基于Android的作物表型性状数据采集系统研究

赵巧丽，臧贺藏，李国强，王进磊，胡 峰,

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所/河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002；>2.河南省天下粮仓信息技术有限公司，河南 郑州 450002)

农业信息采集是国内当前研究的热点之一，有关农田环境信息[1-2]、土壤信息[3-4]及作物长势信息[5-7]等方面的研究较多，而涉及作物试验过程中性状参数[8]、病虫害[9]等信息采集的研究较少，且大多停留在人工操作阶段。因此，亟需借助现代化信息手段，提高数据采集效率。随着移动端技术的迅速发展，其被快速应用到物流、畜牧、农业等不同领域[10-11]。戴建国等[12]设计开发了基于智能手机的棉花苗情调查与决策支持系统，可快速获取文字和图片2种形式的棉田苗情信息。张石锐等[13]利用无线网络通讯实现手持灌溉控制终端与自动灌溉系统中灌溉控制器之间的信息交互，提高了自动灌溉控制系统应用效率。关于性状参数数据获取，国内外已有一些研究，国外有表型数据采集软件Phenobook、Fieldbook、Fieldlab等[14]，国内有农博士育种软件[15]、基于PDA的作物育种数据田间移动采集系统[8]等。这些知名软件主要针对作物育种过程研究开发，不能满足栽培、育种区试、生产试验以及品种比较试验等试验过程管理对信息化技术手段的需求。鉴于此，本研究在充分调研不同农作物、不同试验类型数据采集过程的基础上，结合射频识别技术和无线通讯技术，设计开发了通用型作物表型性状数据采集系统移动端APP。

1 作物表型性状管理系统概述

基于Android的作物表型性状数据采集系统(以下简称移动端APP)是作物表型性状管理系统的一个子系统。作物表型性状管理系统为实现试验全过程信息化开发，由软件和硬件两部分组成。软件包括作物表型性状管理系统(Web端)和移动端APP，硬件包括移动端和条码打印机。作物表型性状管理系统对试验全过程进行管理，在Web端对试验内容进行设计并分发到服务器，接收移动端上传到服务器的性状采集数据，对数据进行管理。移动端接收任务，执行数据采集并上传数据(图1)。

图1 作物表型性状管理系统架构Fig.1 The architecture of crop phenotypic

2 作物表型性状管理系统介绍

2.1 作物表型性状管理系统总体结构设计

作物表型性状管理系统采用MVC 5+Entity-Frame work 6架构，以Visual Studio 2017为开发平台，采用C#语言、jQuery脚本及Html标签语言开发。Web服务器使用稳定可靠的IIS7.5服务器。移动端APP以Android Studio为开发平台，采用JSON数据格式，通过Android技术实现Web api与服务器之间的通信。移动端APP基于C/S结构开发，负责接收试验任务、执行数据采集和上传数据到管理平台(B/S结构)，其他用户通过浏览器对系统进行操作和访问，对上传的采集的性状数据进行管理和分析。

作物表型性状管理系统包括系统管理、试验设计、数据分析和报表生成4个部分，系统总体结构如图2所示。作物表型性状管理系统主要负责基础信息管理、试验任务设计和分发、采集数据的分析统计和报表生成。移动端APP接收作物表型性状管理系统分发的试验任务，采集结束后上传数据。

图2 作物表型性状管理系统总体设计Fig.2 The integrated design of crop phenotypic traits management system

2.2 作物表型性状管理系统权限设计

系统用户采用3级权限管理，其相应角色分别为项目总负责人，试验站负责人和试验采集员(表1)。项目总负责人在添加用户的同时分配角色，其分配的角色包括试验站负责人和试验采集员。不同权限的用户拥有唯一的账户和密码，管理系统根据账号和密码识别用户权限，提供相应的系统功能。试验采集员角色在移动端可多人同时登录，数据独立上传。同一个试验站可以接受多项试验任务。

3 移动端APP的功能实现

3.1 移动端APP功能

根据农作物试验特点和需求，移动端APP需具备以下功能：(1)充分考虑多种数据采集方式，使用灵活，操作方便；(2)支持图片采集；(3)支持离线采集；(4)移动端响应速度快，数据实时保存。在需求分析基础上，移动端APP提供了模板选择、扫码定位、手动录入、数据录入、数据上传和指标字典共6个功能模块(图3)。

表1 作物表型性状管理系统用户权限Tab.1 User permission of crop phenotypic traits management system

图3 移动端APP功能结构Fig.3 Functional architecture of mobile terminal APP

3.1.1 模板选择 移动端APP提供试验全生育期需要采集的所有性状指标，在模板选择中，隐藏当天不需要录入的指标，制成模板。模板上的性状指标可根据需要设定采集次数。模板制定完成后，模板上的性状指标可根据数据采集习惯调整顺序，可同时制定多个模板。模板可删除，不可修改。

3.1.2 扫码定位 试验小区若采用条码标识，可通过扫码获取小区编号，按照模板性状指标进行数据录入。

3.1.3 手动录入 用户可以任意设置小区编号，按照当前使用模板录入数据。在数据录入过程中发现小区错误或者数据有误的情况下，可在手动录入模块中及时进行修改和保存。

3.1.4 数据录入 作物表型性状主要包括两大类：质量性状和数量性状。在数据录入模块中，质量性状提供所有选项，在录入时直接点选完成数据采集。设计了快捷录入界面，质量性状提供所有输入值选项，点选采集数据，提高录入效率，缩短录入时间。数量性状提供阈值提示，保证录入的准确性。小区编号自动给出，小区没有数据记录的，可跳转下一个小区，小区内某个性状无数据记录的，数据可为空。

3.1.5 数据上传 为保证数据采集的完整性，1个模板的性状数据在上传到服务器之前，数据录入停留在上次采集终止处，可继续录入，不能更换模板。如果数据上传完成，不论该模板性状指标是否全部采集结束，需重新选择模板。在数据上传确认之前，可以查看采集数据详情。确认无误后在线上传，上传完成后，保存在移动端的数据将自动删除。

3.1.6 指标字典 管理系统下达的试验任务中所包含的性状指标在指标字典中可以查询，性状指标按分类提供查询。

3.2 移动端APP开发环境

开发语言为Java，适用Android 4.0以上。数据库为Android自带的SQLite数据库。移动端存储空间有限，在数据上传执行后，保存在移动端的数据自动删除。

4 移动端APP的应用与效果

4.1 移动端APP应用

以玉米为例介绍移动端APP的实际应用情况。试验采集员首次登录需网络在线，以便接收作物表型性状管理系统下达的试验任务。在田间采集时可离线登录。登陆后，作物表型性状管理系统显示试验站所承担的试验项目，选择当前需采集数据的试验。以品种筛选试验为例，双击品种筛选试验图标(图4-1)，进入功能界面。数据采集开始前，先制定模板，性状采集指标分为主要性状、物候期、抗逆性记载、病虫害调查、产量性状、田间采集性状六大类。选择物候期中的散粉期(图4-2)，确定输入模板名称“散粉调查”，该系统可同时制定多个模板，需点击某一模板，确认使用该模板，该模板才生效(图4-3)。主要性状中的株高和穗位，采集次数设定为5(图4-4)。数据录入按照模板进行(图4-5)，小区没有数据或者某一指标没有数据的，此处可为空。本案例中，数据录入小区编号为3时，没有数据，因此，直接进入下一小区。在数据上传模块中(图4-6)，查看数据详情，可看到区号3中数据为空(图4-7)。如果小区3需要采集数据，可输入小区编号3后手动录入(图4-8)。数据采集结束后，再次在数据上传中查看数据详情(图4-9)，3号小区数据已补充完整。数据上传至服务器需要网络支持。

4.2 移动端APP应用效果

已将移动端APP在科研院所、高等院校进行了推广应用。针对不同农作物、不同试验类型数据采集过程进行了测试和应用，并修改和完善了该系统的功能。移动端APP在数据录入结束后，直接保存为数据表，省去了传统手工记载二次录入过程，省时省力，提高数据采集效率70%以上。移动端APP作为执行数据采集的载体，须接收具体作物的试验任务。以玉米试验为例，在智能手机应用宝上发布玉米表型APP，提供开放下载。

5 结论与讨论

以往的研究中，同类系统主要针对育种试验过程开发，本研究在充分调研不同农作物、不同试验类型数据采集过程的需求基础上，采用C/S架构开发了适用于不同农作物、不同类型农业试验的通用型作物表型性状数据采集系统移动端APP。该APP主要功能是接收任务和执行性状数据采集。系统功能设计灵活，支持多种采集方式，录入迅捷，支持离线采集，数据实时保存，使用范围限制小。该APP在接收任务时，试验任务需要采集性状指标的数据格式以及数据单位已经确定，避免不同试验点采集数据格式不统一，便于不同试验点数据的统计汇总。APP制定的采集模板可以共享，允许多人同时采集同一试验数据，保证采集指标的一致性。系统对质量性状提供点选录入，提高了数据录入效率。

农博士育种移动采集系统1次只能接收1个采集任务，且主要针对育种过程开发。本研究移动端APP执行任务范围只与试验任务的性状指标有关，与试验性质无关，应用范围更广，可同时接收多个试验任务，更符合生产实际。与国外的Phenobook相比[14]，该APP在接收任务时，需要采集性状的数据单位已经确定，采集性状指标的录入顺序在制作模板时可以调整，数据录入时按照模板上性状指标顺序提供输入框，不需要重复选择。

系统经过多次修改和完善，还有待改进之处，后续将增加图片管理模块，提供图片录入和搜索功能；增加田间布局模块，按田间布局绑定电子标签或打印纸质标签，用于试验材料标识；增加模板修改功能，并进一步提高模板制作的灵活性。此外，随着高通量采集技术的发展应用，将进一步研究高通量采集技术、图像识别技术等在性状采集上的应用，减少移动端采集任务量，更大程度提高数据采集效率。

图4 移动端APP采集界面Fig.4 Data acquisition operation interface of mobile terminal APP