基于Android的可定制作物育种数据采集系统设计与实现

李国强，赵巧丽，臧贺藏，赵 晴，张 杰，宋 慧，王 猛

（1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002；2.河南省智慧农业工程技术研究中心,河南 郑州 450002；3.河南省智慧农业产业技术创新战略联盟,河南 郑州 450002）

作物育种研究是一项烦琐的工作，涉及育种目标的确定、试验设计、数据采集、室内考种、试验结果整理与分析等多个环节。数据采集是育种研究的关键环节，但是数据采集方式一直采用纸质记录，之后在室内再进行数据电子化，需要耗费大量的时间和精力。基于此，相关科研院所积极探索并研发了多种农业信息数据采集系统，谭会君等[1]以嵌入式技术为核心，设计了一个农田信息采集系统，用于农田气象、土壤和作物信息的采集分析；张士敏[2]对物联网在水稻区域试验信息采集中的应用进行了研究；吴沧海等[3]设计开发了基于Android智能手机的油菜病害识别系统。目前，关于气象、环境、作物信息和病虫害等方面的信息采集研究较多[1-14]，而关于育种信息采集的研究相对较少。目前育种信息采集，一是通过无人机低空遥感获取[15-17]，其次是采用移动采集设备。关于手持移动采集设备国内外都有一些研究，国外有Phenobook[18]、Fieldbook[19]等，国内有农博士育种采集软件[20-21]以及臧贺藏等[22-23]、赵巧丽等[24]研发的云端模式下作物表型性状数据采集系统。目前，国内现有采集系统均需在网络支持下接收云端的试验任务才可以使用。对于一些小型试验或者设计简单的试验，基于云端模式的采集系统使用成本较高。由于试验过程中数据采集环节任务繁重、时限短，通常会邀请一些临时工作人员帮忙采集，这涉及操作系统的学习问题，如果系统过于复杂，反而不便于推广应用。基于此，将数据采集系统与云端剥离，构建了基于Android的可定制作物育种数据采集单机版系统，使数据采集系统轻简化，功能更专一，应用更方便。

1 基于Android的可定制作物育种数据采集系统架构设计

1.1 Android简介

Android平台是针对移动设备的操作系统，包括应用程序层、应用程序框架层、系统运行库和Linux核心层4层。Linux核心层为上层提供摄像头驱动、WIFI驱动和内存管理等服务。在Linux核心层上增加虚拟机，并在虚拟机上搭建应用程序框架。Android平台系统库包括SQLite、界面管理、媒体库和Webkit等程序库，可被Android的各个组件使用；通过应用程序框架向用户提供服务。

1.2 作物育种数据采集系统的架构

作物育种数据采集系统以单机版形式开发，其开发架构包括基础层、业务逻辑层和移动端界面UI，其架构设计结构见图1。

图1 作物育种数据采集系统架构Fig.1 Architecture structure of crop breeding data acquisition system

基础层包括SQLite数据库、媒体库等程序库，支持数据存储、音频、图像等功能的实现；业务逻辑层是系统架构中的核心部分，在基础层和移动端界面UI中承担数据交换的作用，提供与系统业务需求实现相关的逻辑处理；移动端界面UI提供接受用户操作的人机交互界面。

APP适用于不同作物对象，不同作物数据采集过程的差异主要在于性状指标的差异。系统开发时将不同作物的性状指标作为属性数据保存在系统数据库中，具体性状指标内容参考农艺性状调查标准。数据库设计与臧贺藏等[23]研发的云端模式采集系统的数据库设计相同，便于单机版采集数据与云端模式采集数据汇集和分析。数据库选用系统自带的SQLite数据库。研究中将数据采集的基础信息提炼为试验项目和采集性状指标两部分，两部分相互独立，便于试验项目和模板的组合定制。用户在试验项目和模板组合基础上完成数据采集管理。数据的采集、查询、存储和导出以试验项目和定制模板名称为索引。

2 基于Android的可定制作物育种数据采集系统的实现

2.1 作物育种数据采集系统的功能结构

根据系统业务逻辑，将作物育种数据采集系统划分为试验、模板、数据录入、数据和图片5个功能模块，具体如图2所示。用户在进入系统前先选择作物类别。系统模板模块根据用户选择作物类别提供该作物所有的性状指标，性状指标种类多，分主要性状、物候期、抗逆性、病害调查、产量性状和田间采集性状六大类显示，便于用户查询和选择。除数据采集外，系统提供图片采集，图片拍摄与数据采集分开进行，图片拍摄时可以备注信息，支持语音录入。

图2 作物育种数据采集系统功能结构Fig.2 Function structure of crop breeding data acquisition system

APP开发环境在MS Windows操作系统下由Android Studio和Android SDK搭建，采用JAVA编程语言。Android Studio便于开发人员调整在不同尺寸屏幕和分辨率的Android设备上应用。Android SDK是Android专属的软件开发工具包，适用于Android 4.0以上系统。

2.2 作物育种数据采集系统主要功能的实现

2.2.1 试验项目创建 数据标识信息主要包括试验项目、性状指标和小区编号等。试验项目信息则主要包括试验名称、品种数/处理水平、重复数以及参试品种名称等。按照操作习惯，将试验项目信息制成Excel模板，以保证试验项目基础信息顺利导入。为了防止试验项目重复造成数据采集管理混乱，在模板中添加试验代码作为区分试验项目的唯一标识码，见图3所示。试验项目基础信息确定后，在作物育种数据采集系统中导入模板，出现试验项目图标标志试验项目创建成功。图4a为“安阳谷子”试验项目创建成功后的图标，因为谷子种质资源较多，Excel模板展示了部分谷子种质资源名称。试验项目基础信息的Excel模板文件可以在电脑端完成，也可以在移动终端上完成。

图3 试验项目基础信息导入模板Fig.3 Import template of foundation information for test program

2.2.2 模板定制 性状指标分主要性状、物候期、抗逆性、病害调查、产量性状和田间采集性状6类保存在系统数据库中，数量较多，数据采集时若全部展示，操作十分不便。作物生长是个动态的过程，不同时期采集的性状指标也不尽相同，为满足不同的采集需求，增加了模板定制的模块。在模板模块下任一用户可以勾选需要采集的性状指标定制模板并保存，如图4b所示，保存的模板可以共享，任一用户都可以选择使用。定制模板上性状指标的顺序可以调整。用户在数据采集时根据选择的模板提供作物性状指标。

图4 作物育种数据采集系统应用界面Fig.4 Application interface of crop breeding data acquisition system

2.2.3 数据采集 数据采集因作物性状指标种类多、试验小区数量多、试验目的各不相同、作物发育进程差异等原因，导致数据采集过程复杂多变。试验项目在作物试验数据采集系统中建立后，系统根据试验品种数/处理水平、重复数生成采集小区编号总数。为满足采集形式多样化要求，数据录入提供扫码录入、数据录入和手动定位3种数据采集方式，同时提供图片采集功能。扫码录入在试验小区采用条码标识的情况下使用；数据录入默认按照自然序列依次采集；手动定位可以任意选择小区开始数据采集。在数据录入模块中，除图片采集外，其他3种录入方式一旦开始，必须新建一个试验数据文件，若中途中断，需要从数据模块中选择试验数据文件继续录入数据。数据录入过程中，性状指标除数量性状外，其他指标提供该指标可能出现的所有可选项，比如物候期提供当天日期（缼省值）、病虫害提供等级等，能迅速完成数据录入，显著提高数据采集效率。在数据采集过程中，有一些性状差别难以区分或者易受人为因素的影响，比如性状指标的颜色、长势等，可以采集图片，方便以后室内进行对比分析。

3 基于Android的可定制作物育种数据采集系统试验

3.1 作物育种数据采集系统的测试

作物育种数据采集系统在使用过程中，采用人工采集与系统采集方式，以谷子为例，数据采集前，向测试人员介绍系统的操作步骤和系统功能，安排5人采用人工采集数据，而同一批人使用系统采集数据进行了对比测试。测试人员分别对5个小区的分枝数、穗姿和成熟期进行数据采集，同时记录每组5个人耗时的平均值，测试结果如表1所示。使用系统采集数据耗时比人工采集数据节约65.18%。仅数据采集过程而言，系统采集耗时稍短于人工采集，但是人工采集耗时最多的是二次录入过程，系统采集数据可直接以Excel格式导出，省略了人工采集数据电子化的过程。在数据采集量足够大的情况下，系统采集数据的优势会更为突出。

表1 人工采集与系统采集测试平均耗时比较Tab.1 Comparison of average test time between manual acquisition and system acquisition s

3.2 作物育种数据采集系统的应用

作物育种数据采集系统经测试完善后，在安阳市农业科学院谷子核心种质资源调查上进行初步应用。在系统APP试验模块下，导入试验项目信息模板，如图3所示，建立“安阳谷子”试验，见图4a。在模板模块中，选择成熟期需要调查的性状指标，定制采集模板，如图4b；在数据录入模块，从试验名称中选择“安阳谷子”，然后系统根据性状指标类型提供数据录入或者提供所有文本选项，如图4c界面，点选完成录入。在试验模块中，“安阳谷子”图标下，可以查看数据采集情况，如图4d为其中1位试验人员的数据采集结果。测试人员使用结果表明，系统具有操作简单、使用灵活、支持多人同时采集等特点。

4 结论与讨论

本研究从生产实际需求出发，提出并设计了基于Android平台的可定制作物育种数据采集系统。单机版采集系统以Excel模板的形式完成试验项目的创建，简化了云端模式下的试验项目管理过程，使系统的功能重点集中在数据采集环节上，提高了系统的实用性。数据采集全程可在离线情况下进行，不因网络问题而中断，保证了系统采集的稳定性，增强了数据的安全性。系统中模板的定制和性状指标属性的设置，使得数据采集时不用考虑性状指标名称和量纲的输入，节省大量时间，这点优于国外的Phenobook[18]和Fieldbook[19]采集软件。国内知名的农博士育种采集软件[20-21]主要针对育种试验流程的数据采集要求而研发，对育种以外的数据采集要求难以匹配。作物育种数据采集APP忽略试验性质的差异，所有功能设置围绕数据采集这一目的展开，使数据采集功能设置足够灵活，以满足不同作物、不同试验数据采集的要求。

作物育种数据采集系统适用于不同作物的数据采集。通过在安阳谷子核心种质资源调查上的应用，结果表明，与人工采集相比，系统采集可减少错误数据录入，省略了人工采集数据电子化过程，可使谷子试验数据采集耗时降低65.18%。系统的应用有利于采集数据格式标准化，便于数据的统计处理和数据挖掘。系统功能设计合理，运行稳定，操作简单，携带方便，有着广阔的推广和应用前景。