基于物聯網的黃瓜輔助育種系統設計與實現

尹川++李鳳菊++閆嵩++徐義鑫

摘 要：本研究主要應用物聯網技術輔助黃瓜育種，系統以J2EE為應用開發的技術架構，采用java語言進行系統開發、以Mysql作為數據庫的開發工具。系統實現了育種數據的導入、保存、編輯、查詢檢索等數據管理功能以及黃瓜育種專家對工作中經常用的數據處理與統計分析功能；并通過無線傳感器節點實現了環境數據的實時上傳，借助環境數據來輔助育種專家做出品種選擇的決策。

關鍵詞：物聯網；黃瓜；輔助；育種系統

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

種業是農業發展的基礎產業，是保證農業長期穩定發展、保障國家糧食安全的根本[1-3]。我國在育種數據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公司）都已基本實現了科學化的科研信息化管理體系，育種材料的系譜、多年的試驗數據等都能清晰地獲取與保存，這些都要與其良好的數據采集體系以及數據管理分析體系密切關聯[4-5]。商業化育種、科學化標準化的管理是世界種業發展的必然趨勢，信息化是科學化現代化科學研究的根基[6-7]。資源和數據管理在科研管理方面應用的重要性也在21世紀初體現出來，近幾年國內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信息管理系統[8-9]。越早開始信息化管理，越早實現育種經驗的數字化積累，才能為未來的育種科研發展打下越扎實的基礎[10-12]。

隨著信息技術的迅猛發展，傳感器、移動互聯等物聯網技術[4]在現代農業中的應用逐步拓寬，通過使用無線傳感器網絡可以減少人為對農田環境的影響，準確的獲取環境和作物信息，降低人工管理成本并提高設施種植的精確性，從而提高產量、提高作物品質，促進了現代農業發展方式的轉變[13-15]。

1 系統設計目標與功能設計

1.1 系統設計目標

本系統主要采用物聯網技術輔助傳統黃瓜育種，從解決黃瓜育種中的實際問題出發，緊密結合育種專家的要求，研制出適于黃瓜育種信息管理的計算機軟件，并實現環境數據信息與黃瓜育種數據信息的科學管理和分析應用，提升黃瓜育種的科學水平和效率。

1.2 系統技術路線

本系統主要由無線傳感器節點和育種專家數據處理分析兩部分組成。其中，無線傳感器節點由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。可以實現對設施溫室內土壤溫濕度、溫室小環境空氣溫濕度、光照等多個物理參數的獲取，并通過Zigbee無線通信單元將信息發送出去，節點具有多路模擬量、數字量擴展通道接口，可根據實際需求進行連接。育種專家數據處理分析系統采用B / S 框架，系統框架分為3層，依次為數據庫層、應用服務層以及表示層。服務器數據庫層主要是對傳感器采集的環境數據、用戶管理信息、育種專家業務數據等進行歸檔，提供快速查詢的底層接口。應用服務層是傳感器數據、專家數據與數據庫之間的邏輯層。表示層主要是實現多樣化的育種專家數據的輸入、查詢顯示等，為業務邏輯的正確執行提供適當的環境，協調專家數據與環境數據采集的各項任務執行。如圖1所示。

1.3 開發環境

本系統開發運用Microsoft Windows 7服務器操作系統；Web服務器為Tomcat8；采用Mysql5.0數據庫管理系統，Mysql是一個開源的數據庫平臺，目前被廣泛地應用在Internet上的中小型網站中。

1.4 系統功能設計

本系統主要實現兩大功能，一是實現環境數據的實時采集，二是實現黃瓜育種專家數據的處理分析，從而為育種專家決策服務，主要功能如圖2。環境數據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；育種數據管理分析功能主要是育種專家對所采集的田間數據（整個生育期的龍頭情況、長勢、產量以及瓜條商品性）進行處理分析，可分不同時間、不同采集項進行相關的查詢、計算，并可以進行圖表展示。

2 系統實現

2.1 用戶登錄

由于育種數據的保密性，普通用戶和數據操作用戶均由管理員創建，填寫“用戶名”、“密碼”和“驗證碼”進入系統，其中普通用戶只提供信息瀏覽功能，數據操作用戶提供系統的實際操作功能。系統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 育種數據匯總分析

育種專家數據通過系統導入到數據庫中，可根據生育期以及專家數據的各類指標（“產量”、“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”可以對查詢數據進行作圖分析（圖4）。

2.3 品種推薦分析

依據生育期查詢計算育種數據，可以按照“產量推薦”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 環境數據管理

設計選用2.4GHz Zigbee短距離無線傳輸技術，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雜的網絡結構的特點，與433 MHz頻段相比具有更高的傳輸速率和更好的穩定性，使得2.4G Zigbee短距離無線傳輸技術非常適合在設施農業環境下使用。空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器通過服務器數據上傳到系統里，按照時間進行查詢和導出，主要內容如下圖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 權限分配 管理員可以為用戶設定不同的權限，添加對應的操作功能，根據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限也不同。

2.6 退出系統

在系統界面的左側樹形結構中有退出系統的標題節點，點擊“退出”就能直接退出系統，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 結束語

本系統的最大特點在于將物聯網技術與黃瓜育種專家數據管理與統計分析集為一體，界面直觀、操作簡單。環境數據的實時采集為育種專家進行品種篩選提供了依據，以及依據專家數據通過產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、易理解的育種信息處理系統。當然本系統還有很多需要改進完善的地方，系統的功能設計也將越來越完善。本系統初步探討了物聯網技術服務于科研與生產進而推進黃瓜育種工作的發展，隨著物聯網技術發展的不斷深入，為科研服務的范圍與前景也必將更加廣闊。

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