農作物品種區域試驗物聯網系統組成及關鍵技術應用

張梅 孫近友

摘要 為滿足選育農作物新品種對區域試驗的新需求，徐州農業科學研究所等6家單位建成了農業部2016年現代種業提升工程“江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站物聯網系統”，實現了品種試驗管理自動化、信息數據采集標準化和品種評價規范化，解決了人手少、工作量大和試驗過程監管難的問題，為國家、省級農作物品種區試審定和品種推廣、跟蹤評價等工作提供強有力的支撐，促進了業務協同與資源共享，提高了新品種試驗示范的效率、質量、承載能力和服務能力。本文主要介紹了該系統的組成及關鍵技術研發與應用，并提出相應發展建議。

關鍵詞 農作物品種；區域試驗；物聯網系統；組成；應用；建議

中圖分類號 G323.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0282-05

“糧安天下，種鑄基石”。我國是農業生產大國和用種大國，農作物種業是國家戰略性、基礎性核心產業，是促進農業長期穩定發展、保障國家糧食安全的根本。黨中央、國務院一直高度重視我國現代農作物種業發展，已連續出臺3個加快推進現代農作物種業發展的文件，為現代農作物種業發展繪就了藍圖。

“好兒要好娘，好種打好糧”，農作物品種是農作物種業發展的核心競爭力，是農業增產增效的內因和最大貢獻要素。農作物新品種區試是選育、推廣新品種的必經環節，區試結果為農作物新品種審定提供重要的科學依據。2015年新修訂的《種子法》保留了主要農作物品種審定制度，規定“主要農作物品種在推廣應用前應當通過國家級或省級審定”，農作物品種試驗是鑒定農作物新品種豐產性、穩產性、適應性、抗性、品質及其利用價值的重要手段，是品種審定和品種區域布局的依據，是優良品種進入農業生產的紐帶和橋梁。加強國家級區試站基礎設施建設、改善區試條件是提高區試工作質量、保證區試的數據準確可靠性、確保農作物新品種安全推廣的根本前提。同時，也有利于引領科技創新和科研育種的正確方向，對因地制宜地推廣優良品種、確保農業生產用種安全、提高農作物產量和品質、促進農業增產增收、滿足市場多樣化需求等方面具有重要作用和現實意義[1-3]。

20世紀50年代初期，國家和各省相繼開展了各種農作物品種試驗審定工作，經過逾60年的實踐和發展，建成了一整套比較完善的國家和省2級品種試驗審（鑒）定和推廣體系。一是建立了比較完備的法規標準體系；二是建立了比較科學的技術評價體系；三是建立了比較完善的組織管理體系；四是建立了比較穩定的試驗網絡體系；五是建立了國家財政支持保障體系；六是建立了多樣化的非審定作物品種測評體系；七是建立了各具特色的新品種展示示范推廣體系。2016年國家農作物品種區試點逾2 000個，省級區試點近4 000個，全國從事品種試驗的人員超1萬人，農作物品種試驗網覆蓋了全國各主要生態區。國家一直非常重視農作物品種試驗基礎條件建設，自“九五”種子工程開始投資建設國家級農作物品種區域試驗站，截至2015年，共投資建設品種區域試驗站和抗性鑒定站逾400個，國家區域試驗站的建設大大改善了部分試驗點的試驗條件，提高了試驗能力和試驗效率。2016年農業部實施現代種業提升工程。自2011年國務院出臺《關于加快推進現代農作物種業發展的意見》（國發〔2011〕8號）以來，通過實施新一輪種子工程，農作物種業基礎設施投入繼續加大，育種創新、品種測試試驗和種子檢驗檢測等基礎設施建設逐步完善。實踐證明，農作物品種試驗審定作為種業體系的重要環節，為有效解決生產品種短缺、保障農業生產品種需求發揮了重要作用，取得了令人矚目的成效，良種對農業增產的科技貢獻率達43%以上[4-6]。

新形勢下，隨著信息技術、裝備技術和現代農業技術的發展，農業生產方式發生了翻天覆地的變化，農業信息化和機械化已經成為現代農業發展的趨勢和動力。黨的十八大提出“促進工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展”的戰略部署，指出要充分利用現代技術改造傳統農業，提升農業現代化水平，充分體現了黨和國家對以信息化支撐工業化、城鎮化和農業現代化發展的高瞻遠矚。“四化同步”的發展戰略為全國上下加快推進農業信息化指明了方向，明確了目標和任務。品種試驗審定工作取得了顯著成績，通過多年的項目建設，品種試驗基礎條件得到了較大改善。但是，品種試驗審定作為農業生產的前端工作和種業體系的重要環節，仍跟不上時代發展的變化，基礎設施條件非常落后，試驗操作、調查記載等仍多數依靠純手工操作，不僅工作效率低，而且很容易產生數據誤差。在信息化建設方面更加滯后，主要表現為信息數據采集和傳輸方式方法落后、主要通過電子郵件或紙質文檔在試驗全部結束后上報、處理分析功能欠缺、自動化與智能化水平低、匯總評價不規范、網絡延伸不足、信息發布不及時、信息資源共享程度低等，這些都極大地制約了品種試驗審定的公開、公正、透明、高效。通過國家層面進行頂層設計，以信息技術為引領，以現代物質裝備技術為武裝，建設全國統一的農作物品種試驗信息與運行管理系統，提升全國農作物品種試驗水平已迫在眉睫。

為了更好地滿足通過農作物品種區域試驗管理實現規范化、科學化、自動化、高效化的需求，江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所在實施農業部2016年現代種業提升工程“江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站建設項目”期間，重點建成了由國家農業信息化工程技術研究中心研發的農作物品種區域試驗物聯網系統。該系統包括國家農作物品種區試站信息管理系統、低功耗太陽能氣象信息采集站、土壤墑情快速獲取監測站、遠程作物生長狀況監測站，通過竣工驗收、試運行的結果來看，強化了國家品種區域試驗中參試材料、試驗規劃、性狀采集、數據分析、農事操作及環境數據的信息化管理；達到了電子標簽（RFID）和二維碼等物聯網技術與環境監測站、物聯網監測系統、測產測水等設備的集成應用，實現了國家、省級區域試驗的技術流程管理與數據采集分析的信息化。

1 農作物品種區域試驗物聯網系統組成

1.1 國家農作物品種區試站信息管理系統

國家農作物品種區試站信息管理系統的主體部分是服務端的綜合管理平臺，平臺基于B/S架構，用戶使用目前主流的瀏覽器即可進行業務相關操作，無需額外進行本地安裝。平臺遵循JAVA EE標準體系開發，使用Spring MVC作為技術框架，采用SOA的設計理念，選擇Apache Tomcat作為中間件，后臺數據存儲管理系統則使用企業級的Oracle數據庫。包括參試材料管理、試驗規劃管理、性狀采集管理、農事操作管理、環境數據管理、試驗數據分析、基礎數據管理、系統管理等功能。另外還包含基于Android的移動APP、用于制定和打印電子標簽（RFID）與二維碼標簽的試驗材料打標2個子系統。涉及區試管理者、決策者、試驗管理人員、田間操作員、數據采集員、標簽制作人員等角色。系統結構如圖1所示，系統功能示意圖見圖2。

1.1.1 農事操作管理。農事操作管理實現區域試驗中農事操作的信息化管理，主要提供農事操作數據的錄入、導入和查詢等功能。具體包括農事操作錄入、農事操作查詢、農事操作類型管理等模塊。

1.1.2 環境數據管理。環境數據管理實現區域試驗中環境數據的信息化管理，主要提供氣象及土壤2類環境數據的錄入、導入和查詢等功能。具體包括環境氣象數據錄入、氣象數據查詢、土壤數據錄入、土壤數據查詢、數據接口等模塊。

1.1.3 參試材料管理。參試材料管理即對承試點的參試材料進行規范化管理，是承擔國家或省級農作物品種區域試驗管理工作的基礎，主要提供材料信息的添加、導入、編輯、查詢、分組、導出等功能。

1.1.4 試驗規劃管理。試驗規劃管理實現承試點進行區域試驗的規劃和執行工作，主要提供試驗信息的添加、導入、編輯、查詢、分組、導出以及試驗規劃和試驗數據管理等功能。其中試驗規劃支持單因素隨機區組、間比法等多種試驗設計方法以及試驗設計規劃的排布。具體包括試驗信息錄入、試驗查詢、試驗規劃、試驗信息導出、試驗分組管理等模塊。

1.1.5 試驗數據分析。試驗數據分析針對區域試驗的不同階段提供多種數據分析支持，并形成分析結果報告。具體包括比較分析、方差分析、多點分析等模塊。

1.1.6 基礎數據管理。基礎數據管理是江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站物聯網系統的支撐部分，主要提供作物、性狀、性狀組、試驗地點、編號規則的管理功能。具體包括作物管理、性狀管理、性狀單位管理、性狀組管理、試驗地點管理、編號規則管理等模塊。

1.1.7 系統管理。系統管理屬于江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站物聯網系統的重要建設內容，主要實現數據安全及權限控制的管理工作需求。具體包括用戶管理、權限管理和用戶組管理。

1.1.8 性狀采集管理。性狀采集管理實現對區域試驗數據的采集工作，主要提供性狀數據的采集、查看、處理以及圖片管理和其他設備/系統接口等功能。其中性狀數據采集支持PDA采集、田間記錄本導入、頁面錄入等多種形式。具體包括性狀數據采集、數據查看、數據處理、圖片管理、系統接口等模塊。

1.1.9 性狀采集APP。性狀采集APP實現標準化及便捷性的性狀采集，該APP采用目前市場主流的Android智能移動操作系統進行開發，可運行在主流個人PDA及智能手機設備上，主要提供性狀采集和數據上傳等功能。

1.1.10 試驗材料打標系統。試驗材料打標系統為江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所進行區域試驗提供參試材料和試驗管理需要的電子標簽（RFID）和二維碼標簽的制定和打印功能。

1.2 低功耗太陽能氣象信息采集站

整個采集系統采用遠程數據傳輸，沒有地域距離限制，支持控制中心同時接收、查詢多級多站點數據；實現大區域范圍內聯網、數據共享，實現系統內實驗站點垂直樹形管理。整個系統采用太陽能供電及無線通訊方式，完全擺脫布線造成的繁瑣和高風險困境，為采集監測系統持續性監測提供了可靠的保證。軟件平臺定制化，針對性強，靈活性好，具備數據接收、管理、分析、預警服務等功能，提供遠程控制特性化功能。系統監測項目可任意增減，擴展空間無限，傳感器種類和數量上沒有限制。可根據用戶需求在項目不同階段、不同時期擴增，所有傳感器監測采用間隔性供電設計，以達到超低功耗輸出，保證系統長時間穩定運轉。

田間環境信息采集設備包括氣象站主機及田間配置的傳感器，配置空氣溫度、濕度、風速、風向、氣壓、雨量、土壤濕度、土壤溫度等環境信息傳感器，各實驗站的氣象站主機及傳感器獲取的環境信息通過網絡可傳輸至綜合實驗室的服務器，由田間環境信息管理軟件系統進行分析，為病蟲害程度監測預報及土壤墑情監測提供數據支持，從而形成一套針對性強、管理清晰、控制便捷、功能強大的獨特生態監測控制系統（圖3）。

1.3 土壤墑情快速獲取監測站

土壤墑情快速獲取監測站能夠實現對土壤墑情（包括土壤溫度、土壤含水量、土壤電導率）的長時間連續監測。用戶可以根據監測需要，靈活布置土壤溫度和土壤水分傳感器；也可將傳感器布置在不同的深度，測量剖面土壤水分情況。系統采用無線網絡信號采集傳輸模式，傳感器沒有數量限制，監測點之間沒有距離限制（圖4）。

土壤墑情監測系統能夠全面、科學、真實地反映被監測區的土壤變化，可及時、準確地提供各監測點的土壤墑情狀況，為減災抗旱提供了重要的基礎信息。

1.4 遠程作物生長狀況監測站

遠程作物生長狀況監測站具有視頻監控、語音交互、無線覆蓋等功能，主要用于獲取實驗基地的晝夜圖像信息以及遠程查看基地作物生長情況。通過語音交互系統遠程指導田間操作，提高信息反饋效率。通過遠程無線網橋和路由器實現基地的無線覆蓋，可為田間采集終端和儀器設備提供無線網絡支持，實現田間手持終端采集數據的實時上傳。各實驗站的田間視頻語音監控設備采集的視頻圖像等信息通過網絡傳輸至綜合實驗室的服務器，由遠程作物生長狀況監測軟件系統對圖像信息進行分析，獲取作物長勢、病蟲害程度等性狀參數（圖5）。

2 關鍵技術研發與應用

目前，農作物品種區域試驗物聯網系統已先后在湖南省長江中下游環洞庭湖流域農作物品種綜合區試站、江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站使用，應用效果顯著，對其他省開展國家區試站信息化建設工作起到了引領和帶動作用。其中，江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站管理系統涉及水稻、玉米、大豆、棉花、小麥、花生、甘薯等7種作物，覆蓋國家玉米區域試驗、國家棉花區域試驗、國家黃淮海大豆區域試驗、國家花生區域試驗、國家黃淮海粳稻組區域試驗、江蘇省早熟中粳區域試驗、江蘇省夏玉米區域試驗、黃淮海花生區域試驗、甘薯國家和省級區域試驗等9類17項區試。

江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站自2016年11月5日啟動建設，2017年6月1日由國家農業信息化工程技術研究中心開始建設物聯網系統，于6月28—29日在徐州農業科學研究所進行集中培訓，江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所主站（簡稱徐州農科所）、宿遷中江種業有限公司分站（簡稱宿遷中江）、江蘇保豐集團公司分站（簡稱江蘇保豐）、佳禾農業科技有限公司分站（簡稱佳禾農業）、豐縣農業技術推廣中心分站（簡稱豐縣農技）、東海縣平明鎮農業技術推廣服務站分站（簡稱東海平明）等6家區域試驗站為承建單位。6月30日至7月5日在各站點首先根據區試經典流程展開設備安裝及操作技術培訓，然后進行一對一指導，最后進行打標制卡等實操訓練，之后線上以國家黃淮海夏玉米區試試驗為例進行了PC端和移動端的操作，通過共同努力，完成對區試一線試驗人員系統、全面的培訓以及田間操作的實際演練，取得了階段性成果。一是各站點試驗人員獨立掌握試驗材料Excel導入，使用系統試驗管理功能完成全部示范試驗規劃操作，并根據試驗規劃結果，熟練地完成打標制卡工作。二是在性狀數據采集方面，利用PDA進行移動性狀采集，通過掃描小區電子標簽實現試驗材料的快速準確定位，采用PDA進行性狀數據的移動采集，實現性狀數據采集手段的升級，避免了傳統記載本記錄易遺失、易污損、多次轉錄的缺點，記載數據可隨時查看，節省了大量翻閱記載本的時間，實現性狀數據的及時采集和實時上傳。三是在試驗照片實時采集方面，利用移動采集終端拍攝圖片與考察對象自動關聯，清晰、及時、準確的性狀圖片采集為品種的審定提供更可靠的數據支撐。

2.1 徐州農科所

徐州農科所承擔國家水稻黃淮海粳稻組試驗、江蘇省早熟中粳區試、國家棉花黃河流域常規組生產試驗、國家棉花黃河流域雜交組生產試驗、國家棉花黃河流域早熟組區域試驗、國家黃淮海夏大豆區試、國家花生區試和黃淮海花生區試以及優良品種評價篩選試驗、國家特用型甘薯品種改良崗位組、甘薯新品系多點鑒定試驗北方夏薯區組、甘薯新品系多點鑒定試驗長江中下游薯區組、江蘇省甘薯新品種鑒定試驗。以上12個試驗均已采用區試站管理系統進行管理，在完成前期試驗規劃、打標制卡等工作的同時，進入性狀數據采集階段。以下為各區試的性狀采集詳情。

2.1.1 國家水稻黃淮海粳稻組區試。在苗期性狀采集階段，需采集性狀包含播種期、移栽期、基本苗、秧齡，截至8月20日，采集播種期、移栽期、基本苗、株型、葉色、葉姿、長勢、分蘗率性狀共312條，完成率達100%（表1）。

2.1.2 江蘇省早熟中粳區試。江蘇省早熟中粳區試組在苗期性狀采集階段，需采集性狀包含播種期、移栽期、基本苗、秧齡，截至8月20已采集播種期、移栽期、基本苗、株型、葉色、葉姿、長勢、分蘗率性狀共104條，完成率達100%（表2）。

2.1.3 國家黃淮海夏大豆區試。國家黃淮海夏大豆區試組需采集性狀包括播種期、出苗期、花期、花色、葉形、花葉病毒、倒伏性，截至8月20日已采集播種期、出苗期、花期、花色、葉形、花葉病毒、倒伏性性狀共224條（表3）。

2.1.4 國家棉花黃河流域生試、區試。國家棉花黃河流域生試、區試需采集性狀包括開花期、開花長勢、開花整齊度，目前已采集開花期、開花長勢、開花整齊度性狀共39條，完成率達100%（表4）。

2.1.5 甘薯國家、省級區試。甘薯國家、省級區域試驗需采集的性狀有移栽期、株型、葉形、葉色、頂葉色，目前已采集移栽期、株型、葉形、葉色、頂葉色性狀共170條（表5）。

2.2 宿遷中江

中江種業承擔的國家黃淮海夏玉米試驗已進入系統，需采集播種期、出苗期、芽鞘色、粗縮病、抽雄期、吐絲期、褐斑病、南方銹病等性狀，截至8月20日已采播種期、出苗期、芽鞘色、粗縮病、抽雄期、吐絲期性狀共534條（表6）。

2.3 江蘇保豐

江蘇保豐集團公司承擔的國家黃淮海夏玉米試驗需采集播種期、出苗期、芽鞘色、粗縮病、抽雄期、吐絲期、褐斑病、南方銹病等性狀。截至8月20日已采集播種期、出苗期、芽鞘色、抽雄期、吐絲期性狀共445條（表7）。

2.4 佳禾農業

佳禾農業承擔的江蘇省早熟中粳試驗需采集性狀包括播種期、移栽期、基本苗、葉色、長勢，目前已采集播種期、移栽期、葉色、長勢等性狀共117條數據，完成率達100%（表8）。

2.5 豐縣農技

豐縣農業技術推廣中心承擔的江蘇省夏玉米區試試驗需采集性狀包括播種期、出苗期、芽鞘色、粗縮病、抽雄期、吐絲期、褐斑病、南方銹病，現已采集性狀共144條（表9）。

2.6 東海平明

東海縣平明鎮農業技術推廣服務站承擔的江蘇省中熟中粳區域試驗需采集性狀包括苗高、單莖基粗、葉齡、單株基粗、葉齡、單株次生根、紋枯病、長勢、白葉枯病、黑條矮縮病、條紋葉枯病，目前已采集苗高、單莖基粗、葉齡、單株基粗、葉齡、單株次生根、紋枯病、長勢、白葉枯病、黑條矮縮病、條紋葉枯病性狀共117條，完成率達100%（表10）。

3 結論與建議

3.1 結論

由江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所牽頭，江蘇保豐、宿遷中江、佳禾農業、豐縣農技、東海平明等參加的1+5模式實施農業部種子提升工程“江蘇省徐淮地區國家農作物品種區域試驗站物聯網系統建設項目”，應用國家農業信息化工程技術研究中心研發的農作物品種區域試驗物聯網系統，實現了品種試驗管理自動化、信息數據采集標準化和即時化、匯報制度化、傳輸網絡化、分析處理智能化、品種評價規范化；達到了國家級農作物品種區域綜合試驗技術規范、管理要求的指標；符合國家農作物品種區域試驗管理需要。有效地解決了試驗過程監管難的關鍵技術問題。

3.2 建議

為使系統更好地發揮作用，需要與國家區域試驗站單位從以下5個方面進行統一優化管理。一是改革管控機制。建立有效的試驗執行監管控制機制，督促試驗示范進展，保證數據上報的及時性。二是統一采集標準。收集整理各類試驗的性狀采集標準，規范性狀采集的準確性與及時性，同類試驗統一采集標準，以免造成錄入數據不一致的情況。三是規范關聯圖片。明確相關試驗需要關聯圖片的關鍵性狀，并規范照片拍攝的要求與要點。四是恪守區試規定。嚴格執行國家區域試驗的采集性狀和標準，根據本地的情況制定出性狀的采集時間表，作為檢查性狀數據采集及時行動的依據。五是設置專人管理。建議項目牽頭單位指定專人負責檢查各個試驗的執行情況，并對執行結果定期進行匯報與通報。

4 參考文獻

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