四種技術在種質庫中的應用場景及特性分析

摘 要 分別對區塊鏈、RFID、物聯網、電子圍欄等四種技術在種質庫中的應用場景及其技術特性進行分析。結合種質庫的應用場景，探討區塊鏈、RFID、物聯網、電子圍欄等4種技術與種質庫運行管理相結合的模式，為提高種質庫的信息化、智能化、平臺化管理水平提供新思路。

關鍵詞 種質庫;區塊鏈;RFID;物聯網;電子圍欄

中圖分類號：S32;R857.3 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.07.061

作物種質資源是農業科技原始創新、現代種業持續發展的物質基礎，是保障國家糧食安全、生態安全和能源安全的戰略性資源[1]。種質資源的保護工作，正隨著經濟社會的發展以及環境的變化，變得越來越重要。據（FAO，2010）全球收集保存了740萬余份栽培植物種質資源，其中90%以種子方式貯藏在1 750座種質庫中[2]。種質庫不僅是安全保存作物種質資源的載體，也是安全健康貯藏作物種子、中間育種材料、區域試驗材料的重要設施;種質庫除為廣大科研育種人員提供安全健康的種子外，還為種子的生活力檢測、安全保存技術的研究提供豐富的研究數據。對于種質庫的建設，盧新雄提出要遵循安全性、可靠性、前瞻性和布局合理實用的總原則;設施整體設計與建設應符合安全性、可靠性和先進性要求[3]。為更好地建設安全、可靠的種質庫，適應“打贏種業翻身仗”新形勢下的新要求;為科研育種提供安全健康的種子同時，也為研究人員提供更精準的原始數據和更好的科研服務，本文結合區塊鏈、RFID、物聯網、電子圍欄等4種技術的特點，分析4種技術在種質庫中的應用場景，探討其與種質庫建設、管理相結合的途徑，希望為種質庫管理人員提供一點新思路。

1 ?建設基于區塊鏈的種質資登記管理平臺

區塊鏈數據結構、P2P組網方式、廣播機制是構成區塊鏈技術體系的三大核心要素，這3部分要素可以實現區塊鏈網絡的去中心化、節點平等化及數據可追溯、難篡改的特點[4]。區塊鏈技術與種子管理相結合，可以達到科研種質資源及商業種子防套牌、防假冒、防侵權的目的;由于其具有數據易追溯、難篡改的特點，既可為種質資源出入庫登記、分發利用進行上鏈記錄，也可為種子研發階段技術性保密，防止知識產權被竊取。

中國農業科學院劉海洋團隊根據農作物種質資源登記中數據提交、數據審核、數據共享的相應工作流程及業務特點，結合區塊鏈網絡的運行機制，設計了農作物種質資源登記網絡模型及對應的工作流模型、數據模型。分析基于區塊鏈技術下，農作物種質資源登記從節點登錄開始，到填寫登記的種質信息，再到知識產權審核、達成共識，讓登記種質信息最終上鏈的應用形式。其區塊鏈網絡模型大致技術路徑如下。

在農作物種質資源登記區塊鏈網絡中，將參與數據流通的網絡節點分為2種類型：R類型節點和N類型節點。其中R類節點的集合作為網絡的數據提供節點群，N類型節點的集合作為網絡的數據需求節點群。根據農作物種質資源登記工作中實際參與的登記主體，將用戶劃分為5類節點：1）節點1：農作物種質資源數據需求節點（為N類型節點）。2）節點2：農作物種質資源數據登記節點（為R類型節點）。3）節點3：農業農村部數據節點。4）節點4：國家種質信息中心節點。5）節點5：各作物的專家節點。此5類節點共同構成了系統的節點群。其中，節點3（農業農村部）、節點4（國家種質信息中心）、節點5（各作物專家）這3類節點是信息上鏈的審核節點，如圖1所示。

在區塊鏈登記的共識機制中，審核節點分別根據“字段填寫數量”“符合數據規范標準程度”“符合政策程度”“親本準確度”“性狀監測準確度”“科屬種信息準確度”“是否取得植物新品種權”等項目設置評價指標。當中，指標分別對應不同評價權重。在評價過程中，這3類節點對于數據審核權限可以是平等的，也可以賦予不一樣的審核系數。但只有3個節點同時達成共識之后才能進行種質資源登記數據的上鏈操作。以節點X為例，從系統提交數據進行廣播開始，3類審核節點收到廣播進行審核，根據不同的審核權重、指標進行評價，如果針對節點X登記的種質資源數據上鏈評價分數為89.5，而設置的閾值85，89.5>85，即代表形成共識，則X節點登記的農作物種質資源信息可以上鏈。從而形成一個區塊，開始下一輪共識[5]。在實際應用中，根據不同的需求增減節點，可以賦予不同的權重、算法，有效提高種質資源的安全管理系數。

基于區塊鏈的農作物種質資源登記網絡的運行，具有3個方面的優勢：1）數據分布式存儲，系統穩定性高。2）數據準確，由于數據的審核必須確保所有的審核專家達成上鏈共識后才能上鏈，可以讓各方都參與數據維護，用戶活躍度、積極度高。3）保存數據難篡改、易追溯。其應用非對稱加密算法對原始信息進行加密、形成電子簽名，可有效確保數據安全可信。這些優勢使得區塊鏈不僅可以在農作物種質資源登記中得到應用，也可以拓展到種質庫管理其他場景。比如，種質資源的貯藏管理中，從種質資源的入庫開始、到信息登記、到發芽檢測、生活力跟蹤檢測，再到分發利用，都可以進行上鏈處理。通過將區塊鏈技術和其密碼學原理應用到種子管理上，除可以達到科研及商業種子防偽、防竄貨的目的外，還可以記錄下種子從育種家手里到結出豐碩果實再到人們餐桌上的詳細真實過程。

2 ?運用RFID技術，提高出入庫效率

種質資源的進、出庫及其信息登記是種質庫日常管理工作中的一項重要工作內容。當中信息包括種子的庫貯藏編號編碼、貯藏位置、貯藏時間、質量、數量，以及保存單位編號、種質名稱、科名、屬名、種名、繁種地點等，這需要耗費相關工作人員的大量時間。而且，由于種子出入庫的環節較多，涉及的業務人員也隨之增加，如果票據由手工進行填寫，稍不注意，就容易出現錯誤，給科研管理帶來風險。雖可以利用條形碼、二維碼進行操作，在一定程度上提高效率，但條形碼、二維碼存在儲存信息容量不足、編碼污漬或損壞時無法讀取、讀取速度慢、不利于批量操作、也無法多次記錄的缺點。如果適當運用RFID技術，則可以有效改善這些問題。

RFID技術，即無線射頻識別即射頻識別技術（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的技術，其具有條形碼及二維碼不具備的優點：防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息可更改等，而且是可以實現多個目標自動識別的技術[6]。RFID系統主要由3個部分組成：1）射頻卡，即電子標簽，由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信。2）閱讀器，也叫讀寫器，用來讀取電子標簽信息。3）計算機：進行數據管理。根據其特點，可以設計其在種子出入庫的基本模型[7]，如圖2所示。

在基于RFID的種質資源出入庫管理平臺中，每一份種質資源都將被賦予唯一的一個RFID標簽，RFID標簽作為每一份種質資源的“身份證”，與貯藏編號一一對應，將種質資源的詳細信息記錄在內。由于其具有讀取距離大、免接觸的特點，在每次出入庫過程中，無需操作人員逐一進行掃描或者登記，只要將相應的種質資源放置或靠近閱讀器，即可讀出相應信息。并且，可以多次重復編輯。出入庫系統如果與溯源系統相結合，則可減少權屬不清、知識產權糾紛等情況?；赗FID種質資源出入庫管理平臺可采用B/S結構，將數據統一儲存于數據中心服務器中。B/S結構下，可根據各個作物種質資源的不同特點，建設數據庫平臺，以動態的方式自定義生成數據庫結構，通過接口程序與檢索系統、互聯網信息發布系統連接;根據工作需要，可以設置各級權限，在數據RFID電子標簽編碼、掃描入庫后，在任何地方都可以按相應權限進行資源的瀏覽、分發、預訂、審批及修改等工作。系統建立以后，在種子出庫、入庫方面不用人為地掃描干預，將自動進行數據報警及紀錄，為種子安全進一步提供安全保證[8]。

結合RFID技術特點，每批種子進入種質庫后，無論是核對驗收及去重復、編號入庫、水分檢測、生活力分析、分發利用的各個處理環節中，工作人員都可以批量將信息進行記錄，寫入相應標簽。標簽可以批量讀取，多次進行編輯，并且可以動態管理，為工作人員節約大量時間。

3 ?活用物聯網技術，實現設備智能化管理

物聯網技術是在計算機互聯網基礎上利用射頻識別（RFID）技術、無線通信技術，紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理的一種網絡[9]。運用物聯網技術，在設備管理層面，將種質庫各個低溫干燥室的溫濕度傳感器、煙霧傳感器、設備報警裝置等進行網絡化聯接，與種質庫集中控制、監控、報警等系統相結合，可以實現設備的智能化管理。經過拓展，可與種質資源信息化管理、樓宇監控等系統互聯互通。通過物聯網的集成處理，可實現每個庫房參數集中、實時顯示，并可自動記錄歷史數據，歷史數據的存儲時長可根據實際需求進行設置。通過數據云上處理，相關科研人員可以便捷查詢各自儲藏作物的儲藏參數，分析作物在特定參數下的生活力變化情況。通過物聯網系統，也可實現監控室外遠程控制機組的運行、實時監測并顯示冷庫溫濕度和制冷除濕設備的運行工況。

根據物聯網的特點，種質庫物聯網管理平臺可分為4個層面，其基本模型如圖3所示。1）感知層，由各個低溫干燥庫的溫濕度傳感器、送風溫度傳感器、設備油溫傳感器、種子RFID標簽、煙霧探測裝置、高清攝像頭等組成，及時感知各種動態數據。2）傳輸層，由數/模轉換接口，各種信號變送器、網關、路由器等組成，進行信號傳輸。3）處理層，系統根據傳感器上傳的各種信息進行相應處理，可預設各種參數，如溫度到達某個上限值，則發送驅動指令，開啟相應制冷機組，相應的風門執行器、變頻調速裝置動作，自動投入運轉。4）應用層，通過分析系統中運行參數，管理人員、科研人員可構建相應數學模型，分析貯藏濕度、環境濕度、環境氣體成分、干燥條件、包裝容器等因素，更加精確探索種子生活力存活特性、種子生活力監測預警，科學安排發芽檢測、繁種更新計劃等。

通過物聯網技術的應用，種質庫管理人員可以遠程、實時、精確地獲得設備的實時數據，如低溫干燥庫的送風溫度、化霜溫度，庫內外的溫度、濕度參數等。通過預設程序，可以及時察覺設備的異常情況，并推送預警信息，確保設備的安全運行。如當某臺設備制冷時間偏長、送風溫度偏低、化霜時間偏長、化霜時蒸發器溫度過高時，通過程序換算，幾項數值之和超過閾值，可以馬上進行預警信息推送，提出如補充制冷劑、更換潤滑油、清理冷凝器肋板等建議。通過物聯網的數據分析，也可以定期得出設備運行周報、月報總結，統計每個低溫干燥庫的溫度變化曲線、開停機時間比、設備能耗數據，乃至每段時間的人員進出庫工作時間、取樣頻次。某個作物的分發利用次數、庫存量的科、屬、種之間的變化，為各作物育種科研人員提供分析研究數據。

4 ?搭建虛擬電子圍欄，保證戰略資源安全

隨著經濟社會的發展，環境的變化，種質資源的保護正變得越來越重要，“一粒種子可以影響一個民族”，對于一些特殊利用價值的、或有巨大利用潛力的“基因源”“核心種質”、創新種質等，如果被不法人員利用，會導致嚴重的后果。所以對于這些資源，應該要進行特別的貯藏。

電子圍欄是一種周界防盜報警系統，系統主要由電子圍欄主機、前端配件、后端控制系統3個部分組成。其一般框架是將電子圍欄主機沿著邊界（如圍墻）安裝，傳輸設備通過脈沖信號將報警信號傳至后端控制中心的控制裝置上，顯示防區工作狀態，并遠程對外部脈沖主機進行布撤防控制等操作。

在核心種質資源管理中，可以設計基于RFID的種質庫電子圍欄系統，包括其由RFID電子標簽、讀寫器、控制器、警戒裝置等組成;控制器分別與RFID讀寫器和警戒裝置連接;RFID電子標簽設置在核心種質的一次性特種包裝上，并儲存有對應的信息;讀寫器設置在種質庫內的權限區域中;讀寫器的讀寫范圍與權限區域的范圍匹配;當RFID電子標簽位于讀寫范圍內時讀寫器為靜默模式;當有人需要取種或分發時，需提前發送指令，解除警戒，否則要種質資源管理人員發送警報信號，提醒進行處置。核心種質庫電子圍欄架構如圖4所示。

當送存人將重要種質資源送至種質庫時，工作人員先把其信息寫入電子標簽，并將電子標簽封裝至特制包裝中，然后放置到指定位置，此時，電子標簽、種質管理系統、電子圍欄地標相互驗證簽名，簽名驗證通過，即確認入庫對應信息。正常存儲情況下，系統為靜默模型。如有異常情況，如未經授權下，私自拆封、移動種質資源，馬上進行報警信息推送，現場也同時進行聲光報警。提醒工作人員、育種人員進行處理。此方法可有效提高種質資源保存的安全系數，避免出現糾紛。

5 ?總結

伴隨著技術的不斷迭代更新，區塊鏈、物聯網、RFID、電子圍欄等技術的應用場景正在不斷豐富。近年來，特別是國務院辦公廳關于加強農業種質資源保護與利用的意見（國辦發〔2019〕56號）的實施，全國各地也掀起了種質庫的建設高潮。種質庫建設在確保安全、環保的前提下，做好智能化、信息化、平臺化，可以幫助科研人員掌握更多、更真實的原始數據;通過區塊鏈、RFID、物聯網、電子圍欄等技術在種質資源管理中的應用，可以讓種質庫的管理更加安全有序。在確保安全的情況下，通過各種數據的匯集、處理，讓相關科研人員能夠實時、準確地了解更多信息，同時，通過對相應信息處理，可以更科學地作出決策。

參考文獻：

[1] ? 劉旭，李立會，黎裕，等.作物種質資源研究回顧與發展趨勢[J].農學學報，2018，8（1）：1-6.

[2] ? 盧新雄，辛霞，劉旭.作物種質資源安全保存原理與技術[M].北京：科學出版社，2020.

[3] ? 盧新雄.植物種質資源庫的設計與建設要求[J].植物學通報，2006（1）：119-125.

[4] ? 劉海洋，曹永生，方溈，等.區塊鏈技術在種業大數據中的應用[J].中國種業，2019（5）：22-27.

[5] ? 劉海洋，曹永生，陳彥清，等.農作物種質資源登記區塊鏈模型研究[J].植物遺傳資源學報，2021，22（1）：28-37.

[6] ? 陳一天.基于WLAN+RFID的智能倉儲應用研究[J].機電工程技術，2005（6）：35-37，97.

[7] ? 趙金燕，陶琳麗，高士爭，等.基于RFID技術的動物食品安全可溯源系統研究[J].云南農業大學學報，2008（4）：528-531.

[8] ? 孟未來，吳禹，路明祥，等.RFID技術在種質基因庫中的應用[J].農業網絡信息，2010（11）：152-154.

[9] ? 王曉靜，張晉.物聯網研究綜述[J].遼寧大學學報，2010，37（1）：37-39.

（責任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2021-12-11

基金項目：廣西農業科學院基本業務費項目“種質庫運行參數在線監測與報警系統研究及應用”（桂農科2020YM20）。

作者簡介：覃欣廣（1987—），男，廣西平南人，本科，農藝師，從事作物種質資源安全保存技術研究。

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