基于RFID的育種材料田間布局統計系統研究

劉忠強，王開義，趙向宇，李民贊

(1.中國農業大學 現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室，北京 100083；2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097；4.北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京 100097)

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基于RFID的育種材料田間布局統計系統研究

劉忠強1,2，王開義3，趙向宇4，李民贊1

(1.中國農業大學 現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室，北京 100083；2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097；4.北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京 100097)

針對大規模育種條件下海量育種材料田間布局統計手段落后、效率低和及時性差等問題，以改進育種材料田間標識和定位技術為切入點，研究基于RFID技術和手持移動終端的田間布局高效采集模式及布局圖快速、準確繪制方法，并集成應用WIFI、GPRS、3G/4G等無線網絡技術，構建基于物聯網的育種材料田間布局統計系統。系統節省了田間紙質記載和人工錄入的環節，避免了二次整理時產生的錯誤，實現了育種材料的快速準確定位、田間布局數據的高效采集、布局數據的無線實時傳輸和田間布局圖的精確繪制。在國內多家大型育種企業和科研院所應用表明：該系統能夠提高育種材料田間布局統計效率和精確度，降低育種從業人員的田間勞動強度，促進育種機械化、信息化的發展進程。

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據快速采集及育種裝備高效作業的重要依據。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，不可避免地將發生田間布局與最初的設計規劃不一致的情況，需要進行田間布局的再次統計。一旦發生田間材料標識牌因意外損壞或丟失等異常情況，育種家可以依據田間布局通過地塊和具體位置信息識別材料。

育種試驗規模化、操作機械化、數據信息化是我國種業發展的必然趨勢[1-2]。隨著小區播種機、植保無人機、小區收割機等育種裝備的廣泛應用，準確無誤的育種材料田間布局是育種機械田間行駛路線優化、精準定位和高效作業的重要依據，有利于充分發揮育種裝備的工作效率。

傳統的育種材料布局統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識牌上的材料唯一標識信息，同時將材料的田間位置信息一起記錄在紙質記載本上，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生的錯誤統計等諸多問題。特別是隨著我國商業化、規模化育種進程的加快推進，面對成千上萬的育種材料田間布局統計工作，快速、高效、準確的統計方法和手段儼然成為育種從業人員迫切的現實需求。

以射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)為代表的物聯網技術近幾年已廣泛應用于農業和種業領域，在農田試驗數據采集[3-5]、試驗環境數據采集[6-8]、農作物生長信息獲取、遠程農田監控、種子標識和庫存盤點[9-11]等方面發揮了重要作用。華中農業大學的高云[12]等提出的高通量下水稻育種網絡信息管理系統，將RFID技術用于溫室水稻盆栽自動化種植輸送設備，實現大量的水稻盆栽的實時標識，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)和無線通信等物聯網技術提出一種用于育種材料田間布局統計的系統和方法，通過育種材料的電子標識、田間布局數據的高效采集、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計工作的效率和準確度，降低田間育種的勞動強度。

1 系統架構

基于物聯網的育種材料田間布局統計系統，以改進育種材料田間標識和定位技術為切入點，探索基于RFID和手持移動終端的田間布局高效采集模式，充分發揮WIFI、GPRS、3G/4G等無線網絡的優勢，實現布局數據在移動端與服務器端的實時同步和自動解析，提升育種材料田間布局統計工作的效率和精確度。系統主要由育種材料電子標識、田間布局數據采集和田間布局圖繪制3個子系統部分組成，各子系統之間依賴性和聚合性較低，具有良好的可擴展性和應用性。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

材料電子標識子系統充分利用RFID技術讀取距離大及速度快的優勢，設計含有RFID芯片的育種材料電子標識牌代替傳統的塑料或竹制標識牌，并通過配套的標簽讀寫和條碼打印模塊，實現電子標識牌的快速制作和材料標識。

田間布局數據采集子系統以育種地塊為單位，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域所種植的育種材料的唯一標識信息；同時根據預設的采集規則采集列號、行號等布局數據，并通過有線或無線網絡上傳至后臺服務器。

田間布局圖繪制子系統解析上傳的育種材料的唯一標識、育種地塊的唯一標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，進而可以根據配置參數輸出不同粒度的報表，用于性狀數據采集和育種機械行走路線設計。

2 關鍵技術

2．1 育種材料電子標識技術

快速、準確地獲取育種材料的唯一標識信息是提高田間布局采集效率的關鍵因素，研究高效的育種材料田間標識技術和手段意義重大。傳統的材料標識牌由塑料或自制的竹板制成，將材料編號、小區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、標識信息量少，標識牌在田間受風吹雨淋暴曬等惡劣環境影響，容易導致標識牌上的文字模糊或丟失，進而產生錯記、漏記等現象的發生，造成嚴重的損失。

本文提出一種基于RFID技術的育種電子標識牌(“育種電子標簽”)，如圖2所示。該育種電子標簽含有RFID芯片，通過配套的RFID讀寫設備將試驗材料標識信息寫入到芯片中，具有識讀快速、標識信息量大、可重復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簽無線讀取，可實現對試驗材料和地點的快速、準確識別，減少操作失誤，提高田間試驗數據采集效率。

圖2 育種電子標識牌示意圖

為了配套育種電子標簽的使用，提出了基于C/S架構的電子標簽制作系統，包括電子標簽讀寫模塊和條碼打印模塊兩個主要部分。通過電子標簽讀寫模塊，可將大量育種材料信息連續快速地寫入對應標識牌的芯片中；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簽的表面，省略了人工手寫環節，大幅提高標識工作效率。育種電子標簽制作和條碼打印流程如圖3所示。

圖3 育種電子標簽制作流程圖

2．2 田間布局信息采集技術

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

圖4 田間布局數據采集技術方案

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域設置的田間材料電子標識牌，以獲取對應區域所種植的育種材料的唯一標識信息。

為了提高定位工作效率，將所有育種地塊進行統一編號，并制作地塊電子標識牌，在采集某個地塊的布局信息時，首先掃描地塊電子標識牌自動定位到當前地塊，減少人工選擇和錄入環節，提高自動化水平和采集效率。

2.2.2 布局數據采集

育種材料在田間以行列方式進行排列種植，每個地塊種植的列數、每列種植的行數及每行種植的株數因地塊面積、種子量、出苗率等原因而各不相同。布局數據采集時，為了準確記錄材料所處的行號和列號，在分析材料種植規律和布局數據類型的基礎上，定義采集規則如下：

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

2)采集每一列時，根據田間掃描育種電子標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)根據管理需求選擇性記錄育種材料在相應區域種植的行數及每行種植的株數。

系統定義布局數據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n、種植株數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，結果包含{正，反}兩類，設定第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n和種植株數z可為空。七元組數據樣例如表2所示，布局數據采集界面如圖5所示。

圖5 布局數據采集界面

本文提出的田間布局采集方法適用于各種不規則性狀的育種地塊，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行布局采集，以提高操作的靈活性和工作效率。

2.2.3 布局數據傳輸

以育種地塊為單位，通過WiFi、GPRS、3G/4G等無線網絡將采集的七元組布局數據自動上傳到后臺服務器。針對局部數據修改的實際需求，允許將一列或者多列布局數據分批上傳，相同列號的數據做覆蓋處理。系統節省了田間紙質記載和人工錄入的環節，避免了二次整理時產生的錯誤。

2.3 田間布局圖繪制技術

解析上傳的布局數據，驗證布局數據的完整性和合法性，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，方便與育種機械集成應用。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識信息、育種地塊唯一標識信息、所在列號、所在行號、列的方向、種植行數和行內的種植株數等信息，構建行列布局矩陣，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行數據采集和田間觀測。以試驗為單位，系統根據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 布局圖調整與輸出

據用戶需求配置參數，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行多個視角的翻轉，方便用戶多角度查看。同時，還可以輸出材料、小區、種植行等不同粒度的報表，提供多種形式的對外數據接口，提高材料布局圖使用的便捷性。本系統與育種田間機械集成，可實現操作結果與材料的自動關聯，滿足大規模育種條件下的流水線、高效率作業需求。

3 實施方式

為了更好地說明系統的技術方案和實施方式，本文創建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

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

制作S1和S2地塊的電子標識牌，寫入地塊唯一標識信息并插在地塊中。其中，S1地塊的小區數為150個(5列×30行)，可播種150個材料；S2地塊形狀不規則，小區數為115個(5列，小區數分別為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簽讀寫功能的手持終端設備(手機型號：三星Galaxy Note Ⅱ 7100)進行田間布局數據采集，采集的部分布局數據如表2所示。

表2 育種材料田間布局采集數據表(部分)

材料田間布局數據通過無線網絡傳輸到后臺服務器中，經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 結論

針對大規模育種材料田間布局高效統計的現實需求，提出了一種基于物聯網的育種材料田間布局統計系統。首先給出了系統整體架構，設計了一種快速標識的育種材料電子標識牌；接著分析了影響布局采集效率的關鍵因素，提出了手持移動終端和育種材料電子標識牌相結合的布局數據高效采集技術方案；最后，給出了布局圖多維繪制方法及使用接口。通過在種業企業應用表明：系統具有定位快速、采集高效、統計準確、操作便捷及擴展性強等特點，能夠提升育種材料田間布局統計工作的效率。

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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(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，博士生導師,(E-mail)limz@cau.edu.cn。

S503.5；TP319

A

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