基于RFID的育种材料田间布局统计系统研究
2017-12-16刘忠强王开义赵向宇李民赞
刘忠强，王开义，赵向宇，李民赞
(1.中国农业大学 现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京 100083；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100097；4.北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100097)
基于RFID的育种材料田间布局统计系统研究
刘忠强1,2，王开义3，赵向宇4，李民赞1
(1.中国农业大学 现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京 100083；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100097；4.北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100097)
针对大规模育种条件下海量育种材料田间布局统计手段落后、效率低和及时性差等问题，以改进育种材料田间标识和定位技术为切入点，研究基于RFID技术和手持移动终端的田间布局高效采集模式及布局图快速、准确绘制方法，并集成应用WIFI、GPRS、3G/4G等无线网络技术，构建基于物联网的育种材料田间布局统计系统。系统节省了田间纸质记载和人工录入的环节，避免了二次整理时产生的错误，实现了育种材料的快速准确定位、田间布局数据的高效采集、布局数据的无线实时传输和田间布局图的精确绘制。在国内多家大型育种企业和科研院所应用表明：该系统能够提高育种材料田间布局统计效率和精确度，降低育种从业人员的田间劳动强度，促进育种机械化、信息化的发展进程。
育种材料；田间布局；射频识别；信息化
0 引言
精确的育种材料田间布局是育种试验数据快速采集及育种装备高效作业的重要依据。育种材料在田间播种或移栽时，因出苗率、人工成本、移栽时限及地块面积等多种原因，不可避免地将发生田间布局与最初的设计规划不一致的情况，需要进行田间布局的再次统计。一旦发生田间材料标识牌因意外损坏或丢失等异常情况，育种家可以依据田间布局通过地块和具体位置信息识别材料。
育种试验规模化、操作机械化、数据信息化是我国种业发展的必然趋势[1-2]。随着小区播种机、植保无人机、小区收割机等育种装备的广泛应用，准确无误的育种材料田间布局是育种机械田间行驶路线优化、精准定位和高效作业的重要依据，有利于充分发挥育种装备的工作效率。
传统的育种材料布局统计方法是在材料播种或移栽完成后，育种工作人员在田间逐一查看育种材料标识牌上的材料唯一标识信息，同时将材料的田间位置信息一起记录在纸质记载本上，后期再录到电脑的Excel文件中长期保存。这种方法普遍存在工作量大、效率低、及时性差、田间人工漏记错记及二次整理时产生的错误统计等诸多问题。特别是随着我国商业化、规模化育种进程的加快推进，面对成千上万的育种材料田间布局统计工作，快速、高效、准确的统计方法和手段俨然成为育种从业人员迫切的现实需求。
以射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)为代表的物联网技术近几年已广泛应用于农业和种业领域，在农田试验数据采集[3-5]、试验环境数据采集[6-8]、农作物生长信息获取、远程农田监控、种子标识和库存盘点[9-11]等方面发挥了重要作用。华中农业大学的高云[12]等提出的高通量下水稻育种网络信息管理系统，将RFID技术用于温室水稻盆栽自动化种植输送设备，实现大量的水稻盆栽的实时标识，有效地提高了水稻遗传育种试验效率。
本文基于RFID、手持移动终端(PDA)和无线通信等物联网技术提出一种用于育种材料田间布局统计的系统和方法，通过育种材料的电子标识、田间布局数据的高效采集、无线实时传输和田间布局图的自动绘制，提高育种材料田间布局统计工作的效率和准确度，降低田间育种的劳动强度。
1 系统架构
基于物联网的育种材料田间布局统计系统，以改进育种材料田间标识和定位技术为切入点，探索基于RFID和手持移动终端的田间布局高效采集模式，充分发挥WIFI、GPRS、3G/4G等无线网络的优势，实现布局数据在移动端与服务器端的实时同步和自动解析，提升育种材料田间布局统计工作的效率和精确度。系统主要由育种材料电子标识、田间布局数据采集和田间布局图绘制3个子系统部分组成，各子系统之间依赖性和聚合性较低，具有良好的可扩展性和应用性。系统架构如图1所示。
图1 系统架构图
材料电子标识子系统充分利用RFID技术读取距离大及速度快的优势，设计含有RFID芯片的育种材料电子标识牌代替传统的塑料或竹制标识牌，并通过配套的标签读写和条码打印模块，实现电子标识牌的快速制作和材料标识。
田间布局数据采集子系统以育种地块为单位，借助具有RFID读写功能的手持移动终端，获取该地块中各个区域所种植的育种材料的唯一标识信息；同时根据预设的采集规则采集列号、行号等布局数据，并通过有线或无线网络上传至后台服务器。
田间布局图绘制子系统解析上传的育种材料的唯一标识、育种地块的唯一标识及田间位置等信息，并绘制地块维度和试验维度的田间布局图，进而可以根据配置参数输出不同粒度的报表，用于性状数据采集和育种机械行走路线设计。
2 关键技术
2．1 育种材料电子标识技术
快速、准确地获取育种材料的唯一标识信息是提高田间布局采集效率的关键因素，研究高效的育种材料田间标识技术和手段意义重大。传统的材料标识牌由塑料或自制的竹板制成，将材料编号、小区编号等信息用记号笔写到牌上，第2年用酒精擦除后重用。这种方式工作量大、标识信息量少，标识牌在田间受风吹雨淋暴晒等恶劣环境影响，容易导致标识牌上的文字模糊或丢失，进而产生错记、漏记等现象的发生，造成严重的损失。
本文提出一种基于RFID技术的育种电子标识牌(“育种电子标签”)，如图2所示。该育种电子标签含有RFID芯片，通过配套的RFID读写设备将试验材料标识信息写入到芯片中，具有识读快速、标识信息量大、可重复利用及携带使用方便等特点。在田间通过手持移动终端对育种电子标签无线读取，可实现对试验材料和地点的快速、准确识别，减少操作失误，提高田间试验数据采集效率。
图2 育种电子标识牌示意图
为了配套育种电子标签的使用，提出了基于C/S架构的电子标签制作系统，包括电子标签读写模块和条码打印模块两个主要部分。通过电子标签读写模块，可将大量育种材料信息连续快速地写入对应标识牌的芯片中；同时，可以选择打印带有防水不干胶的一维或二维条码，直接贴在育种电子标签的表面，省略了人工手写环节，大幅提高标识工作效率。育种电子标签制作和条码打印流程如图3所示。
图3 育种电子标签制作流程图
2．2 田间布局信息采集技术
育种材料的田间布局可以通过与材料绑定的育种电子标签所在地块和具体位置等信息进行体现。所以，育种材料田间布局数据采集的首要环节即是准确获取育种电子标签的田间位置信息，从而为布局图的绘制提供数据来源。目前，GPS技术常用于物体定位和经纬度信息采集[13]；但由于育种材料种子量少，所种植地块面积较小，两个材料标识牌的田间最小距离在20cm左右，市场上GPS系统的精度无法满足育种电子标签准确定位的需求。本文提出的育种材料田间布局数据采集技术方案如图4所示。
图4 田间布局数据采集技术方案
2.2.1 育种材料定位
首先定位某一育种地块并获取地块标识信息，利用具备RFID读写功能的手持移动终端依次读取该地块中各个区域设置的田间材料电子标识牌，以获取对应区域所种植的育种材料的唯一标识信息。
为了提高定位工作效率，将所有育种地块进行统一编号，并制作地块电子标识牌，在采集某个地块的布局信息时，首先扫描地块电子标识牌自动定位到当前地块，减少人工选择和录入环节，提高自动化水平和采集效率。
2.2.2 布局数据采集
育种材料在田间以行列方式进行排列种植，每个地块种植的列数、每列种植的行数及每行种植的株数因地块面积、种子量、出苗率等原因而各不相同。布局数据采集时，为了准确记录材料所处的行号和列号，在分析材料种植规律和布局数据类型的基础上，定义采集规则如下：
1)从每一育种地块的任意一个边界开始，设定初始种植列为第1列，依次递增，作为材料的列号；
2)采集每一列时，根据田间扫描育种电子标签的顺序自动生成每一列的顺序号，作为材料在该列的行号；
3)根据管理需求选择性记录育种材料在相应区域种植的行数及每行种植的株数。
系统定义布局数据采集格式为包含地块号s、列号c、行号r、采集方向d、材料号m、种植行数n、种植株数z的七元组
图5 布局数据采集界面
本文提出的田间布局采集方法适用于各种不规则性状的育种地块，即各个列的长度可以不一致；同时，允许操作人员从地块的任一边界开始采集，并对上次未采集完的地块，可以由任何一人从任一位置开始续采。对于同一个地块允许多人操作多个手持移动终端同时进行布局采集，以提高操作的灵活性和工作效率。
2.2.3 布局数据传输
以育种地块为单位，通过WiFi、GPRS、3G/4G等无线网络将采集的七元组布局数据自动上传到后台服务器。针对局部数据修改的实际需求，允许将一列或者多列布局数据分批上传，相同列号的数据做覆盖处理。系统节省了田间纸质记载和人工录入的环节，避免了二次整理时产生的错误。
2.3 田间布局图绘制技术
解析上传的布局数据，验证布局数据的完整性和合法性，以地块为单位绘制地块维度的布局图，以试验为单位绘制试验维度的布局图，并提供多种布局图使用接口，方便与育种机械集成应用。田间布局图绘制流程如图6所示。
2.3.1 地块布局图绘制
用于生成每个育种地块的材料田间布局图。以地块为单位，解析上传的育种材料唯一标识信息、育种地块唯一标识信息、所在列号、所在行号、列的方向、种植行数和行内的种植株数等信息，构建行列布局矩阵，生成每一育种地块的育种材料田间布局图。其中，布局矩阵中反向采集的列中所有材料的行号需要进行逆向填充，以保证布局图中的顺序与实际田间顺序一致。
图6 田间布局图绘制流程
2.3.2 试验布局图绘制
用于生成每一育种试验集合的材料田间布局图，方便育种人员从试验的维度进行数据采集和田间观测。以试验为单位，系统根据材料编号自动提取试验所有材料所种植的一个或多个地块，按照用户指定的地块顺序生成试验布局图。若同一地块中存在多个试验材料的情况，在生成试验布局图时过滤其它试验的育种材料，仅显示属于该试验的材料布局信息。
2.3.3 布局图调整与输出
据用户需求配置参数，对育种地块的育种材料田间布局图或育种试验集合的田间布局图进行多个视角的翻转，方便用户多角度查看。同时，还可以输出材料、小区、种植行等不同粒度的报表，提供多种形式的对外数据接口，提高材料布局图使用的便捷性。本系统与育种田间机械集成，可实现操作结果与材料的自动关联，满足大规模育种条件下的流水线、高效率作业需求。
3 实施方式
为了更好地说明系统的技术方案和实施方式，本文创建2个水稻育种试验，每个试验包含100个待考察的材料，每个材料具有全局唯一标识，种植在两个育种地块中(地块编号为S1和S2)。水稻育种试验及材料信息如表1所示。
表1 水稻育种试验及材料信息表
利用系统制作200个写有材料唯一标识信息的育种材料电子标识牌(RFID芯片频率为13.56MHz，采用ISO14443A协议)，并与材料种子实体进行绑定，播种和移栽时插在地块中或挂在材料植株上。
制作S1和S2地块的电子标识牌，写入地块唯一标识信息并插在地块中。其中，S1地块的小区数为150个(5列×30行)，可播种150个材料；S2地块形状不规则，小区数为115个(5列，小区数分别为15、20、20、30、30)，可播种115个材料。
育种人员在田间使用具备电子标签读写功能的手持终端设备(手机型号：三星Galaxy Note Ⅱ 7100)进行田间布局数据采集，采集的部分布局数据如表2所示。
表2 育种材料田间布局采集数据表(部分)
材料田间布局数据通过无线网络传输到后台服务器中，经过解析绘制生成地块布局图和试验布局图，如图7和图8所示。
图7 地块布局图
图8 试验布局图
4 结论
针对大规模育种材料田间布局高效统计的现实需求，提出了一种基于物联网的育种材料田间布局统计系统。首先给出了系统整体架构，设计了一种快速标识的育种材料电子标识牌；接着分析了影响布局采集效率的关键因素，提出了手持移动终端和育种材料电子标识牌相结合的布局数据高效采集技术方案；最后，给出了布局图多维绘制方法及使用接口。通过在种业企业应用表明：系统具有定位快速、采集高效、统计准确、操作便捷及扩展性强等特点，能够提升育种材料田间布局统计工作的效率。
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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
北京市科技计划项目(D151100004215002，D15110000421 5004)
刘忠强(1983-)，男，山东莒南人，博士研究生，(E-mail)liuzq@nercita.org.cn。
李民赞(1963-)，男，河北藁城人，教授，博士生导师,(E-mail)limz@cau.edu.cn。
S503.5；TP319
A
1003-188X(2017)02-0006-05
