木麻黄种质资源信息智能管理系统设计与开发

　　摘要：本文从总体结构、软件系统、硬件系统等方面介绍了木麻黄种质资源信息智能管理系统。该系统以物联网、移动互联网、云服务等信息技术为基础，具有木麻黄管理信息和环境安全信息在线存储、查阅、监测与智能预警等功能，可实现木麻黄种质资源信息体系化、智能化管理。

　　关键词：木麻黄科;种质资源;信息管理;智能化;

　　Abstract：This paper introduced the Casuarina germplasm resources information intelligent management system from the aspects of overall structure, software system and hardware system. Based on information technologies such as the internet of things, mobile internet and cloud services, the system has functions such as online storage, reference, monitoring and intelligent warning of Casuarina management information and environmental safety information, and can realize systematic and intelligent management of Casuarina germplasm resource information.

　　Keyword：Casuarina; germplasm resource; information management; intelligent;

　　木麻黄科（Casuarinaceae）树种是建设海岸防护林、农田防护林、风景林、护岸林等常用的树种。我国引种木麻黄已有100多年历史[1]。从20世纪50年代开始，广东、广西、海南、福建以及浙江等地逐步开始建立沿海木麻黄防护林带、农田林网和沙荒片林等，目前面积逾30万hm2，发挥了防风固沙、改善生态环境的重要作用[2,3]。

　　木麻黄寿命只有70～80年。近20年来，木麻黄防护林逐渐趋于老化，进入了全面更新改造的阶段[4]。木麻黄种质资源管理与利用是开展防护林更新改造工作的重要基础与保障。福建省林业科学研究院与惠安赤湖国有林场合作建立了国家级木麻黄种质资源库，至2016年共收集木麻黄种质资源393份，保存面积18.2 hm2，为我国沿海防护林建设提供了种质资源保证。本文在已有木麻黄种质资源基础上，利用现代信息技术设计开发木麻黄种质资源信息智能化管理系统，实现木麻黄种质资源从档案、种质库到试验基地、资源圃等信息管理的体系化、智能化，做到种质资源信息即时使用、可追溯、可共享，以期为木麻黄种质资源的保存管理和选育培育工作提供参考。

　　1 总体结构设计

　　应用物联网、移动互联网、云服务等信息技术，开发木麻黄种质资源信息智能管理系统。该系统具备木麻黄管理信息和环境安全信息在线存储、查阅、监测与智能预警等功能，可实现木麻黄种质资源信息体系化、智能化管理。总体结构设计如图1所示。

图1 木麻黄种质资源信息智能管理系统总体结构设计

　　2 软件系统设计

　　软件系统即木麻黄种质资源信息智能管理系统，包括Web版软件与微信小程序。系统开发层结构与部署层结构分别如图2、图3所示。

图2 木麻黄种质资源信息智能管理系统开发层结构

图3 木麻黄种质资源信息智能管理系统部署层结构

　　系统开发操作系统平台为Windows xp/7/10，服务器操作系统为Cente OS 7.6，部署基础工具为tomcat，支持jsp、servlets和java平台，同时配套更高性能的HTTP和反向代理Web服务器nginx。文件存储使用阿里OSS，满足木麻黄种质资源图片高流量在线浏览需求。服务端编程语言使用Java。系统开发层关键技术：后端采用Spring boot技术，基于Spring 4.0设计，去中心化，解决大量框架的版本冲突与不稳定问题[5]，并辅助以String security框架提供声明式的安全访问控制，从而增强安全性。后台前端与用户前端采用Vue编程语言框架，UI框架为Elementui，实现用户操作反馈与页面形式反馈。前端表格模板引擎采用Free marker，满足木麻黄种质资源信息数据在应用时低频更新、高频调用的需求。后端与My SQL数据库通过Druid技术交互，满足木麻黄种质资源信息即时查询、高并发的需求。环境、安防设备数据对接与指令控制使用Empx服务。微信小程序采用uniapp框架。

　　3 硬件系统设计与配置

　　3.1 环境监测指标

　　根据木麻黄种质资源保存与管理环境的监测需求，明确需要监测的环境指标。

　　3.1.1 气象环境指标。

　　木麻黄种质资源圃或种苗繁育基地环境监测数据可用于木麻黄种质资源科学管理及相关科学研究。需要监测的环境指标有空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分（湿度）、光照强度、雨量、风速、风向等，这些均为常见户外环境监测指标。另外，在木麻黄种质资源档案室、种质（种子、组培苗等）保存室需要监测空气温度与空气湿度。

　　3.1.2 安防环境指标。

　　木麻黄种质资源圃或种苗繁育基地需要防范野生动物或人为破坏，因而需要监测相关影像参数或入侵指标。在木麻黄种质资源档案室、种质（种子、组培苗等）保存室需要监测烟尘指标以预防火灾。

　　3.2 硬件配置

　　3.2.1 主机。

　　硬件设计需满足环境监测与调控的要求。本系统硬件设计主要由主机与传感器组成，技术结构如图4所示。主机包括解码器、控制器（PLC）、多功能触摸屏等。主机的功能主要是完成环境参数的采集、存储、传输以及客户端指令的转换、传输与反馈。解码器用于还原模拟量信号，内置Modbus RTU协议，采用电源数据共线传输技术，提高了传感器通信效率，减少了设备布线。控制器（PLC）支持多种通信协议，支持远程云端编程，解决了木麻黄资源圃户外作业人员工作不方便问题，提高了设备调试效率。多功能一体触摸屏采用4GB Flash+512M DDR3高性能CPU，实现本地与远程客户端操作界面协调一致，同时支持云透传，实现远程固件升级、调试、运载、编程等操作。

图4 木麻黄种质资源保存与管理环境智能监控设备技术结构

　　3.2.2 传感器。

　　筛选的传感器需要能适应户外粗放恶劣的环境。应用的传感器主要有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、雨量传感器、风速风向传感器、烟尘传感器、红外对射传感器、移动侦测摄像机。空气温湿度传感器置于百叶罩内防雨，集成热敏与湿敏元件，加装微型风扇与时控开关，通过定时空气流动解决高湿天气元器件结露故障。土壤温湿度传感器为电阻式-离子导电型传感器。光照强度传感器为光敏电阻型传感器，采用IP65防护设计，能适应户外气温变化，性能稳定。雨量传感器整体结构为ABS材质，通过脉冲统计翻斗次数，通过RS485通讯传输数据。风速风向传感器为一体式机械量转换型传感器。烟尘传感器采用离子式烟雾传感模块，对微小的烟雾粒子感应更灵敏，可实现火灾早期预警。红外对射传感器是常见的户外安防预警产品，用于建立木麻黄种质资源圃警戒区域。移动侦测摄像机选用户外专用监控摄像机（型号为HB-IPC4503-AI-AD44-X04），可在监控画面中划定警戒区域，通过摄像机移动侦测功能预警进入警戒区域的入侵行为。

　　3.2.3 辅助装置。

　　木麻黄种质资源圃位置偏远，供电不方便，因而设计太阳能供电方式。供电装置包括多晶硅太阳能板、锂离子电池组以及充放电控制器，并加入电量过充、过放保护元件。为节省用电功耗，主机与传感器尽量选择低功耗电子元器件（3～12 V），将部分装置设置为定时启动，可以进一步节省用电量。另外，为部分硬件设计防护装置，如排水孔、通风百叶、避雷引线等，以适应户外相对恶劣环境。

　　4 系统实现

　　4.1 功能模块

　　通过软件设计与硬件配置，架构动态信息管理模块、静态信息管理模块、科研信息管理模块、查询模块等主要功能模块，如图5所示。通过这些功能模块，一方面实现了木麻黄种质资源数据查询、数据应用、信息发布、监测预警、户外调查等功能的线上应用；另一方面实现了模块自定义、参数维护、用户分级授权、机构分级配置等功能的远程操作。

图5 木麻黄种质资源信息智能管理系统功能模块

　　4.2 操作界面

　　用户操作界面包括PC端页面与微信小程序（图6），主要操作功能有实时在线查看、下载、录入、修改完善种质资源信息、种苗繁育信息、定植信息等，实时在线监测资源圃大数据信息，实时接收环境监测预警信息，满足用户管理、设备管理、机构管理等需求。工作人员开展户外调查工作时，通过小程序扫一扫悬挂在木麻黄树体上的二维码标签即可获取该树种相关信息，并进入相关操作界面。

　　5 结语

　　开发的木麻黄种质资源信息智能管理系统可以实现木麻黄种质资源的信息化、智能化管理。管理者与科研人员等可通过PC端或手机小程序，在线查看木麻黄种质资源保存与管理各环节信息，在线查看资源圃等环境监测与安防预警信息，在线完成户外调查、录入、管理和分析记录等工作，既能满足管理者工作需要，也能满足科研人员对木麻黄种质资源创新和开发利用的需要。下一阶段要扩大系统试用范围，加强系统优化，尽快开展技术推广应用。

图6 木麻黄种质资源信息智能系统PC端与微信小程序界面

　　注：a为PC端界面-园区大数据；b为PC端界面-智能监控；c为微信小程序界面-首页；d为微信小程序界面-种苗繁育模块。

　　参考文献

　　[1]珏新惠安县木麻黄沿海防护林建设面临的问题及对策[J]安徽农学通报, 2016,22(1):65-66.

　　[2]仲崇禄,白嘉雨,张勇.我国木麻黄种质资源引种与保存[J].林业科学研究, 2005,18(3):345-350.

　　[3]仲崇禄世界木麻黄科植物的引种和育种[J].世界林业研究，1994.7(1):82-84.

　　[4]林武星,朱炜,叶功富，等 福建沙岸防护林建设成效、存在问题及乡土树种的应用[J]防护林科技, 2016(3):59-60.

　　[5]能永平于SpringBoot框架应开发技术的分析与研究[J].电脑知识与技术, 2019,15(36):76-77.