基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李國強，趙巧麗，臧賀藏，趙 晴，張 杰，宋 慧，王 猛

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002；2.河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450002；3.河南省智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 鄭州 450002）

作物育種研究是一項煩瑣的工作，涉及育種目標的確定、試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)考種、試驗結(jié)果整理與分析等多個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是育種研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是數(shù)據(jù)采集方式一直采用紙質(zhì)記錄，之后在室內(nèi)再進行數(shù)據(jù)電子化，需要耗費大量的時間和精力。基于此，相關(guān)科研院所積極探索并研發(fā)了多種農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，譚會君等[1]以嵌入式技術(shù)為核心，設(shè)計了一個農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，用于農(nóng)田氣象、土壤和作物信息的采集分析；張士敏[2]對物聯(lián)網(wǎng)在水稻區(qū)域試驗信息采集中的應用進行了研究；吳滄海等[3]設(shè)計開發(fā)了基于Android智能手機的油菜病害識別系統(tǒng)。目前，關(guān)于氣象、環(huán)境、作物信息和病蟲害等方面的信息采集研究較多[1-14]，而關(guān)于育種信息采集的研究相對較少。目前育種信息采集，一是通過無人機低空遙感獲取[15-17]，其次是采用移動采集設(shè)備。關(guān)于手持移動采集設(shè)備國內(nèi)外都有一些研究，國外有Phenobook[18]、Fieldbook[19]等，國內(nèi)有農(nóng)博士育種采集軟件[20-21]以及臧賀藏等[22-23]、趙巧麗等[24]研發(fā)的云端模式下作物表型性狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前，國內(nèi)現(xiàn)有采集系統(tǒng)均需在網(wǎng)絡(luò)支持下接收云端的試驗任務(wù)才可以使用。對于一些小型試驗或者設(shè)計簡單的試驗，基于云端模式的采集系統(tǒng)使用成本較高。由于試驗過程中數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)任務(wù)繁重、時限短，通常會邀請一些臨時工作人員幫忙采集，這涉及操作系統(tǒng)的學習問題，如果系統(tǒng)過于復雜，反而不便于推廣應用。基于此，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與云端剝離，構(gòu)建了基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集單機版系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輕簡化，功能更專一，應用更方便。

1 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 Android簡介

Android平臺是針對移動設(shè)備的操作系統(tǒng)，包括應用程序?qū)印贸绦蚩蚣軐?、系統(tǒng)運行庫和Linux核心層4層。Linux核心層為上層提供攝像頭驅(qū)動、WIFI驅(qū)動和內(nèi)存管理等服務(wù)。在Linux核心層上增加虛擬機，并在虛擬機上搭建應用程序框架。Android平臺系統(tǒng)庫包括SQLite、界面管理、媒體庫和Webkit等程序庫，可被Android的各個組件使用；通過應用程序框架向用戶提供服務(wù)。

1.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的架構(gòu)

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單機版形式開發(fā)，其開發(fā)架構(gòu)包括基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)邏輯層和移動端界面UI，其架構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture structure of crop breeding data acquisition system

基礎(chǔ)層包括SQLite數(shù)據(jù)庫、媒體庫等程序庫，支持數(shù)據(jù)存儲、音頻、圖像等功能的實現(xiàn)；業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分，在基礎(chǔ)層和移動端界面UI中承擔數(shù)據(jù)交換的作用，提供與系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)相關(guān)的邏輯處理；移動端界面UI提供接受用戶操作的人機交互界面。

APP適用于不同作物對象，不同作物數(shù)據(jù)采集過程的差異主要在于性狀指標的差異。系統(tǒng)開發(fā)時將不同作物的性狀指標作為屬性數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，具體性狀指標內(nèi)容參考農(nóng)藝性狀調(diào)查標準。數(shù)據(jù)庫設(shè)計與臧賀藏等[23]研發(fā)的云端模式采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計相同，便于單機版采集數(shù)據(jù)與云端模式采集數(shù)據(jù)匯集和分析。數(shù)據(jù)庫選用系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫。研究中將數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)信息提煉為試驗項目和采集性狀指標兩部分，兩部分相互獨立，便于試驗項目和模板的組合定制。用戶在試驗項目和模板組合基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)采集管理。數(shù)據(jù)的采集、查詢、存儲和導出以試驗項目和定制模板名稱為索引。

2 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯，將作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)劃分為試驗、模板、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)和圖片5個功能模塊，具體如圖2所示。用戶在進入系統(tǒng)前先選擇作物類別。系統(tǒng)模板模塊根據(jù)用戶選擇作物類別提供該作物所有的性狀指標，性狀指標種類多，分主要性狀、物候期、抗逆性、病害調(diào)查、產(chǎn)量性狀和田間采集性狀六大類顯示，便于用戶查詢和選擇。除數(shù)據(jù)采集外，系統(tǒng)提供圖片采集，圖片拍攝與數(shù)據(jù)采集分開進行，圖片拍攝時可以備注信息，支持語音錄入。

圖2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Function structure of crop breeding data acquisition system

APP開發(fā)環(huán)境在MS Windows操作系統(tǒng)下由Android Studio和Android SDK搭建，采用JAVA編程語言。Android Studio便于開發(fā)人員調(diào)整在不同尺寸屏幕和分辨率的Android設(shè)備上應用。Android SDK是Android專屬的軟件開發(fā)工具包，適用于Android 4.0以上系統(tǒng)。

2.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

2.2.1 試驗項目創(chuàng)建 數(shù)據(jù)標識信息主要包括試驗項目、性狀指標和小區(qū)編號等。試驗項目信息則主要包括試驗名稱、品種數(shù)/處理水平、重復數(shù)以及參試品種名稱等。按照操作習慣，將試驗項目信息制成Excel模板，以保證試驗項目基礎(chǔ)信息順利導入。為了防止試驗項目重復造成數(shù)據(jù)采集管理混亂，在模板中添加試驗代碼作為區(qū)分試驗項目的唯一標識碼，見圖3所示。試驗項目基礎(chǔ)信息確定后，在作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中導入模板，出現(xiàn)試驗項目圖標標志試驗項目創(chuàng)建成功。圖4a為“安陽谷子”試驗項目創(chuàng)建成功后的圖標，因為谷子種質(zhì)資源較多，Excel模板展示了部分谷子種質(zhì)資源名稱。試驗項目基礎(chǔ)信息的Excel模板文件可以在電腦端完成，也可以在移動終端上完成。

圖3 試驗項目基礎(chǔ)信息導入模板Fig.3 Import template of foundation information for test program

2.2.2 模板定制 性狀指標分主要性狀、物候期、抗逆性、病害調(diào)查、產(chǎn)量性狀和田間采集性狀6類保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)量較多，數(shù)據(jù)采集時若全部展示，操作十分不便。作物生長是個動態(tài)的過程，不同時期采集的性狀指標也不盡相同，為滿足不同的采集需求，增加了模板定制的模塊。在模板模塊下任一用戶可以勾選需要采集的性狀指標定制模板并保存，如圖4b所示，保存的模板可以共享，任一用戶都可以選擇使用。定制模板上性狀指標的順序可以調(diào)整。用戶在數(shù)據(jù)采集時根據(jù)選擇的模板提供作物性狀指標。

圖4 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用界面Fig.4 Application interface of crop breeding data acquisition system

2.2.3 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集因作物性狀指標種類多、試驗小區(qū)數(shù)量多、試驗目的各不相同、作物發(fā)育進程差異等原因，導致數(shù)據(jù)采集過程復雜多變。試驗項目在作物試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中建立后，系統(tǒng)根據(jù)試驗品種數(shù)/處理水平、重復數(shù)生成采集小區(qū)編號總數(shù)。為滿足采集形式多樣化要求，數(shù)據(jù)錄入提供掃碼錄入、數(shù)據(jù)錄入和手動定位3種數(shù)據(jù)采集方式，同時提供圖片采集功能。掃碼錄入在試驗小區(qū)采用條碼標識的情況下使用；數(shù)據(jù)錄入默認按照自然序列依次采集；手動定位可以任意選擇小區(qū)開始數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)錄入模塊中，除圖片采集外，其他3種錄入方式一旦開始，必須新建一個試驗數(shù)據(jù)文件，若中途中斷，需要從數(shù)據(jù)模塊中選擇試驗數(shù)據(jù)文件繼續(xù)錄入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)錄入過程中，性狀指標除數(shù)量性狀外，其他指標提供該指標可能出現(xiàn)的所有可選項，比如物候期提供當天日期（缼省值）、病蟲害提供等級等，能迅速完成數(shù)據(jù)錄入，顯著提高數(shù)據(jù)采集效率。在數(shù)據(jù)采集過程中，有一些性狀差別難以區(qū)分或者易受人為因素的影響，比如性狀指標的顏色、長勢等，可以采集圖片，方便以后室內(nèi)進行對比分析。

3 基于Android的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗

3.1 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在使用過程中，采用人工采集與系統(tǒng)采集方式，以谷子為例，數(shù)據(jù)采集前，向測試人員介紹系統(tǒng)的操作步驟和系統(tǒng)功能，安排5人采用人工采集數(shù)據(jù)，而同一批人使用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進行了對比測試。測試人員分別對5個小區(qū)的分枝數(shù)、穗姿和成熟期進行數(shù)據(jù)采集，同時記錄每組5個人耗時的平均值，測試結(jié)果如表1所示。使用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)耗時比人工采集數(shù)據(jù)節(jié)約65.18%。僅數(shù)據(jù)采集過程而言，系統(tǒng)采集耗時稍短于人工采集，但是人工采集耗時最多的是二次錄入過程，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)可直接以Excel格式導出，省略了人工采集數(shù)據(jù)電子化的過程。在數(shù)據(jù)采集量足夠大的情況下，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢會更為突出。

表1 人工采集與系統(tǒng)采集測試平均耗時比較Tab.1 Comparison of average test time between manual acquisition and system acquisition s

3.2 作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)測試完善后，在安陽市農(nóng)業(yè)科學院谷子核心種質(zhì)資源調(diào)查上進行初步應用。在系統(tǒng)APP試驗模塊下，導入試驗項目信息模板，如圖3所示，建立“安陽谷子”試驗，見圖4a。在模板模塊中，選擇成熟期需要調(diào)查的性狀指標，定制采集模板，如圖4b；在數(shù)據(jù)錄入模塊，從試驗名稱中選擇“安陽谷子”，然后系統(tǒng)根據(jù)性狀指標類型提供數(shù)據(jù)錄入或者提供所有文本選項，如圖4c界面，點選完成錄入。在試驗模塊中，“安陽谷子”圖標下，可以查看數(shù)據(jù)采集情況，如圖4d為其中1位試驗人員的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。測試人員使用結(jié)果表明，系統(tǒng)具有操作簡單、使用靈活、支持多人同時采集等特點。

4 結(jié)論與討論

本研究從生產(chǎn)實際需求出發(fā)，提出并設(shè)計了基于Android平臺的可定制作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單機版采集系統(tǒng)以Excel模板的形式完成試驗項目的創(chuàng)建，簡化了云端模式下的試驗項目管理過程，使系統(tǒng)的功能重點集中在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)上，提高了系統(tǒng)的實用性。數(shù)據(jù)采集全程可在離線情況下進行，不因網(wǎng)絡(luò)問題而中斷，保證了系統(tǒng)采集的穩(wěn)定性，增強了數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)中模板的定制和性狀指標屬性的設(shè)置，使得數(shù)據(jù)采集時不用考慮性狀指標名稱和量綱的輸入，節(jié)省大量時間，這點優(yōu)于國外的Phenobook[18]和Fieldbook[19]采集軟件。國內(nèi)知名的農(nóng)博士育種采集軟件[20-21]主要針對育種試驗流程的數(shù)據(jù)采集要求而研發(fā)，對育種以外的數(shù)據(jù)采集要求難以匹配。作物育種數(shù)據(jù)采集APP忽略試驗性質(zhì)的差異，所有功能設(shè)置圍繞數(shù)據(jù)采集這一目的展開，使數(shù)據(jù)采集功能設(shè)置足夠靈活，以滿足不同作物、不同試驗數(shù)據(jù)采集的要求。

作物育種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于不同作物的數(shù)據(jù)采集。通過在安陽谷子核心種質(zhì)資源調(diào)查上的應用，結(jié)果表明，與人工采集相比，系統(tǒng)采集可減少錯誤數(shù)據(jù)錄入，省略了人工采集數(shù)據(jù)電子化過程，可使谷子試驗數(shù)據(jù)采集耗時降低65.18%。系統(tǒng)的應用有利于采集數(shù)據(jù)格式標準化，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)挖掘。系統(tǒng)功能設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，操作簡單，攜帶方便，有著廣闊的推廣和應用前景。