基于無線自組網的多終端作物信息協同采集系統研發

2025-09-02 00:00:00朱銀楊欣顏偉王寧孟珊狄佳春徐婷婷朱小品郭春濱

中國種業 2025年7期

隨著生物技術與大數據、人工智能等數字技術的深度融合發展，全球范圍內生物育種技術不斷取得重大突破，現代種業已進入“常規育種 + 現代生物技術育種 + 信息化育種”的4.0時代，育種規模不斷擴大，種質資源數字化進程加快推進，快速記錄和分析各種田間調查數據及實驗室考種數據成了育種家和種質資源工作者的迫切需求。然而，依靠傳統紙質材料記錄數據，存在攜帶不便、采集效率低、筆記潦草無法辨認、數據停留在紙上難以高效利用等諸多不足，已不能滿足現代科研育種的需求。隨著互聯網技術的高速發展和智能設備終端的快速更新，移動終端存儲能力、圖像處理能力越來越強，為各行各業迅速轉型升級提供了契機[1-4]。將智能移動終端應用于作物信息采集，取代傳統的紙筆記錄，對加快作物育種的數字化轉型、推進種業振興、打贏種業翻身仗具有重要的現實意義。

目前，國內外市場出現的一些農業數據采集軟件，依然存在數據傳輸成本高、紙質記載本模擬程度低、操作使用不方便、中文字符兼容性差等問題，無法滿足科研團隊多人實時協同工作、作物信息高效采集、操作簡單靈活、使用成本低的需求。受制于此，國內 90% 以上的科研育種團隊依然停留在傳統紙質記載本階段，數據記錄規范性差，后期錄入錯誤率高，數據采集和整理效率低，影響我國優異種源創新效率和育種進展。

本研究旨在基于無線自組網技術和多終端自適應技術[5-，運用跨平臺的Java語言，使用Androidstudio開發環境，采用輕量級數據庫SQLite，研發一個通用型的作物信息協同采集系統，實現團隊多人實時協同工作，多終端數據共同編輯、查看和分享，提高數據采集質量。

1 系統設計

1.1系統架構本系統基于無線自組網技術，實現多終端設備共同記錄作物性狀數據，系統架構包含數據層、接口層、服務層、應用層和訪問層（圖1）。數據層存儲系統運行產生的各類數據，如用戶信息、性狀信息、任務信息等，數據類型包括文本數據、圖片數據等；接口層定義和調用接口，如安卓API接口、藍牙API接口；服務層定義和處理各種業務邏輯，如數據導入、合并、計算等;應用層面向用戶提供具體功能，如用戶注冊、性狀管理、任務管理等；訪問層與用戶直接交互，用戶可以使用安卓平板電腦或智能手機訪問系統。

1.2系統功能本系統為一款通用型的作物信息協同采集系統，根據不同作物研究領域數據采集的實際需要，對系統的功能進行詳細設計，分性狀管理、任務管理、數據分享、數據導出4個主要功能模

塊（圖2）。

不同作物需要調查的性狀、數據類型和數據值不同[7-9]，如小麥的性狀“芒色”，數據值的范圍是白色、紅色、黑色；水稻的性狀“芒色”，數據值的范圍是白色、稈黃色、黃色、紅色、褐色、紫色、黑色，因此，在調查數據前需要在性狀管理模塊維護好性狀庫。作物的性狀分為基礎性狀和其他性狀，性狀管理模塊具備對這些性狀的性狀名稱、數據類型和數據取值進行自定義的功能，以滿足不同作物數據采集的需要。任務管理模塊具備任務創建、數據記錄、任務查詢功能，任務創建方式分批量導入、單條錄入兩種，數據記錄時同步顯示前1年和前2年的數據作參考。數據分享模塊具備數據分享、數據合并功能，滿足多人協同工作，多終端共同記錄數據的需要。數據導出模塊具備將記錄的數據和拍攝的照片導出成Excel表格和圖片文件，省去傳統紙筆記錄后人工錄人的過程，提高工作效率。

圖1系統架構圖

圖2系統功能

1.3數據模型作物信息協同采集系統的數據模型包含用戶、任務和性狀3個實體，其實體關系見圖3。用戶實體包含用戶ID、用戶名、密碼、單位名稱、問題提示等屬性，主要描述用戶的相關信息。任務實體包含任務ID、操作人、任務創建日期、完成進度、基礎性狀ID、基礎性狀數據、其他性狀ID、其他性狀數據、圖片、圖片描述等屬性，主要描述數據采集任務的相關信息。性狀實體包含性狀ID、性狀序號、性狀類型、性狀名稱、數據類型、選擇型數據內容、歸屬作物等屬性，主要描述各類作物的性狀信息。

圖3實體聯系模型圖

2 系統功能模塊

2.1性狀管理模塊作物的性狀分基礎性狀和其他性狀兩類（圖4a）。基礎性狀為不同作物具有的相同的性狀，如正季號、上年區號、品種名稱、樣本編號、來源地、行數等。其他性狀為不同作物所特有的性狀，其作物名稱、數據類型和數據值范圍不同，如小麥的特有性狀有穗蠟質、濕面筋含量、赤霉病抗性等，水稻的特有性狀有穗抽出度、直鏈淀粉含量、苗瘟抗性等。

性狀管理包括性狀添加、修改和刪除。性狀添加時，對性狀名稱、數據類型、選擇型數據的數據值以及歸屬作物等進行自定義（圖4b）。性狀數據類型包括文本型數據、數值型數據、時間型數據和選擇型數據。其中，選擇型數據需提前定義好可選擇的具體數據選項，記錄數據時采用直接點選的方式進行，無需文本錄入，節省時間。

2.2任務管理模塊任務管理模塊具有任務創建、編輯、查看、刪除等功能，記錄數據前需要創建性狀調查任務。任務創建支持模板直接創建、批量導入創建兩種方式。通過模板直接創建調查任務，適用于調查品種較少時的應用場景，逐條輸入每個品種的基本信息，包括正季號、上年區號、品種名稱、行數等（圖5a）。調查品種較多時，逐條輸人品種信息比較繁瑣，可以在電腦上預先創建好Excel格式的任務表格，批量導入到軟件系統中（圖5b）。兩種方式創建的任務，后期都可以根據需要隨時添加新的需要調查的品種。

任務創建完成后，可以利用任務編輯功能，記錄作物的田間性狀觀測數據或實驗室考種數據。開始記錄數據前，可以選擇本次需要調查的性狀，其他未被選擇的性狀及其數據被暫時隱藏。記錄數據時只顯示本次需要調查記錄的性狀列，界面更加清爽、直觀，無需左右來回滾動滑塊尋找性狀列，提高數據記錄的速度。任務編輯功能支持臨時增加或刪除性狀，刪除性狀會將該性狀列連同數據一并刪除。

a：性狀庫b：性狀添加

圖4性狀管理的界面

為了使系統操作更加簡單便捷，盡量減少人工輸入，時間型數據和選擇型數據均通過點選方式記錄數據，只有文本型數據和數值型數據需要手動輸入（圖6）。數值型數據不限制數據的個數，且自動求出平均值。在記錄數據時，可以隨時看到前2年的數據，作為本次數據記錄的參考。除了數據采集外，系統也提供圖片采集，在記錄任何性狀數據時，可以隨時點擊圖片小圖標拍攝照片，方便以后進行比對分析。圖片拍攝時可以備注信息，圖片文件自動命名為正季號_性狀名稱_隨機號 .jpg。

2.3數據分享模塊通常調查任務都比較繁重，需要多人分工共同完成。為了滿足多人協同工作的場景，本軟件支持數據分享，包括整個任務分享和按記錄分享兩種方式。整個任務分享即將一個采集終端上的整個任務表格傳輸到其他采集終端上，該功能一般在任務分工時使用（圖7a）。按記錄分享方式即在一個采集終端上選擇相應的數據行，發送到另一個采集終端上，使兩個采集終端上的數據合并（圖7b）。

圖5任務創建的界面

圖6記錄數據的界面

a：時間型數據錄入；b：數值型數據錄入;c：選擇型數據錄入；d：數據錄入的結果

照片文件一般較大，當照片過多時，會影響網絡傳輸速度。該軟件在數據分享時，支持帶圖片分享和不帶圖片分享（圖8）。帶圖片分享，需要將分享圖片前的文本框選中，將數據和照片一并傳輸到另一個移動終端，適用于照片較少的場景。不帶圖片分享，需要確保分享圖片前的文本框保持未選擇狀態，在數據分享時，僅傳輸數據，不傳輸照片，可以直接將照片傳輸到電腦上進行整理，值型數據的原始記錄值導出到Excel表格，以便后期數據統計分析時查看異常數據。

a：整個任務分享;b：按記錄分享

圖8是否分享照片的選擇界面

2.4數據導出模塊相比電腦而言，采集終端一般性能較低，無法勝任復雜的統計分析，仍然需要在電腦上進行相關操作，這就需要將采集的數據導出。數據導出模塊支持將記錄的數據導出成Excel表格形式，分計算導出和原始導出兩種方式（圖9）。計算導出方式即將數值型數據的平均值導出到Excel表格，省去后期求平均值的工作。原始導出即將數

圖7任務分享的界面

圖9數據導出的界面

3 系統實現

3.1業務流程作物田間性狀觀測是作物育種和種質資源繁殖過程中一項非常重要的工作，主要包括觀測實驗設計、田間記載本制作、觀測數據記錄、數據匯總、數據錄人等環節（圖10）。觀測實驗設計主要對待觀測的樣本材料、種植行數、需調查的性狀等進行設計。田間記載本制作是根據前期的實驗設計，將本次實驗需要觀測記錄數據的表格打印，制作成紙質記載本，方便到田間記錄數據。田間記載本內容一般包含品種名稱、種植行數、需要調查的性狀名稱等信息。觀測數據記錄即按實驗要求和國家種質資源描述規范與數據標準，對樣本材料進行科學觀測，并將觀測的數據記錄在田間記載本上。作物生長過程中大多數性狀觀測都有特定的時間限制，個別性狀甚至只持續幾個小時。當樣本材料比較多或者需要調查的性狀比較多時，一個人往往無法快速完成，需要多人分工觀測記錄，才能保障本年度的性狀觀測工作順利開展。數據匯總與錄入即將團隊多人分工記錄的數據進行合并歸檔，并錄入電腦，進行統計分析。

本研究按照作物田間性狀觀測工作的具體業務設計開發作物信息采集系統軟件，通過性狀創建、任務創建、數據采集、數據分享合并、數據導出等功能，實現作物田間性狀觀測多人分工協作、數據無紙化記錄（圖11）；系統界面設計上，立足用戶友好的原則，采用傳統紙質田間記載本表格的呈現形式，盡量通過點選的方式記錄數據，減少手動輸人，在保持原有數據記錄習慣的同時，操作更加簡單便捷。

圖10作物田間性狀觀測傳統業務流程

圖11作物信息采集系統采集田間性狀業務流程

3.2 關鍵技術

3.2.1無線自組網技術針對團隊多人協同工作的場景，本研究開發的作物信息采集系統采用低功耗藍牙組網技術，在田間或實驗室快速構建無線數據傳輸網絡，實現多個移動采集終端間的低成本、低功耗、高速數據通信。其步驟包括查找并導人Java藍牙API或庫、打開藍牙適配器、搜索附近的藍牙設備、選擇目標藍牙設備進行配對，以及建立與目標藍牙設備的連接。

Java的藍牙API主要包括JSR-82（Javaspecificationrequest82），不過Java標準庫中并不包含JSR-82，因此在項目中引人了BlueCove庫。同時，使用LocalDevice類訪問本地藍牙適配器，以及

DiscoveryAgent類搜索附近的藍牙設備。本系統中藍牙設備配對不是自動配對，需要用戶交互，選擇準備同步數據的目標設備。一旦設備配對成功，使用設備的地址和UUID建立連接。

基于藍牙的無線自組網技術不僅實現了采集任務即時分發與接收，采集數據即時分享與合并。而且，無需依賴無線路由器等外部網絡設施，降低了組網的成本[10-13]。與WiFi組網相比，藍牙功耗僅為WiFi的1/3，大幅度延長了采集終端的續航時間。3.2.2開發環境本研究運用跨平臺的Java語言，使用Androidstudio開發環境，采用輕量級數據庫SQLite，開發實現作物信息采集系統[14-15]。Androidstudio便于開發人員調整在不同尺寸屏幕和分辨率的Android設備上應用。數據庫是數據記錄的核心構件，移動終端設備存儲空間小，因此本系統采用SQLite數據庫進行數據本地化存儲。SQLite數據庫被集成在信息采集系統程序中，無需安裝和配置，運行速度快，占用內存非常小，極大地提高了信息采集和查詢效率。

4總結

本文研究開發的作物信息協同采集系統對傳統紙筆記錄的業務流程和紙質記載本的界面進行了充分地模擬，實現所記即所得，操作簡單便捷，極大地降低了軟件使用的門檻。利用無線自組網技術傳輸數據，降低了軟件的使用成本，通過自適應技術實現不同終端自動適配。該軟件的使用將解決作物種質資源精準鑒定、新品種選育等過程中作物信息采集筆記潦草、協同性差、工作效率低、無法及時查詢往年數據等問題，實現不同類型作物田間性狀調查、實驗室考種等數據協同高效采集和實時查詢處理，提高數據采集質量，提升育種研發效率，加快作物育種數字化轉型，推進種業高質量發展。

同時，該軟件中數據名稱、數據類型以及數據值范圍完全自定義，具有很強的通用性和可擴展性，不僅適用于農業領域不同類型作物的相關數據采集，也可以拓展到其他行業需要進行數據采集的場景。

參考文獻

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