馬鈴薯組培苗接種機器人信息管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)——基于Web

邵 東，程大鵬，辜 松，陸強強，李元強

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030；2.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642 )

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馬鈴薯組培苗接種機器人信息管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
——基于Web

邵 東1，程大鵬1，辜 松2，陸強強1，李元強1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030；2.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642 )

組培苗自動接種機器人在工作過程中，需要一套信息管理系統(tǒng)，其功能包括對員工和客戶的信息、組培苗培養(yǎng)條件、測量數(shù)據(jù)、來源及組培室進行管理。為此，通過設(shè)計數(shù)據(jù)庫，利用PHP和AJAX技術(shù)創(chuàng)建動態(tài)網(wǎng)頁，建立信息管理系統(tǒng)，以Web形式對外發(fā)布，并采用條形碼技術(shù)進行數(shù)據(jù)的記錄、儲存與傳遞。根據(jù)機器人生產(chǎn)過程系統(tǒng)建立5個功能模塊，可以實現(xiàn)記錄組培苗培養(yǎng)條件、測量數(shù)據(jù)、評價組培苗機械作業(yè)性能，以及對組培苗進行追溯管理等功能。該系統(tǒng)能解決機器人生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)記錄繁雜問題，并能有效提高記錄的準確性，可以為組培苗生產(chǎn)單位提供支持。

組培苗；機器人；信息管理；條形碼技術(shù)；追溯；馬鈴薯

0 引言

植物組織培養(yǎng)即植物無菌培養(yǎng)技術(shù)，是利用植物離體的器官、組織、細胞或原生質(zhì)體，在無菌環(huán)境中結(jié)合人工培養(yǎng)基、光照、溫度等人工條件，誘導出愈傷組織、不定芽、不定根，最后形成完整植株的技術(shù)[1]。繁殖分化是植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的階段，該階段的實現(xiàn)稱為組培苗的分割移植生產(chǎn)。目前，組培苗的分割移植生產(chǎn)仍以人工作業(yè)為主[2]，存在著效率低、強度大、易感染等問題；而組培苗接種自動生產(chǎn)裝備不僅能解決上述問題，還能推動組培苗工廠化培育的步伐。

1991年，日本東芝公司開發(fā)了基于視覺的組培苗自動接種機器人, 適用于馬鈴薯、 康乃馨等條狀組培苗作物[2]。1992年，日本Komatsu公司研發(fā)了適用于條狀組培苗快速移植機器人系統(tǒng)[3]。2015年，屈哲、來杭生等開發(fā)了廣口瓶整瓶馬鈴薯組培苗剪切機構(gòu)，該機構(gòu)采用類似Komatsu接種機器人系統(tǒng)的工作方式[4]。華南農(nóng)業(yè)大學辜松教授將研發(fā)基于單向視覺的多手臂組培苗自動接種機器人。為了更好地管理機器人生產(chǎn)過程，筆者設(shè)計了一套信息管理系統(tǒng)。

目前，信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用主要是在環(huán)境控制和組培苗生產(chǎn)方面：如梁欣婷、鈕旭東等設(shè)計開發(fā)了組培室的環(huán)境控制與追溯管理系統(tǒng)[5]；商龍、阮俊瑾等設(shè)計了組培室生產(chǎn)管理與環(huán)境控制系統(tǒng)[6]；陳瑤、陳光彩等開發(fā)了可追溯植物組培苗生產(chǎn)管理系統(tǒng)[7]。為此，結(jié)合條形碼技術(shù)設(shè)計了一套基于Web的信息管理系統(tǒng)以配合辜松教授研發(fā)的組培苗接種機器人，該系統(tǒng)還可以分析組培苗機械作業(yè)優(yōu)劣性，能夠幫助組培苗生產(chǎn)單位培育出更適合接種機器人工作的組培苗。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)運行平臺

系統(tǒng)采用PHP(PHP: Hypertext Preprocessor)腳本語言和AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)技術(shù)創(chuàng)建交互式動態(tài)網(wǎng)頁，使用SQL server 數(shù)據(jù)庫，以Web形式對外發(fā)布。

1.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

信息管理系統(tǒng)以Web形式對外發(fā)布，工作人員可以同時應(yīng)用該系統(tǒng)對不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)記錄和查詢。每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)擁有獨立的數(shù)據(jù)庫表格，各個表格的設(shè)計均符合組培苗生產(chǎn)過程更新記錄的要求，記錄各代組培苗的數(shù)據(jù)庫表格之間存在聯(lián)系以達到可追溯的效果。系統(tǒng)的模塊劃分，如圖1所示。

1.2.1 系統(tǒng)登錄模塊

登錄到系統(tǒng)中，通過用戶名和密碼驗證員工的權(quán)限，由此區(qū)分員工能使用的功能，如普通員工可以使用各生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)記錄、修改及刪除等功能；高級員工可以對組培苗培育信息進行分析、員工管理及客戶管理。通過設(shè)置驗證碼的方式防止系統(tǒng)被惡意攻擊。

圖1 信息管理系統(tǒng)功能模塊

1.2.2 n代組培苗管理模塊

定義機器人切割前的完整組培苗為第n代組培苗。

該模塊包括3個功能，分別為位于系統(tǒng)前臺的培養(yǎng)條件記錄功能、生長狀態(tài)記錄功能，以及位于系統(tǒng)后臺的組培苗機械作業(yè)性能優(yōu)劣性分析功能。培養(yǎng)條件記錄功能是普通員工在組培苗培養(yǎng)過程中將培養(yǎng)條件(如培養(yǎng)基類型、光照強度、溫度、發(fā)育出生長點時間等)錄入系統(tǒng)，生成條碼；生長狀態(tài)記錄功能是在切分階段前，將n代組培苗的生長狀態(tài)(如組培苗的株高、莖稈直徑、生長點個數(shù)等)自動錄入系統(tǒng)；組培苗機械作業(yè)性能優(yōu)劣性分析功能是高級員工在后臺對n代組培苗的生長狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果自動錄入系統(tǒng)。工作人員工作時只需要掃描員工信息卡，然后輸入需要記錄的數(shù)據(jù)即可，可以按照數(shù)據(jù)庫字段檢索特定的記錄，也可以根據(jù)選定的日期，結(jié)合員工信息分別生成各階段工作信息的統(tǒng)計報表[7]。

1.2.3 n+1代組培苗管理模塊

定義切割后具有單個生長點的小段組培苗為第n+1代組培苗。

該模塊位于系統(tǒng)前臺，工作人員掃描員工信息卡，掃描培養(yǎng)基條碼，輸入n+1代組培苗的培養(yǎng)條件信息，如光照、溫度等，生成新的條形碼。在后續(xù)培養(yǎng)過程中，當涉及培養(yǎng)條件(如更換培養(yǎng)基、改變光照強度等)變化和組培苗生長狀態(tài)(如生根、出現(xiàn)生長點等)變化時，需要工作人員對條形碼進行記錄更新，數(shù)據(jù)將自動錄入系統(tǒng)?？梢园凑諗?shù)據(jù)庫字段檢索特定的記錄，也可以根據(jù)選定的日期，結(jié)合員工信息與工作信息生成統(tǒng)計報表。

1.2.4 培養(yǎng)室管理模塊

該模塊位于系統(tǒng)前臺，包括兩個功能，分別為組培苗位置的記錄與組培苗出入架的記錄。前者是為了使工作人員更方便、快捷地找到需要的組培苗；后者是為了了解培養(yǎng)架的空缺情況，以便于新組培苗的放置。入架時需要掃描組培苗條碼，輸入在培養(yǎng)架的位置(如第1培養(yǎng)室，第1培養(yǎng)架，第1層)，輸入數(shù)量，輸入后系統(tǒng)自動更新數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中；出架時需要掃描組培苗條碼，輸入數(shù)量，輸入后系統(tǒng)自動更新數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中。

1.2.5 員工管理模塊

該模塊位于系統(tǒng)后臺，是對員工的基本信息進行綜合管理，生成員工信息卡。員工信息卡上有員工照片及包含員工信息的條形碼。

1.2.6 客戶管理模塊

該模塊位于系統(tǒng)后臺，主要對客戶信息進行綜合管理。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了能夠生成整體的數(shù)據(jù)庫概念，根據(jù)組培苗接種機器人的生產(chǎn)流程，設(shè)計系統(tǒng)E-R圖，如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)的模塊劃分與E-R圖，建立8個數(shù)據(jù)庫表格。

1)登錄表：包括登錄名(員工工號)、登錄密碼等字段。

2)培養(yǎng)條件表：包括組培苗數(shù)量、光照強度、溫度、生根時間、生長點出現(xiàn)時間、組培苗來源及條碼代號等字段。

3)測量數(shù)據(jù)表：包括莖稈直徑、株高、生長點個數(shù)、條碼代號等字段。

4)機械作業(yè)優(yōu)劣性表：包括組培苗機械作業(yè)優(yōu)劣性、條碼代號等字段。

5)組培苗位置表：包括組培苗代碼、組培苗在組培室中的位置等字段。

6)組培苗出入架表：包括組培苗代碼、出入架數(shù)量、出入架日期等字段。

7)員工表：包括工號、姓名、性別及條碼代號等字段。

8)客戶表：包括客戶單位、地址及聯(lián)系方式等字段。

圖2 數(shù)據(jù)庫E-R圖

2 評價體系

組培苗機械性能優(yōu)劣性與組培苗自身的生長狀態(tài)有關(guān)，如株高、莖稈直徑及生長點個數(shù)等。各個生長狀態(tài)對組培苗的影響存在聯(lián)系，普通方法不容易建立起一個精確的評價模型；而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以描述生長狀態(tài)不確定、多輸入等復雜的非線性特性，主要應(yīng)用在函數(shù)逼近、模糊識別、數(shù)據(jù)壓縮及分類4個方面[8-9]。

評價系統(tǒng)選取株高、莖稈直徑和生長點個數(shù)3個因素，所以輸入層的節(jié)點個數(shù)為3。為了細化組培苗機械性能等級，將其分為3級，目標輸出模式為(001)、(010)和(100)，分別對應(yīng)一般、良好和優(yōu)秀，因此輸出層節(jié)點個數(shù)為3。隱含層節(jié)點數(shù)目不宜過多，也不宜過少，否則會降低網(wǎng)絡(luò)的非線性預測性能，根據(jù)公式

(1)

n=log2h

(2)

其中，n為輸入層節(jié)點個數(shù)，h為隱含層節(jié)點個數(shù)，m為輸出層節(jié)點個數(shù)，a為1～10的任意整數(shù)。由式(1)得出隱含層節(jié)點個數(shù)h為4～13，由式(2)得出h= 8，所以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點個數(shù)為8[10]。選取隱含層的激活函數(shù)為tansig函數(shù)，即

(3)

輸出層的激活函數(shù)為logsig函數(shù)[9,11],即

(4)

使用三層BP網(wǎng)絡(luò)的組培苗機械作業(yè)優(yōu)劣性評價模型，如圖3所示。

圖3 組培苗機械作業(yè)優(yōu)劣性評價模型

對于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，X表示輸入；Wij和F1表示輸入層到隱含層的權(quán)向量及隱含層的激活函數(shù)，其輸出函數(shù)可表示為

Oj=F1(WijXi-qj)

(5)

其中，Vjk和F2表示隱含層到輸出層的權(quán)向量及輸出層的激活函數(shù)，其輸出函數(shù)可表示為

Yk=F2(VjkOj-qk)

(6)

網(wǎng)絡(luò)的期望輸出tpi和計算輸出Opi之間的差值為計算誤差Eq，其公式為

(7)

而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習過程主要就是連接下層節(jié)點和上層節(jié)點之間的權(quán)值矩陣Wij的設(shè)定和誤差修正過程，其學習模型為

ΔWij(n+1)=h×φi×Oj+a×ΔWij(n)

(8)

其中，h為網(wǎng)絡(luò)的學習因子；φi為輸出節(jié)點i的計算誤差；Oj為輸出節(jié)點j的計算輸出；a為動量因子[8]。

選取1組組培苗數(shù)據(jù)，如表1所示。將數(shù)據(jù)輸入到訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中并得到評價結(jié)果，如表2所示。

結(jié)果表明：1號組培苗中最大的數(shù)據(jù)為第3項的0.646 6，其余兩項均遠小于第3項，可以確定1號組培苗的機械作業(yè)性能為一般；2號組培苗的第2項為最大值0.984 1，其余兩項均遠小于第2項，可以確定2號組培苗的機械作業(yè)性能為良好；同理分析可得到，3號和4號組培苗的機械作業(yè)性能分別為良好和優(yōu)秀。

表1 樣本數(shù)據(jù)

表2 評價結(jié)果

3 信息管理系統(tǒng)

組培苗機器人管理系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4 組培苗機器人管理系統(tǒng)框圖

信息系統(tǒng)的使用過程為：

1)從組培室中取出第n代組培苗，掃描員工信息卡，掃描組培苗條碼，輸入數(shù)量，打印條碼貼在培養(yǎng)容器上;處理完成后將第n代組培苗轉(zhuǎn)移至接種機器人處準備切割。

2)掃描員工信息卡，掃描組培苗條碼，對組培苗進行圖像識別，此階段測得的組培苗生長狀態(tài)(如莖稈直徑、株高、生長點個數(shù)等)自動錄入系統(tǒng)中。

3)評價體系讀取測得的信息，計算后得到的結(jié)果自動錄入系統(tǒng)中。

4)機器人工作，按照單個生長點原則切分第n代組培苗。轉(zhuǎn)移第n+1代組培苗時，掃描員工信息卡，輸入對組培苗進行培養(yǎng)的培養(yǎng)條件、來源等信息，生成新條碼。處理完成后打印條形碼符號標簽，粘貼在培養(yǎng)容器上。

5)轉(zhuǎn)移第n+1代組培苗至培養(yǎng)室，將其放在培養(yǎng)架上，掃描員工信息卡，掃描組培苗條碼，輸入數(shù)量，輸入在組培室中的位置，生成條碼。處理完成后打印條形碼符號標簽，貼在培養(yǎng)容器上。

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用條形碼技術(shù)對信息進行記錄、儲存與傳遞，結(jié)合條形碼閱讀器使數(shù)據(jù)信息的輸入、讀出變得更加快捷，準確。條形碼技術(shù)的應(yīng)用有效的降低了勞動力[12]，且將系統(tǒng)的每個生產(chǎn)階段銜接起來，簡化整個生產(chǎn)過程的管理環(huán)節(jié)。

為了更好地培育出適合機械作業(yè)的組培苗，本系統(tǒng)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法設(shè)計了評價體系。通過大量組培苗數(shù)據(jù)對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓練，以組培苗測量的生長狀態(tài)數(shù)據(jù)(如莖稈直徑、株高、生長點個數(shù)等)為輸入值，以組培苗機械作業(yè)優(yōu)劣性為目標輸出值，最終使得該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可評價組培苗機械作業(yè)性能[13]。

系統(tǒng)設(shè)有追溯體系，條碼信息中包含組培苗來源，點擊后便可查看上一代組培苗的所有信息，如培養(yǎng)條件、生長狀態(tài)、機械作業(yè)性能優(yōu)劣性、來源等。通過追溯體系和評價體系可以使工作人員了解如何培養(yǎng)出健壯的及適合機械作業(yè)的組培苗。

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Research and Implementation of the Information Management System of the Potato Tissue Culture Seedling Inoculation Robot Based on Web

Shao Dong1，Cheng Dapeng1，Gu Song2，Lu Qiangqiang1，Li Yuanqiang1

(1.College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

In the course of the plantlets inoculating robots automatically, it needs an information management system,whose features include the information on employees and customers, the tissue culture conditions, the measured data,sources and the management of the tissue culture chamber.This paper utilizes PHP and AJAX technology to create dynamic Web pages and establish an information management system with designing the database, it is released in the form of Web and utilizes the bar code technology to record,store and transfer the data.This paper establishes five functional modules based on robotic production system, which can achieve some functions, such as recording plantlets culture conditions, measuring the data,evaluating the merits of plantlets mechanical operations, and managing the plantlets retroactively. The system can solve the complicated data recording problem during the process of the robot production and improve record accuracy effectively, which can provide the help for the tissue culture production factory.

tissue culture; robot; information management; bar code technology; retroact; potato

2016-04-11

國家“863”計劃項目(2013AA102440603)

邵 東(1989-),男，遼寧盤錦人，碩士研究生，(E-mail) shao_dmhwl@163.com。

李元強(1969-)，男，哈爾濱人，副教授，碩士生導師，(E-mail)lyts@neau.edu.cn。

S223.1;TP242

A

1003-188X(2017)01-0101-05