基于無線自組網(wǎng)的多終端作物信息協(xié)同采集系統(tǒng)研發(fā)

隨著生物技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字技術(shù)的深度融合發(fā)展，全球范圍內(nèi)生物育種技術(shù)不斷取得重大突破，現(xiàn)代種業(yè)已進入“常規(guī)育種 + 現(xiàn)代生物技術(shù)育種 + 信息化育種”的4.0時代，育種規(guī)模不斷擴大，種質(zhì)資源數(shù)字化進程加快推進，快速記錄和分析各種田間調(diào)查數(shù)據(jù)及實驗室考種數(shù)據(jù)成了育種家和種質(zhì)資源工作者的迫切需求。然而，依靠傳統(tǒng)紙質(zhì)材料記錄數(shù)據(jù)，存在攜帶不便、采集效率低、筆記潦草無法辨認(rèn)、數(shù)據(jù)停留在紙上難以高效利用等諸多不足，已不能滿足現(xiàn)代科研育種的需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展和智能設(shè)備終端的快速更新，移動終端存儲能力、圖像處理能力越來越強，為各行各業(yè)迅速轉(zhuǎn)型升級提供了契機[1-4]。將智能移動終端應(yīng)用于作物信息采集，取代傳統(tǒng)的紙筆記錄，對加快作物育種的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、推進種業(yè)振興、打贏種業(yè)翻身仗具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外市場出現(xiàn)的一些農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件，依然存在數(shù)據(jù)傳輸成本高、紙質(zhì)記載本模擬程度低、操作使用不方便、中文字符兼容性差等問題，無法滿足科研團隊多人實時協(xié)同工作、作物信息高效采集、操作簡單靈活、使用成本低的需求。受制于此，國內(nèi) 90% 以上的科研育種團隊依然停留在傳統(tǒng)紙質(zhì)記載本階段，數(shù)據(jù)記錄規(guī)范性差，后期錄入錯誤率高，數(shù)據(jù)采集和整理效率低，影響我國優(yōu)異種源創(chuàng)新效率和育種進展。

本研究旨在基于無線自組網(wǎng)技術(shù)和多終端自適應(yīng)技術(shù)[5-，運用跨平臺的Java語言，使用Androidstudio開發(fā)環(huán)境，采用輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite，研發(fā)一個通用型的作物信息協(xié)同采集系統(tǒng)，實現(xiàn)團隊多人實時協(xié)同工作，多終端數(shù)據(jù)共同編輯、查看和分享，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)架構(gòu)本系統(tǒng)基于無線自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)多終端設(shè)備共同記錄作物性狀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)層、接口層、服務(wù)層、應(yīng)用層和訪問層（圖1）。數(shù)據(jù)層存儲系統(tǒng)運行產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，如用戶信息、性狀信息、任務(wù)信息等，數(shù)據(jù)類型包括文本數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)等；接口層定義和調(diào)用接口，如安卓API接口、藍牙API接口；服務(wù)層定義和處理各種業(yè)務(wù)邏輯，如數(shù)據(jù)導(dǎo)入、合并、計算等;應(yīng)用層面向用戶提供具體功能，如用戶注冊、性狀管理、任務(wù)管理等；訪問層與用戶直接交互，用戶可以使用安卓平板電腦或智能手機訪問系統(tǒng)。

1.2系統(tǒng)功能本系統(tǒng)為一款通用型的作物信息協(xié)同采集系統(tǒng)，根據(jù)不同作物研究領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集的實際需要，對系統(tǒng)的功能進行詳細(xì)設(shè)計，分性狀管理、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)分享、數(shù)據(jù)導(dǎo)出4個主要功能模

塊（圖2）。

不同作物需要調(diào)查的性狀、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)值不同[7-9]，如小麥的性狀“芒色”，數(shù)據(jù)值的范圍是白色、紅色、黑色；水稻的性狀“芒色”，數(shù)據(jù)值的范圍是白色、稈黃色、黃色、紅色、褐色、紫色、黑色，因此，在調(diào)查數(shù)據(jù)前需要在性狀管理模塊維護好性狀庫。作物的性狀分為基礎(chǔ)性狀和其他性狀，性狀管理模塊具備對這些性狀的性狀名稱、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)取值進行自定義的功能，以滿足不同作物數(shù)據(jù)采集的需要。任務(wù)管理模塊具備任務(wù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)記錄、任務(wù)查詢功能，任務(wù)創(chuàng)建方式分批量導(dǎo)入、單條錄入兩種，數(shù)據(jù)記錄時同步顯示前1年和前2年的數(shù)據(jù)作參考。數(shù)據(jù)分享模塊具備數(shù)據(jù)分享、數(shù)據(jù)合并功能，滿足多人協(xié)同工作，多終端共同記錄數(shù)據(jù)的需要。數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊具備將記錄的數(shù)據(jù)和拍攝的照片導(dǎo)出成Excel表格和圖片文件，省去傳統(tǒng)紙筆記錄后人工錄人的過程，提高工作效率。

圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2系統(tǒng)功能

1.3數(shù)據(jù)模型作物信息協(xié)同采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型包含用戶、任務(wù)和性狀3個實體，其實體關(guān)系見圖3。用戶實體包含用戶ID、用戶名、密碼、單位名稱、問題提示等屬性，主要描述用戶的相關(guān)信息。任務(wù)實體包含任務(wù)ID、操作人、任務(wù)創(chuàng)建日期、完成進度、基礎(chǔ)性狀I(lǐng)D、基礎(chǔ)性狀數(shù)據(jù)、其他性狀I(lǐng)D、其他性狀數(shù)據(jù)、圖片、圖片描述等屬性，主要描述數(shù)據(jù)采集任務(wù)的相關(guān)信息。性狀實體包含性狀I(lǐng)D、性狀序號、性狀類型、性狀名稱、數(shù)據(jù)類型、選擇型數(shù)據(jù)內(nèi)容、歸屬作物等屬性，主要描述各類作物的性狀信息。

圖3實體聯(lián)系模型圖

2 系統(tǒng)功能模塊

2.1性狀管理模塊作物的性狀分基礎(chǔ)性狀和其他性狀兩類（圖4a）。基礎(chǔ)性狀為不同作物具有的相同的性狀，如正季號、上年區(qū)號、品種名稱、樣本編號、來源地、行數(shù)等。其他性狀為不同作物所特有的性狀，其作物名稱、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)值范圍不同，如小麥的特有性狀有穗蠟質(zhì)、濕面筋含量、赤霉病抗性等，水稻的特有性狀有穗抽出度、直鏈淀粉含量、苗瘟抗性等。

性狀管理包括性狀添加、修改和刪除。性狀添加時，對性狀名稱、數(shù)據(jù)類型、選擇型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)值以及歸屬作物等進行自定義（圖4b）。性狀數(shù)據(jù)類型包括文本型數(shù)據(jù)、數(shù)值型數(shù)據(jù)、時間型數(shù)據(jù)和選擇型數(shù)據(jù)。其中，選擇型數(shù)據(jù)需提前定義好可選擇的具體數(shù)據(jù)選項，記錄數(shù)據(jù)時采用直接點選的方式進行，無需文本錄入，節(jié)省時間。

2.2任務(wù)管理模塊任務(wù)管理模塊具有任務(wù)創(chuàng)建、編輯、查看、刪除等功能，記錄數(shù)據(jù)前需要創(chuàng)建性狀調(diào)查任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)建支持模板直接創(chuàng)建、批量導(dǎo)入創(chuàng)建兩種方式。通過模板直接創(chuàng)建調(diào)查任務(wù)，適用于調(diào)查品種較少時的應(yīng)用場景，逐條輸入每個品種的基本信息，包括正季號、上年區(qū)號、品種名稱、行數(shù)等（圖5a）。調(diào)查品種較多時，逐條輸人品種信息比較繁瑣，可以在電腦上預(yù)先創(chuàng)建好Excel格式的任務(wù)表格，批量導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中（圖5b）。兩種方式創(chuàng)建的任務(wù)，后期都可以根據(jù)需要隨時添加新的需要調(diào)查的品種。

任務(wù)創(chuàng)建完成后，可以利用任務(wù)編輯功能，記錄作物的田間性狀觀測數(shù)據(jù)或?qū)嶒炇铱挤N數(shù)據(jù)。開始記錄數(shù)據(jù)前，可以選擇本次需要調(diào)查的性狀，其他未被選擇的性狀及其數(shù)據(jù)被暫時隱藏。記錄數(shù)據(jù)時只顯示本次需要調(diào)查記錄的性狀列，界面更加清爽、直觀，無需左右來回滾動滑塊尋找性狀列，提高數(shù)據(jù)記錄的速度。任務(wù)編輯功能支持臨時增加或刪除性狀，刪除性狀會將該性狀列連同數(shù)據(jù)一并刪除。

a：性狀庫b：性狀添加

圖4性狀管理的界面

為了使系統(tǒng)操作更加簡單便捷，盡量減少人工輸入，時間型數(shù)據(jù)和選擇型數(shù)據(jù)均通過點選方式記錄數(shù)據(jù)，只有文本型數(shù)據(jù)和數(shù)值型數(shù)據(jù)需要手動輸入（圖6）。數(shù)值型數(shù)據(jù)不限制數(shù)據(jù)的個數(shù)，且自動求出平均值。在記錄數(shù)據(jù)時，可以隨時看到前2年的數(shù)據(jù)，作為本次數(shù)據(jù)記錄的參考。除了數(shù)據(jù)采集外，系統(tǒng)也提供圖片采集，在記錄任何性狀數(shù)據(jù)時，可以隨時點擊圖片小圖標(biāo)拍攝照片，方便以后進行比對分析。圖片拍攝時可以備注信息，圖片文件自動命名為正季號_性狀名稱_隨機號 .jpg。

2.3數(shù)據(jù)分享模塊通常調(diào)查任務(wù)都比較繁重，需要多人分工共同完成。為了滿足多人協(xié)同工作的場景，本軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)分享，包括整個任務(wù)分享和按記錄分享兩種方式。整個任務(wù)分享即將一個采集終端上的整個任務(wù)表格傳輸?shù)狡渌杉K端上，該功能一般在任務(wù)分工時使用（圖7a）。按記錄分享方式即在一個采集終端上選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)行，發(fā)送到另一個采集終端上，使兩個采集終端上的數(shù)據(jù)合并（圖7b）。

圖5任務(wù)創(chuàng)建的界面

圖6記錄數(shù)據(jù)的界面

a：時間型數(shù)據(jù)錄入；b：數(shù)值型數(shù)據(jù)錄入;c：選擇型數(shù)據(jù)錄入；d：數(shù)據(jù)錄入的結(jié)果

照片文件一般較大，當(dāng)照片過多時，會影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。該軟件在數(shù)據(jù)分享時，支持帶圖片分享和不帶圖片分享（圖8）。帶圖片分享，需要將分享圖片前的文本框選中，將數(shù)據(jù)和照片一并傳輸?shù)搅硪粋€移動終端，適用于照片較少的場景。不帶圖片分享，需要確保分享圖片前的文本框保持未選擇狀態(tài)，在數(shù)據(jù)分享時，僅傳輸數(shù)據(jù)，不傳輸照片，可以直接將照片傳輸?shù)诫娔X上進行整理，值型數(shù)據(jù)的原始記錄值導(dǎo)出到Excel表格，以便后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時查看異常數(shù)據(jù)。

a：整個任務(wù)分享;b：按記錄分享

圖8是否分享照片的選擇界面

2.4數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊相比電腦而言，采集終端一般性能較低，無法勝任復(fù)雜的統(tǒng)計分析，仍然需要在電腦上進行相關(guān)操作，這就需要將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊支持將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel表格形式，分計算導(dǎo)出和原始導(dǎo)出兩種方式（圖9）。計算導(dǎo)出方式即將數(shù)值型數(shù)據(jù)的平均值導(dǎo)出到Excel表格，省去后期求平均值的工作。原始導(dǎo)出即將數(shù)

圖7任務(wù)分享的界面

圖9數(shù)據(jù)導(dǎo)出的界面

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1業(yè)務(wù)流程作物田間性狀觀測是作物育種和種質(zhì)資源繁殖過程中一項非常重要的工作，主要包括觀測實驗設(shè)計、田間記載本制作、觀測數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)錄人等環(huán)節(jié)（圖10）。觀測實驗設(shè)計主要對待觀測的樣本材料、種植行數(shù)、需調(diào)查的性狀等進行設(shè)計。田間記載本制作是根據(jù)前期的實驗設(shè)計，將本次實驗需要觀測記錄數(shù)據(jù)的表格打印，制作成紙質(zhì)記載本，方便到田間記錄數(shù)據(jù)。田間記載本內(nèi)容一般包含品種名稱、種植行數(shù)、需要調(diào)查的性狀名稱等信息。觀測數(shù)據(jù)記錄即按實驗要求和國家種質(zhì)資源描述規(guī)范與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對樣本材料進行科學(xué)觀測，并將觀測的數(shù)據(jù)記錄在田間記載本上。作物生長過程中大多數(shù)性狀觀測都有特定的時間限制，個別性狀甚至只持續(xù)幾個小時。當(dāng)樣本材料比較多或者需要調(diào)查的性狀比較多時，一個人往往無法快速完成，需要多人分工觀測記錄，才能保障本年度的性狀觀測工作順利開展。數(shù)據(jù)匯總與錄入即將團隊多人分工記錄的數(shù)據(jù)進行合并歸檔，并錄入電腦，進行統(tǒng)計分析。

本研究按照作物田間性狀觀測工作的具體業(yè)務(wù)設(shè)計開發(fā)作物信息采集系統(tǒng)軟件，通過性狀創(chuàng)建、任務(wù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分享合并、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，實現(xiàn)作物田間性狀觀測多人分工協(xié)作、數(shù)據(jù)無紙化記錄（圖11）；系統(tǒng)界面設(shè)計上，立足用戶友好的原則，采用傳統(tǒng)紙質(zhì)田間記載本表格的呈現(xiàn)形式，盡量通過點選的方式記錄數(shù)據(jù)，減少手動輸人，在保持原有數(shù)據(jù)記錄習(xí)慣的同時，操作更加簡單便捷。

圖10作物田間性狀觀測傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

圖11作物信息采集系統(tǒng)采集田間性狀業(yè)務(wù)流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1無線自組網(wǎng)技術(shù)針對團隊多人協(xié)同工作的場景，本研究開發(fā)的作物信息采集系統(tǒng)采用低功耗藍牙組網(wǎng)技術(shù)，在田間或?qū)嶒炇铱焖贅?gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多個移動采集終端間的低成本、低功耗、高速數(shù)據(jù)通信。其步驟包括查找并導(dǎo)人Java藍牙API或庫、打開藍牙適配器、搜索附近的藍牙設(shè)備、選擇目標(biāo)藍牙設(shè)備進行配對，以及建立與目標(biāo)藍牙設(shè)備的連接。

Java的藍牙API主要包括JSR-82（Javaspecificationrequest82），不過Java標(biāo)準(zhǔn)庫中并不包含JSR-82，因此在項目中引人了BlueCove庫。同時，使用LocalDevice類訪問本地藍牙適配器，以及

DiscoveryAgent類搜索附近的藍牙設(shè)備。本系統(tǒng)中藍牙設(shè)備配對不是自動配對，需要用戶交互，選擇準(zhǔn)備同步數(shù)據(jù)的目標(biāo)設(shè)備。一旦設(shè)備配對成功，使用設(shè)備的地址和UUID建立連接。

基于藍牙的無線自組網(wǎng)技術(shù)不僅實現(xiàn)了采集任務(wù)即時分發(fā)與接收，采集數(shù)據(jù)即時分享與合并。而且，無需依賴無線路由器等外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，降低了組網(wǎng)的成本[10-13]。與WiFi組網(wǎng)相比，藍牙功耗僅為WiFi的1/3，大幅度延長了采集終端的續(xù)航時間。3.2.2開發(fā)環(huán)境本研究運用跨平臺的Java語言，使用Androidstudio開發(fā)環(huán)境，采用輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite，開發(fā)實現(xiàn)作物信息采集系統(tǒng)[14-15]。Androidstudio便于開發(fā)人員調(diào)整在不同尺寸屏幕和分辨率的Android設(shè)備上應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)記錄的核心構(gòu)件，移動終端設(shè)備存儲空間小，因此本系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)本地化存儲。SQLite數(shù)據(jù)庫被集成在信息采集系統(tǒng)程序中，無需安裝和配置，運行速度快，占用內(nèi)存非常小，極大地提高了信息采集和查詢效率。

4總結(jié)

本文研究開發(fā)的作物信息協(xié)同采集系統(tǒng)對傳統(tǒng)紙筆記錄的業(yè)務(wù)流程和紙質(zhì)記載本的界面進行了充分地模擬，實現(xiàn)所記即所得，操作簡單便捷，極大地降低了軟件使用的門檻。利用無線自組網(wǎng)技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，降低了軟件的使用成本，通過自適應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)不同終端自動適配。該軟件的使用將解決作物種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定、新品種選育等過程中作物信息采集筆記潦草、協(xié)同性差、工作效率低、無法及時查詢往年數(shù)據(jù)等問題，實現(xiàn)不同類型作物田間性狀調(diào)查、實驗室考種等數(shù)據(jù)協(xié)同高效采集和實時查詢處理，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，提升育種研發(fā)效率，加快作物育種數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推進種業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

同時，該軟件中數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)值范圍完全自定義，具有很強的通用性和可擴展性，不僅適用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不同類型作物的相關(guān)數(shù)據(jù)采集，也可以拓展到其他行業(yè)需要進行數(shù)據(jù)采集的場景。

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