1系统总体设计
温室中水稻采用盆栽种植方式，为了接近大田的种植密度，水稻盆栽之间不留间距。温室种植区面积为20m×60m，可种植水稻植株达6000盆，种植量较大。另外，每株试验水稻在其生长期间需要频繁移出温室进行表型检测。针对以上现状，试验电子标签、读写器、上层网络信息系统3部分，如图1所示。无源式电子标签安放在水稻盆栽的盆底。读写器安装在盆栽输送流水线的滚筒之间。当输送水稻盆栽经过流水线之间的读写器时，触发读写器读取电子标签中存储的水稻盆栽ID号，并送至上层网络信息管理系统。读写器由天线、射频电路、单片机控制电路3个部分组成。电子标签中存储的数据信息采用载波的负载调制方式向读写器传送。读写器通过天线接收信息并上传给上层网络信息管理系统进行信息处理，然后把上位机的处理结果或相关控制命令通过返回给电子标签。上位机网络信息管理系统中的读写控制软件通过ActiveX控件对读写器进行读写控制，该功能可直接通过网络化可视界面进行操作。上层网络信息系统采用B/S构架，信息软件主体部署在服务器上，与SQLServer2008数据库中存储的水稻育种信息库进行通讯。使用者通过远程计算机上的浏览器实现试验信息的操作和管理。
2读写器系统设计
2.1读写器硬件电路设计读写器硬件电路结构如图2所示，由单片机电路模块、射频电路模块以及天线组成。单片机电路以SiliconLabs公司推出的C8051F340为主控制器，外围包括串口接口电路、复位电路。射频电路采用AS3992高集成度射频芯片，集成了功率放大器（PA）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、频率合成器、调制器等模块；在接收电路端集成了低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、中频放大器、解调器等模块；同时还包括电源电压管理、协议控制等工作模块。天线采用工艺结构简单的线圈型天线。2.2读写器软件设计读写器的软件流程图如3所示。在系统上电初始化成功后，开始进行自测，判断上位机是否发来命令。若串口（UART）收到正确的读写指令，则发送中断标志，执行防冲突算法并启动RFID读写标签流程。若正确完成读写标签，则等待下一条操作指令；否则，返回执行防冲突算法并重新启动RFID读写标签流程。
3网络信息系统的实现
上层水稻网络信息系统从软件结构上可划分为：水稻育种信息库、读写器的上位机管理软件、水稻网络信息软件。主要功能界面包括有：用户登录、日程提醒、信息修改面、种植操作、信息查询、系统设置，如图4所示。用户登录界面设为网站的首页地址，设置不同的用户登录操作权限，保证系统安全；日程提醒为用户成功登录后的首个页面，方便用户登录成功后立即得到当天的操作日程提醒；信息修改界面实现用户信息、试验信息、种子信息、盆栽信息以及操作信息的新增、修改、删除等操作；种植操作界面管理花盆入场、水稻种植、日常农务操作任务；信息查询界面包括水稻盆栽位置查询以及水稻植株盆栽信息查询；系统设置界面包括操作日志的添加查询、数据库备份与恢复、用户权限设置、系统的简介等。Web页面的开发分前端页面布局美化和后台服务端程序编写2个部分。系统开发工具选择微软公司的VisualStudio.NET2010以及Adobe公司的Fireworks开发平台。在VS.NET2010开发平台上可以使用HTML以及JavaScript脚本语言进行前端网页的编辑，使用CSS+DIV布局、美化前端页面，使用C#语言开发服务器端程序。采用Fireworks软件对一些图片进行编辑以达到预期效果。3.1远程RFID读写控制的实现研究中，通过在网页中添加ActiveX控件实现通过浏览器远程控制读写器对RFID标签进行读写的操作功能。ActiveX控件作为一个软件组件，可植入到许多不同应用程序。由于浏览器不具备直接访问本地计算机的串口功能，系统中将串口与RFID读写器通讯部分制作为ActiveX控件。浏览器前台页面中使用<object>标签对ActiveX控件进行嵌入，从而使GetElementById方法获取嵌入的ActiveX控件。系统得到控件后通过调用控件的GetRFID（）方法获取RFID读写器读取到的卡号，并借助定时器定时检测卡号是否发生改变。当卡号发生改变时系统立刻执行预设操作，保持水稻盆栽的实时监测及信息的及时更新。整个RFID卡号获取、检测以及执行信息更新部分，使用.NETFramework框架下提供的UpdatePanel以及ScriptManager控件实现Ajax（AsynchronousJavaScriptandXML）功能。该功能确保水稻盆栽信息的实时更新，而无需刷新页面。3.2水稻育种信息库的设计水稻盆栽在温室内的一个种植循环周期包括以下步骤：盆内安放RFID标签；盆内装混肥土壤；盆内灌水；由作业区流水线进入温室种植区共内放置3～7d（泡水，混肥）；由作业区流水线出场；栽苗（或播种）；由作业区流水线进入温室种植区；在温室种植区内进入生长周期（生长周期内包括对其进行浇水、打农药，除草、轮换位置、检测等操作）；由作业区流水线出场收获装袋；倒土清盆（下一循环周期待用）。针对水稻的种植试验特点，循环周期内每个农事操作任务分别有一定的要求。其中：浇水：分为精灌和普灌，精灌采用对每盆盆栽控制浇水量，普灌则采用大面积浇水的方式。水稻浇灌时间限于每日的20:00－8:00之间，即每日的温度较低时间段。打农药：每次打农药间隔大于10d，打农药的地点不能在场区内，可以在出场流水线上进行。整个种植场区所有盆栽每次打农药完成时间在48h以内。除草：每次间隔20d左右，在出场流水线上进行。轮换位置：运用输送流水线实现盆栽在种植区内位置的轮换，同时记录每个盆栽在种植区内的实现位置。表型检测：表型检测在植株的整个生长周期内随时进行，通过检测流水线送至检测室内检测，并在检测完成后送回种植区，本信息系统不记录表型检测结果，表型检测结果由表型检测设备记录。根据以上各数据实体间的相互关系，建立水稻育种信息的数据关系模型如图5所示。水稻育种信息库的核心信息是稻植株编号信息。为了实现以图5中信息的存储和记录，以及多代育种时的家系追溯功能，设计由5个字段组成的水稻植株编号信息的数据结构。以水稻突变体库信息为例，水稻植株编号信息的数据结构如图6所示。系统将该信息数据存储在RFID标签和数据库中，当读取RFID标签，该信息数据与存储在数据库中的信息数据一对应。图6水稻植株编号信息的数据结构Fig.6Datastructureofriceplantsnumbering图6中为06Z11表示水稻品种为2006年的中花11，BA93为水稻突变体库编号，02为当前种植到第2代，20为当前植株的亲代种植时的顺序编号（每一代种植时，一般种植几十株），25为当前种植时的顺编号，1为突变标志，发生突变时为1，没有发生突变时为0。即当前植株为信息为06Z11BA93的种子种植到第2代时顺序编号为25的植株，而其亲代在前一代种植时的顺序编号为20。亲代追溯时，以水稻植株编号信息中的种植试验代数和当前植株亲代种植顺序号为查找条件，在相关表格中查找其亲代的植株编号信息。由此，可以一直追溯到第一代种植时的亲代育种信息。子代追溯时，以种植试验代数和当前植株种植顺序号为查找条件，相关表格中查找其子代的植株编号信息。通过以上方法，可以建立整个突变体库试验的种植各代植株追溯的树状信息，如图7所示.基于上述原理，在SQLSever2008数据平台上建立水稻育种信息数据库，主要表格包括有：用户信息表、试验信息表、花盆信息表、种子信息表、操作信息表、操作日志表、胁迫信息表、精灌信息表。另外增加位置信息表、开始胁迫表、正在胁迫表、需要富水表、信息查询表以方便后台服务器代码的编写。盆栽信息以Excel文件方式导入，在每次信息导入时会新建一个与Excel文件名相同的表，用以记录导入的信息。
4应用实例与效果分析
水稻育种网络信息管理系统的试测在华中农业大学温室水稻盆栽自动化种植输送设备上进行。整个种植场分为A、B两区。每个区预置125行托架位，每个托架上可放置24盆水稻盆栽，如图8所示。水稻盆栽初次入场时，以24盆为单位由温室作业区流水线输送至上下线机上的托架内，再由A、B区内的自动导引小车（AGV)将托架整体运送至种植区内的空闲行位置。测试试验分三个步骤进行：水稻盆栽入场试验、水稻盆栽出场检测试验以及远程测试。1）水稻盆栽入场试验。新种植24×40＝960盆水稻盆栽，共计可放满40行托架；每次24盆，人工放置到作业区流水线上，其中A区和B区各放置20行；启动流水线输送设备，使盆栽经由RFID读写器输送至上下线机的托架上；托架由AGV小车送至种植区内空行。试测发现系统成功读取录入958个RFID信息，其中有2盆盆栽信息无法正常读取。系统自动标记缺失信息，提示操作人员通过人工方式检查出错原因，并修补出错数据。现场人工检测发现是RFID卡失效所至，后经更换新RFID卡，入场成功。40行托架位置分配到有效空行，并准确记录盆栽的放置位置及入场时间。2）水稻盆栽出场检测试验。种植区内随机选取40行水稻盆栽出场进行表型检测，其中A区20行，B区20行。结果表明，AGV小车能准确定位待检水稻托架，并将其送至送检区流水线，待完成表型检测后，又准确送回种植区的空闲行。由于系统以尽量均衡盆栽的种植环境为目的，每行盆栽在种植区内位置随机轮换，即送检后托架回到种植区的另一空闲行位置上。实际试验中，A区7，8，12行托架，送检后分别回到了种植区域23，26，30行的空位上。3）远程管理测试。开放服务器作为远程访问的站点，操作者从远程登录测试远程访问的可靠性和实时性，并对已录入的水稻盆栽数据库进行查询，修改，自动追溯家系等操作。结果表明系统可靠实现信息的自动录入、远程管理，以及家系自动追溯功能，且运行稳定。
5结论与讨论
为了解决高通量水稻育种过程中植株盆栽及种植信息的记录延迟、整合繁琐、查询困难、共享不便等问题，本文研究了一种水稻育种网络信息管理系统。该系统利用RFID标签的高效、便利、识别简单等优点，将RFID号与盆栽盆号一一对应，通过对RFID号实现对盆栽的精确标识；通过构建水稻育种信息数据库，结合ASP.NET技术开发上位读写器控件与网络信息系统，实现了基于B/S构架的远程水稻育种网络信息管理功能，即使用远程计算机上的浏览器，借助互联网，实现育种信息的录入、修改、查询、管理等操作；通过水稻育种信息关系模型的建立，实现育种信息的实时管理和水稻突变体库试验中种植家系信息的追溯。种植区试验测试证明，该系统在种植区入场及出场检测试验中运行正常，远程管理可靠、有效。该研究为高通量水稻遗传育种试验提供一种有效的远程信息管理的解决方案。
作者：高云 何志龙 李小昱 黎煊 周小军 张辉 单位：华中农业大学工学院
