基于Android的作物表型性狀數據采集系統研究

趙巧麗，臧賀藏，李國強，王進磊，胡 峰,

(1.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所/河南省智慧農業工程技術研究中心，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)

農業信息采集是國內當前研究的熱點之一，有關農田環境信息[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[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，亟需借助現代化信息手段，提高數據采集效率。隨著移動端技術的迅速發展，其被快速應用到物流、畜牧、農業等不同領域[10-11]。戴建國等[12]設計開發了基于智能手機的棉花苗情調查與決策支持系統，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]利用無線網絡通訊實現手持灌溉控制終端與自動灌溉系統中灌溉控制器之間的信息交互，提高了自動灌溉控制系統應用效率。關于性狀參數數據獲取，國內外已有一些研究，國外有表型數據采集軟件Phenobook、Fieldbook、Fieldlab等[14]，國內有農博士育種軟件[15]、基于PDA的作物育種數據田間移動采集系統[8]等。這些知名軟件主要針對作物育種過程研究開發，不能滿足栽培、育種區試、生產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，本研究在充分調研不同農作物、不同試驗類型數據采集過程的基礎上，結合射頻識別技術和無線通訊技術，設計開發了通用型作物表型性狀數據采集系統移動端APP。

1 作物表型性狀管理系統概述

基于Android的作物表型性狀數據采集系統(以下簡稱移動端APP)是作物表型性狀管理系統的一個子系統。作物表型性狀管理系統為實現試驗全過程信息化開發，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(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對試驗全過程進行管理，在Web端對試驗內容進行設計并分發到服務器，接收移動端上傳到服務器的性狀采集數據，對數據進行管理。移動端接收任務，執行數據采集并上傳數據(圖1)。

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

2 作物表型性狀管理系統介紹

2.1 作物表型性狀管理系統總體結構設計

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

作物表型性狀管理系統包括系統管理、試驗設計、數據分析和報表生成4個部分，系統總體結構如圖2所示。作物表型性狀管理系統主要負責基礎信息管理、試驗任務設計和分發、采集數據的分析統計和報表生成。移動端APP接收作物表型性狀管理系統分發的試驗任務，采集結束后上傳數據。

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

2.2 作物表型性狀管理系統權限設計

系統用戶采用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，管理系統根據賬號和密碼識別用戶權限，提供相應的系統功能。試驗采集員角色在移動端可多人同時登錄，數據獨立上傳。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

3.1 移動端APP功能

根據農作物試驗特點和需求，移動端APP需具備以下功能：(1)充分考慮多種數據采集方式，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，數據實時保存。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、數據錄入、數據上傳和指標字典共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需要設定采集次數。模板制定完成后，模板上的性狀指標可根據數據采集習慣調整順序，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 試驗小區若采用條碼標識，可通過掃碼獲取小區編號，按照模板性狀指標進行數據錄入。

3.1.3 手動錄入 用戶可以任意設置小區編號，按照當前使用模板錄入數據。在數據錄入過程中發現小區錯誤或者數據有誤的情況下，可在手動錄入模塊中及時進行修改和保存。

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

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

3.1.6 指標字典 管理系統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開發環境

開發語言為Java，適用Android 4.0以上。數據庫為Android自帶的SQLite數據庫。移動端存儲空間有限，在數據上傳執行后，保存在移動端的數據自動刪除。

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絡在線，以便接收作物表型性狀管理系統下達的試驗任務。在田間采集時可離線登錄。登陸后，作物表型性狀管理系統顯示試驗站所承擔的試驗項目，選擇當前需采集數據的試驗。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。數據采集開始前，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、病蟲害調查、產量性狀、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“散粉調查”，該系統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，采集次數設定為5(圖4-4)。數據錄入按照模板進行(圖4-5)，小區沒有數據或者某一指標沒有數據的，此處可為空。本案例中，數據錄入小區編號為3時，沒有數據，因此，直接進入下一小區。在數據上傳模塊中(圖4-6)，查看數據詳情，可看到區號3中數據為空(圖4-7)。如果小區3需要采集數據，可輸入小區編號3后手動錄入(圖4-8)。數據采集結束后，再次在數據上傳中查看數據詳情(圖4-9)，3號小區數據已補充完整。數據上傳至服務器需要網絡支持。

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。針對不同農作物、不同試驗類型數據采集過程進行了測試和應用，并修改和完善了該系統的功能。移動端APP在數據錄入結束后，直接保存為數據表，省去了傳統手工記載二次錄入過程，省時省力，提高數據采集效率70%以上。移動端APP作為執行數據采集的載體，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，同類系統主要針對育種試驗過程開發，本研究在充分調研不同農作物、不同試驗類型數據采集過程的需求基礎上，采用C/S架構開發了適用于不同農作物、不同類型農業試驗的通用型作物表型性狀數據采集系統移動端APP。該APP主要功能是接收任務和執行性狀數據采集。系統功能設計靈活，支持多種采集方式，錄入迅捷，支持離線采集，數據實時保存，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據格式以及數據單位已經確定，避免不同試驗點采集數據格式不統一，便于不同試驗點數據的統計匯總。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據，保證采集指標的一致性。系統對質量性狀提供點選錄入，提高了數據錄入效率。

農博士育種移動采集系統1次只能接收1個采集任務，且主要針對育種過程開發。本研究移動端APP執行任務范圍只與試驗任務的性狀指標有關，與試驗性質無關，應用范圍更廣，可同時接收多個試驗任務，更符合生產實際。與國外的Phenobook相比[14]，該APP在接收任務時，需要采集性狀的數據單位已經確定，采集性狀指標的錄入順序在制作模板時可以調整，數據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。

系統經過多次修改和完善，還有待改進之處，后續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，更大程度提高數據采集效率。

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