四种技术在种质库中的应用场景及特性分析

摘 要 分别对区块链、RFID、物联网、电子围栏等四种技术在种质库中的应用场景及其技术特性进行分析。结合种质库的应用场景，探讨区块链、RFID、物联网、电子围栏等4种技术与种质库运行管理相结合的模式，为提高种质库的信息化、智能化、平台化管理水平提供新思路。

关键词 种质库;区块链;RFID;物联网;电子围栏

中图分类号：S32;R857.3 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.07.061

作物种质资源是农业科技原始创新、现代种业持续发展的物质基础，是保障国家粮食安全、生态安全和能源安全的战略性资源[1]。种质资源的保护工作，正随着经济社会的发展以及环境的变化，变得越来越重要。据（FAO，2010）全球收集保存了740萬余份栽培植物种质资源，其中90%以种子方式贮藏在1 750座种质库中[2]。种质库不仅是安全保存作物种质资源的载体，也是安全健康贮藏作物种子、中间育种材料、区域试验材料的重要设施;种质库除为广大科研育种人员提供安全健康的种子外，还为种子的生活力检测、安全保存技术的研究提供丰富的研究数据。对于种质库的建设，卢新雄提出要遵循安全性、可靠性、前瞻性和布局合理实用的总原则;设施整体设计与建设应符合安全性、可靠性和先进性要求[3]。为更好地建设安全、可靠的种质库，适应“打赢种业翻身仗”新形势下的新要求;为科研育种提供安全健康的种子同时，也为研究人员提供更精准的原始数据和更好的科研服务，本文结合区块链、RFID、物联网、电子围栏等4种技术的特点，分析4种技术在种质库中的应用场景，探讨其与种质库建设、管理相结合的途径，希望为种质库管理人员提供一点新思路。

1  建设基于区块链的种质资登记管理平台

区块链数据结构、P2P组网方式、广播机制是构成区块链技术体系的三大核心要素，这3部分要素可以实现区块链网络的去中心化、节点平等化及数据可追溯、难篡改的特点[4]。区块链技术与种子管理相结合，可以达到科研种质资源及商业种子防套牌、防假冒、防侵权的目的;由于其具有数据易追溯、难篡改的特点，既可为种质资源出入库登记、分发利用进行上链记录，也可为种子研发阶段技术性保密，防止知识产权被窃取。

中国农业科学院刘海洋团队根据农作物种质资源登记中数据提交、数据审核、数据共享的相应工作流程及业务特点，结合区块链网络的运行机制，设计了农作物种质资源登记网络模型及对应的工作流模型、数据模型。分析基于区块链技术下，农作物种质资源登记从节点登录开始，到填写登记的种质信息，再到知识产权审核、达成共识，让登记种质信息最终上链的应用形式。其区块链网络模型大致技术路径如下。

在农作物种质资源登记区块链网络中，将参与数据流通的网络节点分为2种类型：R类型节点和N类型节点。其中R类节点的集合作为网络的数据提供节点群，N类型节点的集合作为网络的数据需求节点群。根据农作物种质资源登记工作中实际参与的登记主体，将用户划分为5类节点：1）节点1：农作物种质资源数据需求节点（为N类型节点）。2）节点2：农作物种质资源数据登记节点（为R类型节点）。3）节点3：农业农村部数据节点。4）节点4：国家种质信息中心节点。5）节点5：各作物的专家节点。此5类节点共同构成了系统的节点群。其中，节点3（农业农村部）、节点4（国家种质信息中心）、节点5（各作物专家）这3类节点是信息上链的审核节点，如图1所示。

在区块链登记的共识机制中，审核节点分别根据“字段填写数量”“符合数据规范标准程度”“符合政策程度”“亲本准确度”“性状监测准确度”“科属种信息准确度”“是否取得植物新品种权”等项目设置评价指标。当中，指标分别对应不同评价权重。在评价过程中，这3类节点对于数据审核权限可以是平等的，也可以赋予不一样的审核系数。但只有3个节点同时达成共识之后才能进行种质资源登记数据的上链操作。以节点X为例，从系统提交数据进行广播开始，3类审核节点收到广播进行审核，根据不同的审核权重、指标进行评价，如果针对节点X登记的种质资源数据上链评价分数为89.5，而设置的阈值85，89.5>85，即代表形成共识，则X节点登记的农作物种质资源信息可以上链。从而形成一个区块，开始下一轮共识[5]。在实际应用中，根据不同的需求增减节点，可以赋予不同的权重、算法，有效提高种质资源的安全管理系数。

基于区块链的农作物种质资源登记网络的运行，具有3个方面的优势：1）数据分布式存储，系统稳定性高。2）数据准确，由于数据的审核必须确保所有的审核专家达成上链共识后才能上链，可以让各方都参与数据维护，用户活跃度、积极度高。3）保存数据难篡改、易追溯。其应用非对称加密算法对原始信息进行加密、形成电子签名，可有效确保数据安全可信。这些优势使得区块链不仅可以在农作物种质资源登记中得到应用，也可以拓展到种质库管理其他场景。比如，种质资源的贮藏管理中，从种质资源的入库开始、到信息登记、到发芽检测、生活力跟踪检测，再到分发利用，都可以进行上链处理。通过将区块链技术和其密码学原理应用到种子管理上，除可以达到科研及商业种子防伪、防窜货的目的外，还可以记录下种子从育种家手里到结出丰硕果实再到人们餐桌上的详细真实过程。

2  运用RFID技术，提高出入库效率

种质资源的进、出库及其信息登记是种质库日常管理工作中的一项重要工作内容。当中信息包括种子的库贮藏编号编码、贮藏位置、贮藏时间、质量、数量，以及保存单位编号、种质名称、科名、属名、种名、繁种地点等，这需要耗费相关工作人员的大量时间。而且，由于种子出入库的环节较多，涉及的业务人员也随之增加，如果票据由手工进行填写，稍不注意，就容易出现错误，给科研管理带来风险。虽可以利用条形码、二维码进行操作，在一定程度上提高效率，但条形码、二维码存在储存信息容量不足、编码污渍或损坏时无法读取、读取速度慢、不利于批量操作、也无法多次记录的缺点。如果适当运用RFID技术，则可以有效改善这些问题。

RFID技术，即无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification）是一种非接触的技术，其具有条形码及二维码不具备的优点：防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息可更改等，而且是可以实现多个目标自动识别的技术[6]。RFID系统主要由3个部分组成：1）射频卡，即电子标签，由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。2）阅读器，也叫读写器，用来读取电子标签信息。3）计算机：进行数据管理。根据其特点，可以设计其在种子出入库的基本模型[7]，如图2所示。

在基于RFID的种质资源出入库管理平台中，每一份种质资源都将被赋予唯一的一个RFID标签，RFID标签作为每一份种质资源的“身份證”，与贮藏编号一一对应，将种质资源的详细信息记录在内。由于其具有读取距离大、免接触的特点，在每次出入库过程中，无需操作人员逐一进行扫描或者登记，只要将相应的种质资源放置或靠近阅读器，即可读出相应信息。并且，可以多次重复编辑。出入库系统如果与溯源系统相结合，则可减少权属不清、知识产权纠纷等情况。基于RFID种质资源出入库管理平台可采用B/S结构，将数据统一储存于数据中心服务器中。B/S结构下，可根据各个作物种质资源的不同特点，建设数据库平台，以动态的方式自定义生成数据库结构，通过接口程序与检索系统、互联网信息发布系统连接;根据工作需要，可以设置各级权限，在数据RFID电子标签编码、扫描入库后，在任何地方都可以按相应权限进行资源的浏览、分发、预订、审批及修改等工作。系统建立以后，在种子出库、入库方面不用人为地扫描干预，将自动进行数据报警及纪录，为种子安全进一步提供安全保证[8]。

结合RFID技术特点，每批种子进入种质库后，无论是核对验收及去重复、编号入库、水分检测、生活力分析、分发利用的各个处理环节中，工作人员都可以批量将信息进行记录，写入相应标签。标签可以批量读取，多次进行编辑，并且可以动态管理，为工作人员节约大量时间。

3  活用物联网技术，实现设备智能化管理

物联网技术是在计算机互联网基础上利用射频识别（RFID）技术、无线通信技术，红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网络[9]。运用物联网技术，在设备管理层面，将种质库各个低温干燥室的温湿度传感器、烟雾传感器、设备报警装置等进行网络化联接，与种质库集中控制、监控、报警等系统相结合，可以实现设备的智能化管理。经过拓展，可与种质资源信息化管理、楼宇监控等系统互联互通。通过物联网的集成处理，可实现每个库房参数集中、实时显示，并可自动记录历史数据，历史数据的存储时长可根据实际需求进行设置。通过数据云上处理，相关科研人员可以便捷查询各自储藏作物的储藏参数，分析作物在特定参数下的生活力变化情况。通过物联网系统，也可实现监控室外远程控制机组的运行、实时监测并显示冷库温湿度和制冷除湿设备的运行工况。

根据物联网的特点，种质库物联网管理平台可分为4个层面，其基本模型如图3所示。1）感知层，由各个低温干燥库的温湿度传感器、送风温度传感器、设备油温传感器、种子RFID标签、烟雾探测装置、高清摄像头等组成，及时感知各种动态数据。2）传输层，由数/模转换接口，各种信号变送器、网关、路由器等组成，进行信号传输。3）处理层，系统根据传感器上传的各种信息进行相应处理，可预设各种参数，如温度到达某个上限值，则发送驱动指令，开启相应制冷机组，相应的风门执行器、变频调速装置动作，自动投入运转。4）应用层，通过分析系统中运行参数，管理人员、科研人员可构建相应数学模型，分析贮藏湿度、环境湿度、环境气体成分、干燥条件、包装容器等因素，更加精确探索种子生活力存活特性、种子生活力监测预警，科学安排发芽检测、繁种更新计划等。

通过物联网技术的应用，种质库管理人员可以远程、实时、精确地获得设备的实时数据，如低温干燥库的送风温度、化霜温度，库内外的温度、湿度参数等。通过预设程序，可以及时察觉设备的异常情况，并推送预警信息，确保设备的安全运行。如当某台设备制冷时间偏长、送风温度偏低、化霜时间偏长、化霜时蒸发器温度过高时，通过程序换算，几项数值之和超过阈值，可以马上进行预警信息推送，提出如补充制冷剂、更换润滑油、清理冷凝器肋板等建议。通过物联网的数据分析，也可以定期得出设备运行周报、月报总结，统计每个低温干燥库的温度变化曲线、开停机时间比、设备能耗数据，乃至每段时间的人员进出库工作时间、取样频次。某个作物的分发利用次数、库存量的科、属、种之间的变化，为各作物育种科研人员提供分析研究数据。

4  搭建虚拟电子围栏，保证战略资源安全

随着经济社会的发展，环境的变化，种质资源的保护正变得越来越重要，“一粒种子可以影响一个民族”，对于一些特殊利用价值的、或有巨大利用潜力的“基因源”“核心种质”、创新种质等，如果被不法人员利用，会导致严重的后果。所以对于这些资源，应该要进行特别的贮藏。

电子围栏是一种周界防盗报警系统，系统主要由电子围栏主机、前端配件、后端控制系统3个部分组成。其一般框架是将电子围栏主机沿着边界（如围墙）安装，传输设备通过脉冲信号将报警信号传至后端控制中心的控制装置上，显示防区工作状态，并远程对外部脉冲主机进行布撤防控制等操作。

在核心种质资源管理中，可以设计基于RFID的种质库电子围栏系统，包括其由RFID电子标签、读写器、控制器、警戒装置等组成;控制器分别与RFID读写器和警戒装置连接;RFID电子标签设置在核心种质的一次性特种包装上，并储存有对应的信息;读写器设置在种质库内的权限区域中;读写器的读写范围与权限区域的范围匹配;当RFID电子标签位于读写范围内时读写器为静默模式;当有人需要取种或分发时，需提前发送指令，解除警戒，否则要种质资源管理人员发送警报信号，提醒进行处置。核心种质库电子围栏架构如图4所示。

当送存人将重要种质资源送至种质库时，工作人员先把其信息写入电子标签，并将电子标签封装至特制包装中，然后放置到指定位置，此时，电子标签、种质管理系统、电子围栏地标相互验证签名，签名验证通过，即确认入库对应信息。正常存储情况下，系统为静默模型。如有异常情况，如未经授权下，私自拆封、移动种质资源，马上进行报警信息推送，现场也同时进行声光报警。提醒工作人员、育种人员进行处理。此方法可有效提高种质资源保存的安全系数，避免出现纠纷。

5  总结

伴随着技术的不断迭代更新，区块链、物联网、RFID、电子围栏等技术的应用场景正在不断丰富。近年来，特别是国务院办公厅关于加强农业种质资源保护与利用的意见（国办发〔2019〕56号）的实施，全国各地也掀起了种质库的建设高潮。种质库建设在确保安全、环保的前提下，做好智能化、信息化、平台化，可以帮助科研人员掌握更多、更真实的原始数据;通过区块链、RFID、物联网、电子围栏等技术在种质资源管理中的应用，可以让种质库的管理更加安全有序。在确保安全的情况下，通过各种数据的汇集、处理，让相关科研人员能够实时、准确地了解更多信息，同时，通过对相应信息处理，可以更科学地作出决策。

参考文献：

[1]   刘旭，李立会，黎裕，等.作物种质资源研究回顾与发展趋势[J].农学学报，2018，8（1）：1-6.

[2]   卢新雄，辛霞，刘旭.作物种质资源安全保存原理与技术[M].北京：科学出版社，2020.

[3]   卢新雄.植物种质资源库的设计与建设要求[J].植物学通报，2006（1）：119-125.

[4]   刘海洋，曹永生，方沩，等.区块链技术在种业大数据中的应用[J].中国种业，2019（5）：22-27.

[5]   刘海洋，曹永生，陈彦清，等.农作物种质资源登记区块链模型研究[J].植物遗传资源学报，2021，22（1）：28-37.

[6]   陈一天.基于WLAN+RFID的智能仓储应用研究[J].机电工程技术，2005（6）：35-37，97.

[7]   赵金燕，陶琳丽，高士争，等.基于RFID技术的动物食品安全可溯源系统研究[J].云南农业大学学报，2008（4）：528-531.

[8]   孟未来，吴禹，路明祥，等.RFID技术在种质基因库中的应用[J].農业网络信息，2010（11）：152-154.

[9]   王晓静，张晋.物联网研究综述[J].辽宁大学学报，2010，37（1）：37-39.

（责任编辑：敬廷桃）

收稿日期：2021-12-11

基金项目：广西农业科学院基本业务费项目“种质库运行参数在线监测与报警系统研究及应用”（桂农科2020YM20）。

作者简介：覃欣广（1987—），男，广西平南人，本科，农艺师，从事作物种质资源安全保存技术研究。

E-mail：634010666@qq.com;qinxinguang@gxaas.net。