基于Android的作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

趙巧麗，臧賀藏，李國強，王進磊，胡 峰,

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，河南 鄭州 450002；>2.河南省天下糧倉信息技術有限公司，河南 鄭州 450002)

農(nóng)業(yè)信息采集是國內(nèi)當前研究的熱點之一，有關農(nóng)田環(huán)境信息[1-2]、土壤信息[3-4]及作物長勢信息[5-7]等方面的研究較多，而涉及作物試驗過程中性狀參數(shù)[8]、病蟲害[9]等信息采集的研究較少，且大多停留在人工操作階段。因此，亟需借助現(xiàn)代化信息手段，提高數(shù)據(jù)采集效率。隨著移動端技術的迅速發(fā)展，其被快速應用到物流、畜牧、農(nóng)業(yè)等不同領域[10-11]。戴建國等[12]設計開發(fā)了基于智能手機的棉花苗情調(diào)查與決策支持系統(tǒng)，可快速獲取文字和圖片2種形式的棉田苗情信息。張石銳等[13]利用無線網(wǎng)絡通訊實現(xiàn)手持灌溉控制終端與自動灌溉系統(tǒng)中灌溉控制器之間的信息交互，提高了自動灌溉控制系統(tǒng)應用效率。關于性狀參數(shù)數(shù)據(jù)獲取，國內(nèi)外已有一些研究，國外有表型數(shù)據(jù)采集軟件Phenobook、Fieldbook、Fieldlab等[14]，國內(nèi)有農(nóng)博士育種軟件[15]、基于PDA的作物育種數(shù)據(jù)田間移動采集系統(tǒng)[8]等。這些知名軟件主要針對作物育種過程研究開發(fā)，不能滿足栽培、育種區(qū)試、生產(chǎn)試驗以及品種比較試驗等試驗過程管理對信息化技術手段的需求。鑒于此，本研究在充分調(diào)研不同農(nóng)作物、不同試驗類型數(shù)據(jù)采集過程的基礎上，結合射頻識別技術和無線通訊技術，設計開發(fā)了通用型作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移動端APP。

1 作物表型性狀管理系統(tǒng)概述

基于Android的作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以下簡稱移動端APP)是作物表型性狀管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。作物表型性狀管理系統(tǒng)為實現(xiàn)試驗全過程信息化開發(fā)，由軟件和硬件兩部分組成。軟件包括作物表型性狀管理系統(tǒng)(Web端)和移動端APP，硬件包括移動端和條碼打印機。作物表型性狀管理系統(tǒng)對試驗全過程進行管理，在Web端對試驗內(nèi)容進行設計并分發(fā)到服務器，接收移動端上傳到服務器的性狀采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行管理。移動端接收任務，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集并上傳數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 作物表型性狀管理系統(tǒng)架構Fig.1 The architecture of crop phenotypic

2 作物表型性狀管理系統(tǒng)介紹

2.1 作物表型性狀管理系統(tǒng)總體結構設計

作物表型性狀管理系統(tǒng)采用MVC 5+Entity-Frame work 6架構，以Visual Studio 2017為開發(fā)平臺，采用C#語言、jQuery腳本及Html標簽語言開發(fā)。Web服務器使用穩(wěn)定可靠的IIS7.5服務器。移動端APP以Android Studio為開發(fā)平臺，采用JSON數(shù)據(jù)格式，通過Android技術實現(xiàn)Web api與服務器之間的通信。移動端APP基于C/S結構開發(fā)，負責接收試驗任務、執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和上傳數(shù)據(jù)到管理平臺(B/S結構)，其他用戶通過瀏覽器對系統(tǒng)進行操作和訪問，對上傳的采集的性狀數(shù)據(jù)進行管理和分析。

作物表型性狀管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、試驗設計、數(shù)據(jù)分析和報表生成4個部分，系統(tǒng)總體結構如圖2所示。作物表型性狀管理系統(tǒng)主要負責基礎信息管理、試驗任務設計和分發(fā)、采集數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計和報表生成。移動端APP接收作物表型性狀管理系統(tǒng)分發(fā)的試驗任務，采集結束后上傳數(shù)據(jù)。

圖2 作物表型性狀管理系統(tǒng)總體設計Fig.2 The integrated design of crop phenotypic traits management system

2.2 作物表型性狀管理系統(tǒng)權限設計

系統(tǒng)用戶采用3級權限管理，其相應角色分別為項目總負責人，試驗站負責人和試驗采集員(表1)。項目總負責人在添加用戶的同時分配角色，其分配的角色包括試驗站負責人和試驗采集員。不同權限的用戶擁有唯一的賬戶和密碼，管理系統(tǒng)根據(jù)賬號和密碼識別用戶權限，提供相應的系統(tǒng)功能。試驗采集員角色在移動端可多人同時登錄，數(shù)據(jù)獨立上傳。同一個試驗站可以接受多項試驗任務。

3 移動端APP的功能實現(xiàn)

3.1 移動端APP功能

根據(jù)農(nóng)作物試驗特點和需求，移動端APP需具備以下功能：(1)充分考慮多種數(shù)據(jù)采集方式，使用靈活，操作方便；(2)支持圖片采集；(3)支持離線采集；(4)移動端響應速度快，數(shù)據(jù)實時保存。在需求分析基礎上，移動端APP提供了模板選擇、掃碼定位、手動錄入、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)上傳和指標字典共6個功能模塊(圖3)。

表1 作物表型性狀管理系統(tǒng)用戶權限Tab.1 User permission of crop phenotypic traits management system

圖3 移動端APP功能結構Fig.3 Functional architecture of mobile terminal APP

3.1.1 模板選擇 移動端APP提供試驗全生育期需要采集的所有性狀指標，在模板選擇中，隱藏當天不需要錄入的指標，制成模板。模板上的性狀指標可根據(jù)需要設定采集次數(shù)。模板制定完成后，模板上的性狀指標可根據(jù)數(shù)據(jù)采集習慣調(diào)整順序，可同時制定多個模板。模板可刪除，不可修改。

3.1.2 掃碼定位 試驗小區(qū)若采用條碼標識，可通過掃碼獲取小區(qū)編號，按照模板性狀指標進行數(shù)據(jù)錄入。

3.1.3 手動錄入 用戶可以任意設置小區(qū)編號，按照當前使用模板錄入數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)錄入過程中發(fā)現(xiàn)小區(qū)錯誤或者數(shù)據(jù)有誤的情況下，可在手動錄入模塊中及時進行修改和保存。

3.1.4 數(shù)據(jù)錄入 作物表型性狀主要包括兩大類：質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀。在數(shù)據(jù)錄入模塊中，質(zhì)量性狀提供所有選項，在錄入時直接點選完成數(shù)據(jù)采集。設計了快捷錄入界面，質(zhì)量性狀提供所有輸入值選項，點選采集數(shù)據(jù)，提高錄入效率，縮短錄入時間。數(shù)量性狀提供閾值提示，保證錄入的準確性。小區(qū)編號自動給出，小區(qū)沒有數(shù)據(jù)記錄的，可跳轉下一個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)某個性狀無數(shù)據(jù)記錄的，數(shù)據(jù)可為空。

3.1.5 數(shù)據(jù)上傳 為保證數(shù)據(jù)采集的完整性，1個模板的性狀數(shù)據(jù)在上傳到服務器之前，數(shù)據(jù)錄入停留在上次采集終止處，可繼續(xù)錄入，不能更換模板。如果數(shù)據(jù)上傳完成，不論該模板性狀指標是否全部采集結束，需重新選擇模板。在數(shù)據(jù)上傳確認之前，可以查看采集數(shù)據(jù)詳情。確認無誤后在線上傳，上傳完成后，保存在移動端的數(shù)據(jù)將自動刪除。

3.1.6 指標字典 管理系統(tǒng)下達的試驗任務中所包含的性狀指標在指標字典中可以查詢，性狀指標按分類提供查詢。

3.2 移動端APP開發(fā)環(huán)境

開發(fā)語言為Java，適用Android 4.0以上。數(shù)據(jù)庫為Android自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫。移動端存儲空間有限，在數(shù)據(jù)上傳執(zhí)行后，保存在移動端的數(shù)據(jù)自動刪除。

4 移動端APP的應用與效果

4.1 移動端APP應用

以玉米為例介紹移動端APP的實際應用情況。試驗采集員首次登錄需網(wǎng)絡在線，以便接收作物表型性狀管理系統(tǒng)下達的試驗任務。在田間采集時可離線登錄。登陸后，作物表型性狀管理系統(tǒng)顯示試驗站所承擔的試驗項目，選擇當前需采集數(shù)據(jù)的試驗。以品種篩選試驗為例，雙擊品種篩選試驗圖標(圖4-1)，進入功能界面。數(shù)據(jù)采集開始前，先制定模板，性狀采集指標分為主要性狀、物候期、抗逆性記載、病蟲害調(diào)查、產(chǎn)量性狀、田間采集性狀六大類。選擇物候期中的散粉期(圖4-2)，確定輸入模板名稱“散粉調(diào)查”，該系統(tǒng)可同時制定多個模板，需點擊某一模板，確認使用該模板，該模板才生效(圖4-3)。主要性狀中的株高和穗位，采集次數(shù)設定為5(圖4-4)。數(shù)據(jù)錄入按照模板進行(圖4-5)，小區(qū)沒有數(shù)據(jù)或者某一指標沒有數(shù)據(jù)的，此處可為空。本案例中，數(shù)據(jù)錄入小區(qū)編號為3時，沒有數(shù)據(jù)，因此，直接進入下一小區(qū)。在數(shù)據(jù)上傳模塊中(圖4-6)，查看數(shù)據(jù)詳情，可看到區(qū)號3中數(shù)據(jù)為空(圖4-7)。如果小區(qū)3需要采集數(shù)據(jù)，可輸入小區(qū)編號3后手動錄入(圖4-8)。數(shù)據(jù)采集結束后，再次在數(shù)據(jù)上傳中查看數(shù)據(jù)詳情(圖4-9)，3號小區(qū)數(shù)據(jù)已補充完整。數(shù)據(jù)上傳至服務器需要網(wǎng)絡支持。

4.2 移動端APP應用效果

已將移動端APP在科研院所、高等院校進行了推廣應用。針對不同農(nóng)作物、不同試驗類型數(shù)據(jù)采集過程進行了測試和應用，并修改和完善了該系統(tǒng)的功能。移動端APP在數(shù)據(jù)錄入結束后，直接保存為數(shù)據(jù)表，省去了傳統(tǒng)手工記載二次錄入過程，省時省力，提高數(shù)據(jù)采集效率70%以上。移動端APP作為執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的載體，須接收具體作物的試驗任務。以玉米試驗為例，在智能手機應用寶上發(fā)布玉米表型APP，提供開放下載。

5 結論與討論

以往的研究中，同類系統(tǒng)主要針對育種試驗過程開發(fā)，本研究在充分調(diào)研不同農(nóng)作物、不同試驗類型數(shù)據(jù)采集過程的需求基礎上，采用C/S架構開發(fā)了適用于不同農(nóng)作物、不同類型農(nóng)業(yè)試驗的通用型作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移動端APP。該APP主要功能是接收任務和執(zhí)行性狀數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)功能設計靈活，支持多種采集方式，錄入迅捷，支持離線采集，數(shù)據(jù)實時保存，使用范圍限制小。該APP在接收任務時，試驗任務需要采集性狀指標的數(shù)據(jù)格式以及數(shù)據(jù)單位已經(jīng)確定，避免不同試驗點采集數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，便于不同試驗點數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總。APP制定的采集模板可以共享，允許多人同時采集同一試驗數(shù)據(jù)，保證采集指標的一致性。系統(tǒng)對質(zhì)量性狀提供點選錄入，提高了數(shù)據(jù)錄入效率。

農(nóng)博士育種移動采集系統(tǒng)1次只能接收1個采集任務，且主要針對育種過程開發(fā)。本研究移動端APP執(zhí)行任務范圍只與試驗任務的性狀指標有關，與試驗性質(zhì)無關，應用范圍更廣，可同時接收多個試驗任務，更符合生產(chǎn)實際。與國外的Phenobook相比[14]，該APP在接收任務時，需要采集性狀的數(shù)據(jù)單位已經(jīng)確定，采集性狀指標的錄入順序在制作模板時可以調(diào)整，數(shù)據(jù)錄入時按照模板上性狀指標順序提供輸入框，不需要重復選擇。

系統(tǒng)經(jīng)過多次修改和完善，還有待改進之處，后續(xù)將增加圖片管理模塊，提供圖片錄入和搜索功能；增加田間布局模塊，按田間布局綁定電子標簽或打印紙質(zhì)標簽，用于試驗材料標識；增加模板修改功能，并進一步提高模板制作的靈活性。此外，隨著高通量采集技術的發(fā)展應用，將進一步研究高通量采集技術、圖像識別技術等在性狀采集上的應用，減少移動端采集任務量，更大程度提高數(shù)據(jù)采集效率。

圖4 移動端APP采集界面Fig.4 Data acquisition operation interface of mobile terminal APP