劉忠強(qiáng)，王開義，趙向宇，李民贊

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室，北京 100083；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100097；4.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

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基于RFID的育種材料田間布局統(tǒng)計系統(tǒng)研究

劉忠強(qiáng)1,2，王開義3，趙向宇4，李民贊1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室，北京 100083；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京 100097；4.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

針對大規(guī)模育種條件下海量育種材料田間布局統(tǒng)計手段落后、效率低和及時性差等問題，以改進(jìn)育種材料田間標(biāo)識和定位技術(shù)為切入點，研究基于RFID技術(shù)和手持移動終端的田間布局高效采集模式及布局圖快速、準(zhǔn)確繪制方法，并集成應(yīng)用WIFI、GPRS、3G/4G等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的育種材料田間布局統(tǒng)計系統(tǒng)。系統(tǒng)節(jié)省了田間紙質(zhì)記載和人工錄入的環(huán)節(jié)，避免了二次整理時產(chǎn)生的錯誤，實現(xiàn)了育種材料的快速準(zhǔn)確定位、田間布局?jǐn)?shù)據(jù)的高效采集、布局?jǐn)?shù)據(jù)的無線實時傳輸和田間布局圖的精確繪制。在國內(nèi)多家大型育種企業(yè)和科研院所應(yīng)用表明：該系統(tǒng)能夠提高育種材料田間布局統(tǒng)計效率和精確度，降低育種從業(yè)人員的田間勞動強(qiáng)度，促進(jìn)育種機(jī)械化、信息化的發(fā)展進(jìn)程。

育種材料；田間布局；射頻識別；信息化

0 引言

精確的育種材料田間布局是育種試驗數(shù)據(jù)快速采集及育種裝備高效作業(yè)的重要依據(jù)。育種材料在田間播種或移栽時，因出苗率、人工成本、移栽時限及地塊面積等多種原因，不可避免地將發(fā)生田間布局與最初的設(shè)計規(guī)劃不一致的情況，需要進(jìn)行田間布局的再次統(tǒng)計。一旦發(fā)生田間材料標(biāo)識牌因意外損壞或丟失等異常情況，育種家可以依據(jù)田間布局通過地塊和具體位置信息識別材料。

育種試驗規(guī)模化、操作機(jī)械化、數(shù)據(jù)信息化是我國種業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。隨著小區(qū)播種機(jī)、植保無人機(jī)、小區(qū)收割機(jī)等育種裝備的廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)確無誤的育種材料田間布局是育種機(jī)械田間行駛路線優(yōu)化、精準(zhǔn)定位和高效作業(yè)的重要依據(jù)，有利于充分發(fā)揮育種裝備的工作效率。

傳統(tǒng)的育種材料布局統(tǒng)計方法是在材料播種或移栽完成后，育種工作人員在田間逐一查看育種材料標(biāo)識牌上的材料唯一標(biāo)識信息，同時將材料的田間位置信息一起記錄在紙質(zhì)記載本上，后期再錄到電腦的Excel文件中長期保存。這種方法普遍存在工作量大、效率低、及時性差、田間人工漏記錯記及二次整理時產(chǎn)生的錯誤統(tǒng)計等諸多問題。特別是隨著我國商業(yè)化、規(guī)?；N進(jìn)程的加快推進(jìn)，面對成千上萬的育種材料田間布局統(tǒng)計工作，快速、高效、準(zhǔn)確的統(tǒng)計方法和手段儼然成為育種從業(yè)人員迫切的現(xiàn)實需求。

以射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近幾年已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和種業(yè)領(lǐng)域，在農(nóng)田試驗數(shù)據(jù)采集[3-5]、試驗環(huán)境數(shù)據(jù)采集[6-8]、農(nóng)作物生長信息獲取、遠(yuǎn)程農(nóng)田監(jiān)控、種子標(biāo)識和庫存盤點[9-11]等方面發(fā)揮了重要作用。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的高云[12]等提出的高通量下水稻育種網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)，將RFID技術(shù)用于溫室水稻盆栽自動化種植輸送設(shè)備，實現(xiàn)大量的水稻盆栽的實時標(biāo)識，有效地提高了水稻遺傳育種試驗效率。

本文基于RFID、手持移動終端(PDA)和無線通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出一種用于育種材料田間布局統(tǒng)計的系統(tǒng)和方法，通過育種材料的電子標(biāo)識、田間布局?jǐn)?shù)據(jù)的高效采集、無線實時傳輸和田間布局圖的自動繪制，提高育種材料田間布局統(tǒng)計工作的效率和準(zhǔn)確度，降低田間育種的勞動強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的育種材料田間布局統(tǒng)計系統(tǒng)，以改進(jìn)育種材料田間標(biāo)識和定位技術(shù)為切入點，探索基于RFID和手持移動終端的田間布局高效采集模式，充分發(fā)揮WIFI、GPRS、3G/4G等無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，實現(xiàn)布局?jǐn)?shù)據(jù)在移動端與服務(wù)器端的實時同步和自動解析，提升育種材料田間布局統(tǒng)計工作的效率和精確度。系統(tǒng)主要由育種材料電子標(biāo)識、田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集和田間布局圖繪制3個子系統(tǒng)部分組成，各子系統(tǒng)之間依賴性和聚合性較低，具有良好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用性。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

材料電子標(biāo)識子系統(tǒng)充分利用RFID技術(shù)讀取距離大及速度快的優(yōu)勢，設(shè)計含有RFID芯片的育種材料電子標(biāo)識牌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料或竹制標(biāo)識牌，并通過配套的標(biāo)簽讀寫和條碼打印模塊，實現(xiàn)電子標(biāo)識牌的快速制作和材料標(biāo)識。

田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以育種地塊為單位，借助具有RFID讀寫功能的手持移動終端，獲取該地塊中各個區(qū)域所種植的育種材料的唯一標(biāo)識信息；同時根據(jù)預(yù)設(shè)的采集規(guī)則采集列號、行號等布局?jǐn)?shù)據(jù)，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺服務(wù)器。

田間布局圖繪制子系統(tǒng)解析上傳的育種材料的唯一標(biāo)識、育種地塊的唯一標(biāo)識及田間位置等信息，并繪制地塊維度和試驗維度的田間布局圖，進(jìn)而可以根據(jù)配置參數(shù)輸出不同粒度的報表，用于性狀數(shù)據(jù)采集和育種機(jī)械行走路線設(shè)計。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 育種材料電子標(biāo)識技術(shù)

快速、準(zhǔn)確地獲取育種材料的唯一標(biāo)識信息是提高田間布局采集效率的關(guān)鍵因素，研究高效的育種材料田間標(biāo)識技術(shù)和手段意義重大。傳統(tǒng)的材料標(biāo)識牌由塑料或自制的竹板制成，將材料編號、小區(qū)編號等信息用記號筆寫到牌上，第2年用酒精擦除后重用。這種方式工作量大、標(biāo)識信息量少，標(biāo)識牌在田間受風(fēng)吹雨淋暴曬等惡劣環(huán)境影響，容易導(dǎo)致標(biāo)識牌上的文字模糊或丟失，進(jìn)而產(chǎn)生錯記、漏記等現(xiàn)象的發(fā)生，造成嚴(yán)重的損失。

本文提出一種基于RFID技術(shù)的育種電子標(biāo)識牌(“育種電子標(biāo)簽”)，如圖2所示。該育種電子標(biāo)簽含有RFID芯片，通過配套的RFID讀寫設(shè)備將試驗材料標(biāo)識信息寫入到芯片中，具有識讀快速、標(biāo)識信息量大、可重復(fù)利用及攜帶使用方便等特點。在田間通過手持移動終端對育種電子標(biāo)簽無線讀取，可實現(xiàn)對試驗材料和地點的快速、準(zhǔn)確識別，減少操作失誤，提高田間試驗數(shù)據(jù)采集效率。

圖2 育種電子標(biāo)識牌示意圖

為了配套育種電子標(biāo)簽的使用，提出了基于C/S架構(gòu)的電子標(biāo)簽制作系統(tǒng)，包括電子標(biāo)簽讀寫模塊和條碼打印模塊兩個主要部分。通過電子標(biāo)簽讀寫模塊，可將大量育種材料信息連續(xù)快速地寫入對應(yīng)標(biāo)識牌的芯片中；同時，可以選擇打印帶有防水不干膠的一維或二維條碼，直接貼在育種電子標(biāo)簽的表面，省略了人工手寫環(huán)節(jié)，大幅提高標(biāo)識工作效率。育種電子標(biāo)簽制作和條碼打印流程如圖3所示。

圖3 育種電子標(biāo)簽制作流程圖

2．2 田間布局信息采集技術(shù)

育種材料的田間布局可以通過與材料綁定的育種電子標(biāo)簽所在地塊和具體位置等信息進(jìn)行體現(xiàn)。所以，育種材料田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集的首要環(huán)節(jié)即是準(zhǔn)確獲取育種電子標(biāo)簽的田間位置信息，從而為布局圖的繪制提供數(shù)據(jù)來源。目前，GPS技術(shù)常用于物體定位和經(jīng)緯度信息采集[13]；但由于育種材料種子量少，所種植地塊面積較小，兩個材料標(biāo)識牌的田間最小距離在20cm左右，市場上GPS系統(tǒng)的精度無法滿足育種電子標(biāo)簽準(zhǔn)確定位的需求。本文提出的育種材料田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集技術(shù)方案

2.2.1 育種材料定位

首先定位某一育種地塊并獲取地塊標(biāo)識信息，利用具備RFID讀寫功能的手持移動終端依次讀取該地塊中各個區(qū)域設(shè)置的田間材料電子標(biāo)識牌，以獲取對應(yīng)區(qū)域所種植的育種材料的唯一標(biāo)識信息。

為了提高定位工作效率，將所有育種地塊進(jìn)行統(tǒng)一編號，并制作地塊電子標(biāo)識牌，在采集某個地塊的布局信息時，首先掃描地塊電子標(biāo)識牌自動定位到當(dāng)前地塊，減少人工選擇和錄入環(huán)節(jié)，提高自動化水平和采集效率。

2.2.2 布局?jǐn)?shù)據(jù)采集

育種材料在田間以行列方式進(jìn)行排列種植，每個地塊種植的列數(shù)、每列種植的行數(shù)及每行種植的株數(shù)因地塊面積、種子量、出苗率等原因而各不相同。布局?jǐn)?shù)據(jù)采集時，為了準(zhǔn)確記錄材料所處的行號和列號，在分析材料種植規(guī)律和布局?jǐn)?shù)據(jù)類型的基礎(chǔ)上，定義采集規(guī)則如下：

1)從每一育種地塊的任意一個邊界開始，設(shè)定初始種植列為第1列，依次遞增，作為材料的列號；

2)采集每一列時，根據(jù)田間掃描育種電子標(biāo)簽的順序自動生成每一列的順序號，作為材料在該列的行號；

3)根據(jù)管理需求選擇性記錄育種材料在相應(yīng)區(qū)域種植的行數(shù)及每行種植的株數(shù)。

系統(tǒng)定義布局?jǐn)?shù)據(jù)采集格式為包含地塊號s、列號c、行號r、采集方向d、材料號m、種植行數(shù)n、種植株數(shù)z的七元組。其中，采集方向d代表采集某一列時的行走方向，結(jié)果包含{正，反}兩類，設(shè)定第1列采集行走的方向為正向，其他列采集行走的方向與第1列相同則為正，否則為反向；種植行數(shù)n和種植株數(shù)z可為空。七元組數(shù)據(jù)樣例如表2所示，布局?jǐn)?shù)據(jù)采集界面如圖5所示。

圖5 布局?jǐn)?shù)據(jù)采集界面

本文提出的田間布局采集方法適用于各種不規(guī)則性狀的育種地塊，即各個列的長度可以不一致；同時，允許操作人員從地塊的任一邊界開始采集，并對上次未采集完的地塊，可以由任何一人從任一位置開始續(xù)采。對于同一個地塊允許多人操作多個手持移動終端同時進(jìn)行布局采集，以提高操作的靈活性和工作效率。

2.2.3 布局?jǐn)?shù)據(jù)傳輸

以育種地塊為單位，通過WiFi、GPRS、3G/4G等無線網(wǎng)絡(luò)將采集的七元組布局?jǐn)?shù)據(jù)自動上傳到后臺服務(wù)器。針對局部數(shù)據(jù)修改的實際需求，允許將一列或者多列布局?jǐn)?shù)據(jù)分批上傳，相同列號的數(shù)據(jù)做覆蓋處理。系統(tǒng)節(jié)省了田間紙質(zhì)記載和人工錄入的環(huán)節(jié)，避免了二次整理時產(chǎn)生的錯誤。

2.3 田間布局圖繪制技術(shù)

解析上傳的布局?jǐn)?shù)據(jù)，驗證布局?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和合法性，以地塊為單位繪制地塊維度的布局圖，以試驗為單位繪制試驗維度的布局圖，并提供多種布局圖使用接口，方便與育種機(jī)械集成應(yīng)用。田間布局圖繪制流程如圖6所示。

2.3.1 地塊布局圖繪制

用于生成每個育種地塊的材料田間布局圖。以地塊為單位，解析上傳的育種材料唯一標(biāo)識信息、育種地塊唯一標(biāo)識信息、所在列號、所在行號、列的方向、種植行數(shù)和行內(nèi)的種植株數(shù)等信息，構(gòu)建行列布局矩陣，生成每一育種地塊的育種材料田間布局圖。其中，布局矩陣中反向采集的列中所有材料的行號需要進(jìn)行逆向填充，以保證布局圖中的順序與實際田間順序一致。

圖6 田間布局圖繪制流程

2.3.2 試驗布局圖繪制

用于生成每一育種試驗集合的材料田間布局圖，方便育種人員從試驗的維度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和田間觀測。以試驗為單位，系統(tǒng)根據(jù)材料編號自動提取試驗所有材料所種植的一個或多個地塊，按照用戶指定的地塊順序生成試驗布局圖。若同一地塊中存在多個試驗材料的情況，在生成試驗布局圖時過濾其它試驗的育種材料，僅顯示屬于該試驗的材料布局信息。

2.3.3 布局圖調(diào)整與輸出

據(jù)用戶需求配置參數(shù)，對育種地塊的育種材料田間布局圖或育種試驗集合的田間布局圖進(jìn)行多個視角的翻轉(zhuǎn)，方便用戶多角度查看。同時，還可以輸出材料、小區(qū)、種植行等不同粒度的報表，提供多種形式的對外數(shù)據(jù)接口，提高材料布局圖使用的便捷性。本系統(tǒng)與育種田間機(jī)械集成，可實現(xiàn)操作結(jié)果與材料的自動關(guān)聯(lián)，滿足大規(guī)模育種條件下的流水線、高效率作業(yè)需求。

3 實施方式

為了更好地說明系統(tǒng)的技術(shù)方案和實施方式，本文創(chuàng)建2個水稻育種試驗，每個試驗包含100個待考察的材料，每個材料具有全局唯一標(biāo)識，種植在兩個育種地塊中(地塊編號為S1和S2)。水稻育種試驗及材料信息如表1所示。

表1 水稻育種試驗及材料信息表

利用系統(tǒng)制作200個寫有材料唯一標(biāo)識信息的育種材料電子標(biāo)識牌(RFID芯片頻率為13.56MHz，采用ISO14443A協(xié)議)，并與材料種子實體進(jìn)行綁定，播種和移栽時插在地塊中或掛在材料植株上。

制作S1和S2地塊的電子標(biāo)識牌，寫入地塊唯一標(biāo)識信息并插在地塊中。其中，S1地塊的小區(qū)數(shù)為150個(5列×30行)，可播種150個材料；S2地塊形狀不規(guī)則，小區(qū)數(shù)為115個(5列，小區(qū)數(shù)分別為15、20、20、30、30)，可播種115個材料。

育種人員在田間使用具備電子標(biāo)簽讀寫功能的手持終端設(shè)備(手機(jī)型號：三星Galaxy Note Ⅱ 7100)進(jìn)行田間布局?jǐn)?shù)據(jù)采集，采集的部分布局?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 育種材料田間布局采集數(shù)據(jù)表(部分)

材料田間布局?jǐn)?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器中，經(jīng)過解析繪制生成地塊布局圖和試驗布局圖，如圖7和圖8所示。

圖7 地塊布局圖

圖8 試驗布局圖

4 結(jié)論

針對大規(guī)模育種材料田間布局高效統(tǒng)計的現(xiàn)實需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的育種材料田間布局統(tǒng)計系統(tǒng)。首先給出了系統(tǒng)整體架構(gòu)，設(shè)計了一種快速標(biāo)識的育種材料電子標(biāo)識牌；接著分析了影響布局采集效率的關(guān)鍵因素，提出了手持移動終端和育種材料電子標(biāo)識牌相結(jié)合的布局?jǐn)?shù)據(jù)高效采集技術(shù)方案；最后，給出了布局圖多維繪制方法及使用接口。通過在種業(yè)企業(yè)應(yīng)用表明：系統(tǒng)具有定位快速、采集高效、統(tǒng)計準(zhǔn)確、操作便捷及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點，能夠提升育種材料田間布局統(tǒng)計工作的效率。

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Field Layout System of Breeding Material Based on RFID

Liu Zhongqiang1,2, Wang Kaiyi3, Zhao Xiangyu4, Li Minzan1

(1.Key Laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China;3.Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097, China;4. Beijing Engineering Research Center of Agricultural Internet of Things, Beijing 100097, China)

In order to improve the efficiency and accuracy of field layout acquisition, the paper studied the electronic identification technology of breeding materials, the efficient acquisition mode and the method of layout drawing quickly and accurately, which is based on RFID and handheld mobile terminal. Integrated the wireless network technology, the field layout system of breeding material based on the internet of things is designed. The system saves the paper record and manual input in the field, and avoids the errors produced by the two sorting, and realizes the fast and accurate positioning of breeding materials, the efficient collection of field layout data, and the multidimensional rendering of the field data. Through the practical application of the domestic large scale breeding enterprises and scientific research institutes, the system improves the efficiency and accuracy of the field layout collection, reduces the labor intensity of workers in breeding field, and promotes the development process of breeding mechanization and informatization.

breeding material; field layout; RFID; informatization

2016-01-04

北京市科技計劃項目(D151100004215002，D15110000421 5004)

劉忠強(qiáng)(1983-)，男，山東莒南人，博士研究生，(E-mail)liuzq@nercita.org.cn。

李民贊(1963-)，男，河北藁城人，教授，博士生導(dǎo)師,(E-mail)limz@cau.edu.cn。

S503.5；TP319

A

1003-188X(2017)02-0006-05