硬数据
- B.面谈
-
- a)第一次面谈：开放式问题
- b)第二次面谈：封闭式问题＋开放性问题
- c)第三次面谈：提供具体原型并询问意见
- 5.涉众特征
- 6.假设和依赖
- 7.条件和限制
- 三、详细需求描述
-
- 1.建模分析
-
- A.数据建模（ERD建模）
-
- Ⅰ.实体
- Ⅱ.属性与标识符
- Ⅲ.关系
- Ⅳ.简单模式的ER图
- Ⅴ.硬数据建模
- Ⅵ.ER图（硬数据）
- B.面向对象建模（UML图）
-
- Ⅰ.UML用例图
- Ⅱ.类图
- C.过程建模（DFD图）
-
- Ⅰ.上下文图
- Ⅱ.DFD0层图
- Ⅲ.DFD1层图-1
- Ⅳ.DFD1层图-2
- Ⅴ.DFD1层图-3
- Ⅵ.DFD1层图-4
- Ⅶ.DFD1层图-5
- Ⅷ.DFD1层图-6
- D.功能分解图
- E.需求细化
- F.数据字典
- G.优先级划分
- 2.外部接口需求
-
- A.用户界面
- B.硬件接口
- C.软件接口
- D.通信接口
- 3.功能需求
-
- A.用户管理功能
- B.环境监测功能
- C.灌溉控制功能
- D.历史数据管理功能
- 4.性能需求
- 5.安全性需求
- 6.软件质量标准需求
- 四、其他
-
- 1.进阶需求
-
- A.基于深度学习的农作物实时诊断
- B.软件初步实现
-
- a)主界面
- b)登陆界面
- c)注册界面
- d)监测界面
- e)详细信息界面
- 2.人员分工
- 附录A：词汇表
- 附录B：参考文档
一、引言
1.文档的作用
本文档是智慧果园软件项目的需求说明书，旨在明确该软件的功能、性能、质量和可靠性等方面的需求，为软件设计、开发和测试提供依据。
2.文档的标准
本文档所采用的标准为IEEE 830标准。
3.产品的范围
本软件是一款基于互联网平台的智慧果园管理系统，主要包括以下三个模块：
- 温湿度监测模块：通过在果园安装温湿度传感器，实时采集并上传空气温湿度和土壤温湿度数据，并通过图表或地图形式展示给用户。
- 灌溉控制模块：根据温湿度数据和作物生长需求，自动或手动控制灌溉设备进行合理灌溉，并记录灌溉时间和量。
- 病虫害识别模块：通过在果园安装摄像头或使用用户上传的图片，利用人工智能技术识别出病虫害种类和程度，并给出相应的防治建议
二、综合描述
1.项目前景
目前，果园的运作模式正朝着机械化、智能化的方向发展，既有各式各类的传感器用于监测土壤肥力、含水量等作物生长要素以及作物生长情况，帮助更合理地对作物生长进行干预，也有自动化的灌溉、施肥系统，可以节省人力成本以及避免资源浪费。但是目前缺乏一个集成度较高的系统，能够帮助果农实时对农场的各种情况进行监控，并对出现的异常情况提供可行的解决方案。
对于大面积的果园种植区，实现低成本运作和作物高产是果农的愿景。通过一个智能化的果园管理系统既能帮助果农节省人力成本和资源使用量，也可以保证作物的高产。与此同时，为果农节省的大量时间也可以让果农有更多机会考虑诸如拓宽销售渠道、宣传等种植外的事宜，有助于果园的进一步发展。除此之外，对经验不够丰富或处于偏远山区的果农也能够带来更多的利好作用，经过简单的培训就能够熟练使用系统管理果园，助力他们充分发挥土地价值，改善生活水平。
对那些希望采取本系统的果农来说，“智慧果园管理系统”是一个基于GIS、大数据、人工智能等技术的服务模块，它可以实时监测果园内的作物生长情况、土壤情况，并将相关数据反馈到果农的手机和电脑端。当突然水分、肥力不足时，能够自动进行灌溉和施肥。对于出现的诸如虫害、霜冻等异常情况，系统会给予果农及时的告知。这样，既能够节省农场的运营成本和时间成本，也能够保证作物的良好生长状况，提高产量。
2.项目目标
- B0-1 在第一版应用的一年内，节省农场运营成本20%.
- B0-2 在第一版应用的一年内，提高农场产量10%.
- B0-3 在第一版应用的3个月内，吸引超过100家果农使用。
3.项目功能
| 模块 | 功能 |
|---|---|
| 环境在线监测 | 通过传感器实现对果园的空气温湿度、光照强度、二氧化碳溶度、土壤温湿度ec值、土壤酸碱性等多维度对果园环境实施在线监测，为科学管理提供数据依据。 |
| 远程灌溉控制 | 通过无线水肥一体化设备，实现对果园的精准灌溉施肥，节约水肥资源，提高水果品质和产量。 |
| 视频监控 | 通过摄像头和无人机等设备，实现对果园的全方位视频监控，及时发现和处理异常情况，保障果园安全。 |
| 虫控设备管理 | 通过虫情测报灯等设备，能够精准采集测定果园害虫和数量，实现精准用药，降低农药使用量。 |
| 溯源管理 | 通过二维码等技术，实现对水果的质量追溯，增强消费者信任度和经济效益。 |
| 农事作业管理 | 通过APP和小程序等移动端管理系统，实现对果园的农事作业计划、记录、分析等功能，方便农场管理进行移动办公。 |
4.调研和面谈
A.硬数据采样
a)硬数据分析的形式
通过对涉众群体特征进行分析，本组研究人员决定不采用一般的问卷调查的形式。原因如下:
- 涉众所拥有的硬数据较为分散且可信度不高
- 收集涉众的数据花销时间成本大，但获得的数据却参差不齐。
经过深思熟虑后，本组决定从论文中寻找相关的硬数据，并利用国家官网的官方数据进行数据的审查和校验，以确保数据来源的可信度，提高收集数据效率。
b)定量硬数据
智慧果园管理模式的实施为果园减少人力成本50%以上、农药用量减少30% ~ 40%、肥料用量减少了25% ~ 35%、灌溉用水量减少了60% ~ 70%，实现经济效益提升32.5%。
果农老龄化情况严重，50岁以上桃农占比超过70%，大部分均为初中以下学历，果园生产面临着劳动人力短缺，生产成本日益增高【人均日工资高达500~600元/（人·天）】等问题。
c)定性硬数据
传统果园主要依靠施肥、品种改进和机械化种植等措施提高产量，在土壤肥力不断下降和环境不断恶化的情况下，果园的作物产量和果实质量难以保证。未来现代化果园发展的方向是大力发展智慧果园模式，通过精确的传感技术和深入的智能化技术实现果园的高效管理和可持续发展。
智慧果园的建设大大提高农产品的生产技术水平，一定程度上缓解了劳动力老龄化带来的短缺问题，改善了周围的生态环境，把精准扶贫、精准脱贫与保护生态紧密结合起来，对于建设美丽乡村、美丽中国有着重大的实际意义。
B.面谈
a)第一次面谈：开放式问题
面谈时间：3月12日 18:00
面谈地点：线上
面谈人员：十组组长和十九组组长
面谈结果：获得甲方初始需求
附件：
b)第二次面谈：封闭式问题＋开放性问题
面谈时间：3月15日 10:00
面谈地点：线上
面谈人员：十组组长和十九组组长
面谈结果：获取准确需求和系统设计方向
沟通的问题：
获得的答复：
附件：
c)第三次面谈：提供具体原型并询问意见
面谈时间：3月15日 10:50
面谈地点：线上
面谈人员：十组组长和十九组组长
面谈结果：提供给甲方基本原型 达成功能期望的一致
附件：
5.涉众特征
用户扩展特征描述
| 涉众 | 主要目标 | 态度 | 主要关注点 | 约束条件 |
|---|---|---|---|---|
| 果农 | 及时提供果园的情况，方便果农对果园进行管理 | 希望该系统能更加简捷，便于自身使用，同时减少有关费用 | 使用该系统获得的利润必须高于使用成本，并尽量提高成本 | 需要果农具有一定的文化知识，需要技术人员进行指导 |
| 检修人员 | 当果园出现故障时，需要尽快对该故障进行排除和维修，减少损失，提高工作效率 | 希望能清晰告知故障及故障发生的原因，方便检修人员维修 | 方便工作，减少误报警发生 | 与检修部门进行沟通以及确定合作意向 |
| 资源管理部门 | 根据果园的需求数据，为果园提供所需的资源，提高配送效率 | 希望系统能智能分析相关需求，减少管理人员的服务次数和时间 | 方便工作，减少工作消耗的时间，提高效率 | 需要与资源控制部门进行沟通 |
| 数据管理部门 | 接受果园相关数据并进行分析，有利于系统的研发与更新，并提供有效数据分析服务 | 精简数据，并通过智能分析系统提供报告。减少相关人员的工作量。 | 高效提供果园有关数据的分析结果，辅助系统为果农提供解决方案 | 无 |
涉众优先级评估
| 用户群体 | 任务 | 群体数量 | 优先级 |
|---|---|---|---|
| 果农 | 综合管理系统 | 3 | 4 |
| 检修人员 | 维修系统故障 | 2 | 1 |
| 资源管理部门员工 | 采购，提供相关资源 | 4 | 2 |
| 数据管理部门员工 | 分析数据，提供报告 | 4 | 3 |
6.假设和依赖
- 果园内有稳定的网络信号，可以实现数据的传输和接收。
- 果园内有足够的电源供应，可以为传感器、摄像头、灌溉设备等提供电力。
- 果园内有合适的位置安装传感器、摄像头等设备，可以覆盖到所有需要监测或控制的区域。
7.条件和限制
- 兼容主流的移动设备和操作系统，如Android、iOS等。
- 保证数据的安全性和隐私性，不泄露用户的个人信息和果园信息。
- 保证数据的准确性和及时性，不出现数据丢失或延迟等问题。
- 保证系统的稳定性和可用性，不出现系统崩溃或无法访问等问题。
三、详细需求描述
1.建模分析
A.数据建模（ERD建模）
Ⅰ.实体
智慧果园水肥一体化系统的实体有管理员、系统、器件、传感器、作物和气候以及土壤。
Ⅱ.属性与标识符
(1) 管理员的属性有姓名、权限、职务，其中姓名为标识符。
(2) 器件的属性有类型、功能。其中类型为标识符。
(3) 传感器的属性有类型、功能。其中类型为标识符。
(4) 作物的属性有生长状态、编号、营养需求、树龄，其中编号为标识符。
(5) 气候的属性有风向、温度、降水，其中温度、降水为标识符。
(6) 土壤的属性有肥力、湿度、虫害、编号，其中编号为标识符。
Ⅲ.关系
多个管理者控制一个系统，系统调控多个灌溉器件，多个器件灌溉多块土壤，多个传感器监测多个器件、多个土壤、气候和多个作物，多个传感器反馈给一个系统。
Ⅳ.简单模式的ER图
Ⅴ.硬数据建模
(1)登录界面
(2)监测界面
(3)管理员界面
Ⅵ.ER图（硬数据）
B.面向对象建模（UML图）
Ⅰ.UML用例图
Ⅱ.类图
C.过程建模（DFD图）
Ⅰ.上下文图
Ⅱ.DFD0层图
Ⅲ.DFD1层图-1
Ⅳ.DFD1层图-2
Ⅴ.DFD1层图-3
Ⅵ.DFD1层图-4
Ⅶ.DFD1层图-5
Ⅷ.DFD1层图-6
D.功能分解图
E.需求细化
| 需求编号 | 需求描述 | 源头 | 成本需要 | 可变性 | 优先级 |
|---|---|---|---|---|---|
| A1 | 用户可以注册账号并进行登录 | 针对用户使用软件的要求 | 建立用户信息数据库和交互功能 | M | M |
| A2 | 不同类别的用户在系统拥有不同的权限和功能范围 | 针对不同类别用户的具体功能需求 | 设立系统各类用户权限 | L | M |
| B1 | 系统能通过各类传感器对果园的土壤肥力、温湿度、虫害等方面进行监测 | 针对用户对果园监测和管理的要求 | 传感器、控制器、摄像头等设备，远程控制检测功能 | H | H |
| B2 | 系统对异常监测结果进行报警 | 针对用户对异常情况及时处理的需求 | 报警设备，报警系统 | M | H |
| C1 | 用户可以通过系统对果园进行浇灌 | 针对用户对便捷浇灌果园的需求 | 自动控制阀门，智能浇灌控制功能 | M | L |
| C2 | 用户可以通过系统对果园进行施肥 | 针对用户对便捷施肥果园的需求 | 自动施肥设备，智能施肥控制功能 | M | L |
| D1 | 用户可以对各个时间段系统的运行数据进行查询 | 方便用户对整个系统的具体运行情况有更深入的了解 | 建立果园功能数据库，并与用户信息数据库对应连接 | H | M |
| D2 | 用户可以利用系统对查询到的数据进行具体分析 | 方便用户更直观地了解果园运行情况，并提供更高效率的管理建议 | 数据分析算法，分析结果可视化算法 | H | M |
F.数据字典
| 名称 | Monitoring Data Base |
| 别名 | MDB、M-DB |
| 使用的地点和方法 | Soil testing、Temperature and humidity detection、Pest detection、other |
| 描述 | Receive data from orchard sensors, analyze and store them for statistical data and early warning functions |
| 定义 | Data formats for sensors=YUV+RGB+RAW |
| 名称 | Account Number |
| 别名 | Acct. No. |
| 使用的地点和方法 | The account number is used to identify accounts in the system. It is an 8-digit number with the first two digits representing the type of account: 01 for orchard accounts and 02 for manager accounts. The remaining digits are used to uniquely identify the account. |
| 描述 | The account number is used to identify and distinguish between different accounts in the system. It is an 8-digit number with the first two digits representing the type of account and the remaining digits used to uniquely identify the account. |
| 定义 | An 8-digit number used to identify accounts in the system. The first two digits represent the type of account (01 for orchard accounts and 02 for manager accounts) and the remaining digits are used to uniquely identify the account. |
| 定义 | 说明 |
|---|---|
| Name=first_name + + last_name | The full name of a person, consisting of their first name and last name. |
| Telephone Number=( + Area No. + ) + Local No. | A telephone number used to contact a person or organization. |
| Email Address=username + @ + domain | An email address used to contact a person or organization. |
| Address=Street Address + , + City + , + State + , + Zip Code | The physical address of a person or organization. |
| Temperature=Numeric value with units (e.g. degrees Celsius or Fahrenheit) | A measure of the warmth or coldness of an object or substance with reference to a standard value. |
| Humidity=Numeric value representing the percentage of water vapor in the air. | A measure of the amount of water vapor in the air. |
G.优先级划分
| 系统特性 | 说明 | 优先级 |
|---|---|---|
| 温湿度监测 | 本软件可以实时显示果园内空气温湿度和土壤温湿度数据，并以图表或地图形式展示给用户。用户可以查看当前或历史的温湿度数据，并可以设置报警阈值。当温湿度数据超过报警阈值时，系统会向用户发送报警通知。 | H |
| 灌溉控制 | 本软件可以实现对果园内灌溉设备的远程控制，包括开关控制和量控制。用户可以手动或自动地控制灌溉设备，并可以查看当前或历史的灌溉时间和量，并以图表或地图形式展示给用户。系统还可以根据温湿度数据自动调节灌溉量。 | H |
| 病虫害识别 | 本软件可以通过摄像头拍摄果园图片，并利用病虫害识别平台进行病虫害识别和分析。系统会显示识别结果和建议，并记录病虫害发生情况，并以图表或地图形式展示给用户。系统还可以根据病虫害情况自动调节灌溉量。 | M |
| 用户管理 | 本软件支持多种角色的用户注册、登录、管理等功能。不同角色的用户有不同的权限和功能范围。例如，苹果种植者可以查看并控制自己所拥有的果园信息；消费者可以查看并评价自己所购买的苹果来源信息；管理员可以查看并管理所有注册用户及其果园信息。 | M |
2.外部接口需求
A.用户界面
本软件的用户界面应该具有以下特点：
- 界面设计简洁美观，符合苹果种植者和消费者的审美和习惯。
- 界面布局合理，易于操作和导航，提供清晰的提示和反馈。
- 界面支持多语言切换，适应不同地区和国家的用户需求。
- 界面支持多种分辨率和屏幕尺寸，适应不同型号和品牌的移动设备。
B.硬件接口
本软件需要与以下硬件设备进行交互：
- 温湿度传感器：通过无线网络将采集到的空气温湿度和土壤温湿度数据上传到云端服务器。
- 摄像头：通过无线网络将拍摄到的果园图片上传到云端服务器，或接收来自云端服务器的病虫害识别结果并显示给用户。
- 灌溉设备：通过无线网络接收来自云端服务器或用户端的灌溉控制指令，并执行相应的开关或调节操作。
C.软件接口
本软件需要与以下软件系统进行交互：
- 物联网平台：负责管理和调度温湿度传感器、摄像头、灌溉设备等硬件设备，提供数据存储和分析服务。
- 病虫害识别平台：负责接收来自摄像头的果园图片，进行病虫害识别和分析，返回识别结果和建议给云端服务器或用户端。
- 云端服务器：负责接收来自物联网平台和病虫害识别平台的数据和结果，进行进一步的处理和展示，提供用户注册、登录、管理等服务。
- 用户端：负责与用户进行交互，显示温湿度数据、灌溉记录、病虫害信息等内容，接收用户的输入和指令，向云端服务器或物联网平台发送请求或命令。
D.通信接口
本软件需要使用以下通信协议：
- HTTP/HTTPS：用于用户端与云端服务器之间的数据传输和请求响应。
- MQTT：用于物联网平台与温湿度传感器、摄像头、灌溉设备等硬件设备之间的消息发布和订阅。
- TCP/IP：用于病虫害识别平台与云端服务器之间的数据传输。
3.功能需求
A.用户管理功能
| 功能 | 详细信息 |
|---|---|
| 注册用户 | 输入用户名、密码、邮箱等信息 选择用户角色 接收验证码并验证 完成注册并跳转到登录页面 |
| 登录用户 | 输入用户名和密码 选择用户角色 完成登录并跳转到主页面 |
| 管理用户 | 查看个人信息 修改个人信息 修改密码 删除账号 |
B.环境监测功能
| 功能 | 详细信息 |
|---|---|
| 数据监视 | 显示监测的土地肥力 显示监视的温湿度 显示监视的虫情 |
| 设置报警阈值 | 设置空气温湿度报警阈值 设置土壤温湿度报警阈值 设置土地肥力报警阈值 |
| 接收报警通知 | 接收空气温湿度超过阈值的报警通知 接收土壤温湿度超过阈值的报警通知 接受土地肥力低于阈值报警 |
| 数据分析 | 根据监视数据分析虫情 |
| 提供方案 | 根据数据分析结果给出合适的虫情解决方案 |
C.灌溉控制功能
| 功能 | 详细信息 |
|---|---|
| 查看灌溉记录 | 查看当前灌溉时间和量 查看历史灌溉时间和量 以图表形式展示灌溉记录 以地图形式展示灌溉记录 |
| 手动控制灌溉、施肥系统 | 开启或关闭灌溉、施肥设备 调节灌溉、施肥量 |
| 自动控制灌溉系统 | 根据温湿度数据自动调节灌溉、施肥量 |
D.历史数据管理功能
| 功能 | 详细信息 |
|---|---|
| 数据查询 | 根据时段查询相关数据 查询相关数据的导出 |
| 数据分析 | 果园情况的分析 历史数据的比较分析 |
4.性能需求
- 响应时间：本软件应保证在正常网络条件下，用户端与云端服务器之间的响应时间不超过3秒；物联网平台与硬件设备之间的响应时间不超过1秒；病虫害识别平台与云端服务器之间的响应时间不超过10秒。
- 吞吐量：本软件应保证在正常网络条件下，云端服务器能够同时处理至少1000个用户请求；物联网平台能够同时处理至少100个硬件设备的数据和命令；病虫害识别平台能够同时处理至少10张果园图片。
- 可靠性：本软件应保证在正常运行条件下，系统故障率不超过0.01%；数据丢失率不超过0.001%。
5.安全性需求
- 认证：本软件应对用户进行身份认证，只有注册并登录的用户才能使用本软件的功能。不同角色的用户有不同的权限和功能范围。
- 授权：本软件应对用户进行授权，只有拥有相应权限的用户才能访问或修改相应数据或资源。例如，苹果种植者只能查看并控制自己所拥有的果园信息；消费者只能查看并评价自己所购买的苹果来源信息；管理员可以查看并管理所有注册用户及其果园信息。
- 加密：本软件应对用户和硬件设备之间传输的数据进行加密，防止数据被窃取或篡改。使用HTTPS协议和MQTT协议进行安全通信。
6.软件质量标准需求
- 可用性：本软件应提供一个简洁、友好、一致、易于操作和理解的用户界面，方便用户使用。提供必要的帮助文档和错误提示信息。
- 可维护性：本软件应遵循良好的编码规范和文档规范，方便后期维护和更新。提供必要的测试用例和日志记录功能。
- 可扩展性：本软件应采用模块化、分层、面向对象等设计原则，方便增加新功能或修改现有功能。提供必要的接口和配置文件。
四、其他
1.进阶需求
A.基于深度学习的农作物实时诊断
借助Paddle框架训练模型，并借助PaddleLite将模型移植到移动端巡检机器人上，实习果园、农田的无人化和自动化检测。
B.软件初步实现
a)主界面
b)登陆界面
c)注册界面
d)监测界面
e)详细信息界面
2.人员分工
| 姓名 | 主要工作 |
|---|---|
| 吕春吉 | 面谈、绘制原型、绘制ER图和硬数据建模ER图 |
| 郑俊烽 | 技术博客编写、进阶需求分析、绘制PPT |
| 马翊程 | 硬数据采样的过程及结果分析、文档编写及整合 |
| 呼延泽 | 硬数据采样的过程及结果分析、绘制UML图 |
| 郭荆 | 项目前景和范围确立、涉众分析、绘制功能分解图、数据流图 |
| 陈玺 | 绘制PPT展示、需求细化、建立数据字典 |
附录A：词汇表
本文档中使用的术语及其含义如下：
| 术语 | 含义 |
|---|---|
| 物联网平台 | 指一个提供物联网设备管理和数据存储分析服务的软件系统。 |
| 病虫害识别平台 | 指一个提供果园病虫害识别和分析服务的软件系统。 |
| 云端服务器 | 指一个提供用户管理和数据处理展示服务的软件系统。 |
| 温湿度传感器 | 指一种能够采集空气温湿度和土壤温湿度数据的硬件设备。 |
| 灌溉设备 | 指一种能够对果园进行灌溉的硬件设备。 |
| 苹果种植者 | 指使用本软件进行苹果种植管理的用户角色。 |
| 消费者 | 指使用本软件查看苹果来源信息的用户角色。 |
| 管理员 | 指使用本软件进行用户管理和系统监控的用户角色。 |
附录B：参考文档
[1] 饶晓燕,吴建伟,李春朋等.智慧苹果园“空-天-地”一体化监控系统设计与研究[J].中国农业科技导报,2021,23(06):59-66.
[2] 韩冷,何雄奎,王昌陵等.智慧果园构建关键技术装备及展望[J].智慧农业(中英文),2022,4(03):1-11.