基于物聯(lián)網(wǎng)的黃瓜輔助育種系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

尹川++李鳳菊++閆嵩++徐義鑫

摘 要：本研究主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助黃瓜育種，系統(tǒng)以J2EE為應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)架構(gòu)，采用java語言進行系統(tǒng)開發(fā)、以Mysql作為數(shù)據(jù)庫的開發(fā)工具。系統(tǒng)實現(xiàn)了育種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、保存、編輯、查詢檢索等數(shù)據(jù)管理功能以及黃瓜育種專家對工作中經(jīng)常用的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析功能；并通過無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的實時上傳，借助環(huán)境數(shù)據(jù)來輔助育種專家做出品種選擇的決策。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；黃瓜；輔助；育種系統(tǒng)

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.08.022

Abstract：. In this study， the system used J2EE as the application development of technical system architecture， using java language to develop the system， using Mysql as the database development tool， and Internet of things technology assisted in cucumber breeding， The system has realized the breeding data preservation， save， edit， query， and statistical analysis functions of cucumber breeding experts data； and through the wireless sensor node （ZigBee） to realize the real-time upload environmental data， with the help of environmental data assisted breeding experts to make variety selection decision.

Key words： internet of things； cucumber；assisted；breeding system

種業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是保證農(nóng)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展、保障國家糧食安全的根本[1-3]。我國在育種數(shù)據(jù)管理方面和國際大公司相比還有很大差距，國外的大型種子公司（以先鋒、先正達、孟山都為代表的種業(yè)公司）都已基本實現(xiàn)了科學(xué)化的科研信息化管理體系，育種材料的系譜、多年的試驗數(shù)據(jù)等都能清晰地獲取與保存，這些都要與其良好的數(shù)據(jù)采集體系以及數(shù)據(jù)管理分析體系密切關(guān)聯(lián)[4-5]。商業(yè)化育種、科學(xué)化標準化的管理是世界種業(yè)發(fā)展的必然趨勢，信息化是科學(xué)化現(xiàn)代化科學(xué)研究的根基[6-7]。資源和數(shù)據(jù)管理在科研管理方面應(yīng)用的重要性也在21世紀初體現(xiàn)出來，近幾年國內(nèi)的大種子公司也開始意識到科研信息化管理的重要性，并紛紛開始著手建設(shè)信息管理系統(tǒng)[8-9]。越早開始信息化管理，越早實現(xiàn)育種經(jīng)驗的數(shù)字化積累，才能為未來的育種科研發(fā)展打下越扎實的基礎(chǔ)[10-12]。

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器、移動互聯(lián)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步拓寬，通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以減少人為對農(nóng)田環(huán)境的影響，準確的獲取環(huán)境和作物信息，降低人工管理成本并提高設(shè)施種植的精確性，從而提高產(chǎn)量、提高作物品質(zhì)，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變[13-15]。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

本系統(tǒng)主要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助傳統(tǒng)黃瓜育種，從解決黃瓜育種中的實際問題出發(fā)，緊密結(jié)合育種專家的要求，研制出適于黃瓜育種信息管理的計算機軟件，并實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)信息與黃瓜育種數(shù)據(jù)信息的科學(xué)管理和分析應(yīng)用，提升黃瓜育種的科學(xué)水平和效率。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

本系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點和育種專家數(shù)據(jù)處理分析兩部分組成。其中，無線傳感器節(jié)點由5部分組成，分別是：傳感器部分、液晶顯示部分、Zigbee無線通信部分、電源部分以及擴展接口部分。可以實現(xiàn)對設(shè)施溫室內(nèi)土壤溫濕度、溫室小環(huán)境空氣溫濕度、光照等多個物理參數(shù)的獲取，并通過Zigbee無線通信單元將信息發(fā)送出去，節(jié)點具有多路模擬量、數(shù)字量擴展通道接口，可根據(jù)實際需求進行連接。育種專家數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)采用B / S 框架，系統(tǒng)框架分為3層，依次為數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用服務(wù)層以及表示層。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫層主要是對傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶管理信息、育種專家業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等進行歸檔，提供快速查詢的底層接口。應(yīng)用服務(wù)層是傳感器數(shù)據(jù)、專家數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫之間的邏輯層。表示層主要是實現(xiàn)多樣化的育種專家數(shù)據(jù)的輸入、查詢顯示等，為業(yè)務(wù)邏輯的正確執(zhí)行提供適當?shù)沫h(huán)境，協(xié)調(diào)專家數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)采集的各項任務(wù)執(zhí)行。如圖1所示。

1.3 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)運用Microsoft Windows 7服務(wù)器操作系統(tǒng)；Web服務(wù)器為Tomcat8；采用Mysql5.0數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，Mysql是一個開源的數(shù)據(jù)庫平臺，目前被廣泛地應(yīng)用在Internet上的中小型網(wǎng)站中。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩大功能，一是實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，二是實現(xiàn)黃瓜育種專家數(shù)據(jù)的處理分析，從而為育種專家決策服務(wù)，主要功能如圖2。環(huán)境數(shù)據(jù)的采集主要是針對黃瓜整個生育期的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度每次間隔10 min不斷采集；育種數(shù)據(jù)管理分析功能主要是育種專家對所采集的田間數(shù)據(jù)（整個生育期的龍頭情況、長勢、產(chǎn)量以及瓜條商品性）進行處理分析，可分不同時間、不同采集項進行相關(guān)的查詢、計算，并可以進行圖表展示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 用戶登錄

由于育種數(shù)據(jù)的保密性，普通用戶和數(shù)據(jù)操作用戶均由管理員創(chuàng)建，填寫“用戶名”、“密碼”和“驗證碼”進入系統(tǒng)，其中普通用戶只提供信息瀏覽功能，數(shù)據(jù)操作用戶提供系統(tǒng)的實際操作功能。系統(tǒng)對驗證成功的用戶返回登錄成功的消息，并且給出用戶的用戶組類型，其他情況則提示用戶登錄失敗。endprint

2.2 育種數(shù)據(jù)匯總分析

育種專家數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，可根據(jù)生育期以及專家數(shù)據(jù)的各類指標（“產(chǎn)量”、“瓜條”、“長勢”、“龍頭”）進行查詢匯總分析，并可分別查看每個指標的查詢結(jié)果，以表格形式展示出來（圖3），并以Excel的形式下載。點擊“作圖”可以對查詢數(shù)據(jù)進行作圖分析（圖4）。

2.3 品種推薦分析

依據(jù)生育期查詢計算育種數(shù)據(jù)，可以按照“產(chǎn)量推薦”和“瓜條推薦”兩個推薦條件進行選擇，按照升序顯示前10項，為育種專家選擇目標品種提供參考（圖5）。

2.4 環(huán)境數(shù)據(jù)管理

設(shè)計選用2.4GHz Zigbee短距離無線傳輸技術(shù)，可獲得更大的適用范圍和更強的抗干擾能力，并且與同一頻率下的WiFi相比具有能夠組建更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，與433 MHz頻段相比具有更高的傳輸速率和更好的穩(wěn)定性，使得2.4G Zigbee短距離無線傳輸技術(shù)非常適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境下使用。空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器通過服務(wù)器數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)里，按照時間進行查詢和導(dǎo)出，主要內(nèi)容如下圖6。

2.5 用戶管理

2.5.1 用戶添加 管理員登錄之后，可以添加本單位的新用戶，并對添加的內(nèi)容編寫進行驗證處理，如果添加條件不對，會彈出提示框。

2.5.2 權(quán)限分配 管理員可以為用戶設(shè)定不同的權(quán)限，添加對應(yīng)的操作功能，根據(jù)每個用戶的具體工作情況而分配，不同的角色人員所擁有的瀏覽操作權(quán)限也不同。

2.6 退出系統(tǒng)

在系統(tǒng)界面的左側(cè)樹形結(jié)構(gòu)中有退出系統(tǒng)的標題節(jié)點，點擊“退出”就能直接退出系統(tǒng)，回到登錄界面，此次的登錄人員將不會被瀏覽器記錄用戶名和密碼。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)的最大特點在于將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與黃瓜育種專家數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計分析集為一體，界面直觀、操作簡單。環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集為育種專家進行品種篩選提供了依據(jù)，以及依據(jù)專家數(shù)據(jù)通過產(chǎn)量和瓜條商品性進行品種推薦，為育種工作者提供一種全新的、更為簡便易學(xué)、易理解的育種信息處理系統(tǒng)。當然本系統(tǒng)還有很多需要改進完善的地方，系統(tǒng)的功能設(shè)計也將越來越完善。本系統(tǒng)初步探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)于科研與生產(chǎn)進而推進黃瓜育種工作的發(fā)展，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的不斷深入，為科研服務(wù)的范圍與前景也必將更加廣闊。

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