茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉小虎 汪興 吳蒙 王靜

摘要 介紹了茶葉物聯(lián)網(wǎng)的意義及其體系構(gòu)架，分析了茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的平臺功能，包括茶葉物聯(lián)網(wǎng)基本功能、門戶管理、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)管理，闡述了茶葉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在茶葉生產(chǎn)環(huán)境信息監(jiān)測與調(diào)控、安全追溯中的應(yīng)用情況；指出了茶葉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在的困難；總結(jié)出茶葉物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 茶葉物聯(lián)網(wǎng)；傳感網(wǎng)絡(luò)；追溯系統(tǒng)

中圖分類號 S126 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05305-04

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有廣闊的發(fā)展前景，對于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要意義[1]。按照國務(wù)院會議精神及《關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》（國發(fā)[2013]7號）要求，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、科技部、教育部、國家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展部際聯(lián)席會議相關(guān)成員單位制定了10個物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項行動計劃，到2015年初步實現(xiàn)部門、行業(yè)、區(qū)域、軍地之間的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相互協(xié)調(diào)，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、信息安全保障、頻譜資源分配等相互協(xié)調(diào)發(fā)展的局面，基本形成各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)展、協(xié)同推進、相互支撐的發(fā)展效應(yīng)。

安徽省是我國的茶葉大省，茶葉品種優(yōu)勢突出，茶葉在各地的物流量較大，茶葉種植與銷售在安徽農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。結(jié)合安徽茶葉大省的省情，從安徽各個茶葉種植園區(qū)出發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合[2]，將傳統(tǒng)茶葉種植銷售流程升級為現(xiàn)代茶葉發(fā)展，更好地將茶葉物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至全國。茶葉質(zhì)量安全保障和茶葉生產(chǎn)環(huán)境的改善，日益受到社會各界的關(guān)注。茶葉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范的總體目標(biāo)是：以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用為驅(qū)動，以市場消費為主導(dǎo)，以茶葉種植、生產(chǎn)、采購、銷售、追溯一體化為目標(biāo)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式和經(jīng)營模式，構(gòu)建新型茶葉產(chǎn)業(yè)服務(wù)商業(yè)模式，構(gòu)建貫穿整個茶葉種植、采購、加工、運輸、電子商務(wù)、銷售等領(lǐng)域的多元投資建設(shè)模式、智能化管理模式、產(chǎn)業(yè)化服務(wù)模式，形成服務(wù)公眾、農(nóng)民受惠、企業(yè)得益的聚合式產(chǎn)業(yè)價值鏈。

1 茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)體系構(gòu)架

茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為一個整體，分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層[3]（圖1）。感知層主要包括環(huán)境參數(shù)傳感器、RFID、條碼和二維碼、視頻采集設(shè)備等；傳輸層包括傳感網(wǎng)、聯(lián)通數(shù)據(jù)專線、電信網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控中心的VPN專網(wǎng)；應(yīng)用層包括物流追蹤、生成加工、溯源查詢等功能，實現(xiàn)與系統(tǒng)用戶的交互。信息的采集主要指從外部系統(tǒng)請求并接收遵循預(yù)先定義好的格式的消息，消息內(nèi)容以文字為主[4]，并可選擇性附帶圖片、實時視頻信息和消息緊急標(biāo)識信息（默認(rèn)為非緊急信息）。

1.1 感知層 感知層包括視頻采集設(shè)備、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設(shè)備、RFID、二維碼掃描設(shè)備等。視頻采集設(shè)備實現(xiàn)前端視頻流的采集和編碼，主要功能是視頻信息的采集、壓縮及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設(shè)備包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度、光照等傳感器以及相關(guān)配套設(shè)備。RFID、二維碼掃描設(shè)備主要實現(xiàn)種植過程、生產(chǎn)過程、倉儲過程、銷售過程的管理以及茶葉的追蹤溯源工作。

1.2 傳輸層 傳輸層主要指視頻流、傳感器采集數(shù)據(jù)、控制信息流傳輸通道，傳輸網(wǎng)絡(luò)包括運營商數(shù)據(jù)專線、運營商網(wǎng)絡(luò)、VPN專網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)以及前端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

1.3 應(yīng)用層 應(yīng)用層主要有系統(tǒng)管理、茶葉種植、生產(chǎn)加工、物流追蹤、門店管理、視頻監(jiān)控、溯源查詢、專家診斷、GAP控制等。系統(tǒng)管理的功能主要有平臺相關(guān)參數(shù)設(shè)置、茶葉生產(chǎn)流程設(shè)置、茶葉、茶園基本信息設(shè)置、用戶管理等；茶葉種植指種植規(guī)劃、種植作業(yè)、防蟲防害與茶葉生長環(huán)境監(jiān)測等；生產(chǎn)加工包括原料管理、加工管理、包裝管理等生產(chǎn)任務(wù)的添加、修改及查詢；物流追蹤包括出入庫管理、倉庫庫存、盤存記錄和運輸記錄的添加、修改和查詢等；門店管理包括銷售信息的添加、修改和查詢功能；視頻監(jiān)控實現(xiàn)對茶園種植、加工過程以及門店銷售的實時監(jiān)控；溯源查詢實現(xiàn)消費者對茶葉生產(chǎn)全流程的查詢；專家診斷實現(xiàn)遠程專家診斷功能；GAP控制指遵循GAP規(guī)范對危害分析與關(guān)鍵質(zhì)量控制節(jié)點（HACCP）生成檢查報表。

2 茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理平臺功能

茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理平臺通過部署茶葉種植遠程監(jiān)控信息化設(shè)施，實現(xiàn)茶葉種植的全過程信息化管理。茶葉精細化種植管理系統(tǒng)基于空氣溫度、空氣濕度、光照強度等環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)種植分析、閾值報警、遠程專家診斷、指揮調(diào)度功能。

2.1 茶葉溯源功能 通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)和歷史統(tǒng)計對茶園種植如病蟲害、采摘、施肥等工作進行提前預(yù)告，以列表導(dǎo)航形式展現(xiàn)，同時企業(yè)對種植各項工作進行統(tǒng)一管理。通過傳感器對茶樹生長環(huán)境進行實時監(jiān)控。茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能主要包括環(huán)境監(jiān)測管理、銷售管理、加工包裝管理、收購管理、茶葉儲存管理等。茶葉追蹤溯源流程見圖2。

2.1.1 茶葉種植。在茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中，茶葉種植展示最近作業(yè)及種植計劃信息，包括作業(yè)茶園、作業(yè)面積、作業(yè)類型、作業(yè)人員、作業(yè)日期，同時顯示該項作業(yè)類型的具體信息，例如，鮮葉采摘類型的信息為鮮葉批次號、鮮葉等級、鮮葉數(shù)量。通過查看種植計劃，根據(jù)種植計劃，安排種植作業(yè)，并對種植作業(yè)的相關(guān)信息進行記錄。通過展現(xiàn)茶園的病蟲害情況，實現(xiàn)農(nóng)藥使用的申請和審批。另外，記錄農(nóng)藥的使用情況，對農(nóng)藥的使用嚴(yán)格把關(guān)。茶葉采收分為采前檢測和茶青采收兩大功能，記錄茶葉檢驗的相關(guān)信息和茶葉采收記錄。

2.1.2 環(huán)境數(shù)據(jù)中心。顯示環(huán)境監(jiān)測各項數(shù)據(jù)，主要包括數(shù)據(jù)查詢、環(huán)境曲線功能，實現(xiàn)對所監(jiān)測茶園信息的環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史信息的統(tǒng)計。通過依次選擇茶園、設(shè)備、開始時間、結(jié)束時間，點擊查詢，可以查看茶園位置的風(fēng)速、雨量、氣溫、土溫、數(shù)字氣壓、輻射、風(fēng)向、土濕、溫度及采集時間。

2.1.3 茶葉加工。技術(shù)員根據(jù)茶葉的分類安排茶葉加工操作，按照工藝要求依次在生產(chǎn)流水線上進行加工，記錄加工的過程和各個環(huán)節(jié)的操作時間、主要工藝和過程。企業(yè)包裝人員把加工的茶葉進行包裝，同時記錄包裝的數(shù)量、品種、重量、包裝時間等信息。記錄茶葉從田間到加工廠的實時數(shù)據(jù)，企業(yè)收購茶葉的成本，精細統(tǒng)計到每戶茶農(nóng)的收購支出。記錄企業(yè)每次收購鮮葉的時間段、收購總重、收購總價、實際付款和欠款信息。

2.1.4 茶葉倉儲管理。根據(jù)錄入門店進貨的數(shù)據(jù)、出入庫記錄和銷售記錄計算出店面庫存量。門店茶葉儲存主要顯示信息包括門店、品名、等級、數(shù)量、入庫時間；倉庫儲存主要顯示信息包括倉庫名稱、入庫批號、儲存類型、品種/品名、數(shù)量、負(fù)責(zé)人、核算時間。

2.1.5 銷售管理。門店銷售員根據(jù)實際情況依次輸入銷售產(chǎn)品、銷售數(shù)量、銷售單價等信息，通過“保存”使銷售信息加入銷售列表。

2.2 門店管理 門店管理展示銷售記錄、門店庫存以及產(chǎn)品展示。

2.2.1 銷售記錄。錄入銷售信息，其中包括品名、等級、數(shù)量、銷售員、備注等信息。單價、門店管理員調(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)容顯示?？們r由單價和和數(shù)量計算得出。查詢銷售記錄，能夠根據(jù)門店、品名、規(guī)格、起始日期、截止日期進行查詢。默認(rèn)為全部銷售信息

2.2.2 門店庫存。錄入門店進貨的數(shù)據(jù)，包括品名、等級、數(shù)量、記錄員等，單價、門店管理員調(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)容顯示。店面庫存量是根據(jù)店面進貨記錄和銷售記錄計算出來，用表格的方式進行顯示。

2.2.3 產(chǎn)品展示。展示企業(yè)的茶葉產(chǎn)品，能夠顯示每一種茶葉產(chǎn)品的詳細信息（圖3）。

2.3 視頻監(jiān)控 使用IE7以上版本的瀏覽器查看視頻，并確保正確安裝視頻監(jiān)控組件。開啟視頻之后，即可查看該通道的監(jiān)控畫面（圖4）。

2.3.1 茶園視頻。圖中顯示“開啟視頻”、“關(guān)閉視頻”按鈕，點擊“開啟視頻”顯示茶園分布的衛(wèi)星圖，作為視頻監(jiān)控的入口界面。顯示茶園的監(jiān)控視頻。

2.3.2 門店視頻。從左側(cè)菜單欄選擇具體的監(jiān)控位置進入專賣店視頻監(jiān)控登錄頁面，登錄后顯示門店的監(jiān)控視頻。

2.4 系統(tǒng)管理 系統(tǒng)管理包括用戶管理、人員管理、產(chǎn)品登記、茶園登記、門店登記、品種登記、農(nóng)藥登記、化肥登記。

2.4.1 用戶管理。根據(jù)業(yè)務(wù)流程設(shè)置各種權(quán)限的用戶。

2.4.2 人員管理。根據(jù)業(yè)務(wù)流程設(shè)置參與茶葉種植、生產(chǎn)等過程的人員信息。

2.4.3 產(chǎn)品登記。根據(jù)業(yè)務(wù)流程設(shè)置各類茶葉產(chǎn)品的相關(guān)信息。

2.4.4 茶園登記。管理員登記自有和合作的茶園信息，按照地理位置、種植品種、所有權(quán)屬等要素對茶園地塊進行劃分并統(tǒng)一編號，登記信息主要包括茶園編號、茶園名稱、茶園地址、茶園面積、負(fù)責(zé)人、田塊數(shù)量、創(chuàng)建時間等。

2.4.5 門店登記。管理員登記茶葉銷售的門店信息，包括門店名稱、門店地址、門店電話、負(fù)責(zé)人信息。

2.4.6 品種登記。管理員維護本單位種植的茶葉品種信息，主要包括種植的茶園、產(chǎn)量、生產(chǎn)環(huán)境、茶樹特點、茶葉特點等，作為茶葉品種的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3 茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

茶葉企業(yè)茶業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)工程主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、質(zhì)量溯源系統(tǒng)和專家支持系統(tǒng)，旨在通過視頻監(jiān)控實現(xiàn)對種植過程、生產(chǎn)過程的管理，通過環(huán)境監(jiān)測實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境的預(yù)警和控制，通過質(zhì)量溯源實現(xiàn)對茶葉從種植到銷售的全流程追溯，茶葉物聯(lián)網(wǎng)工程能夠有效提高茶葉生產(chǎn)的管理水平，進而提高茶葉的質(zhì)量，提升消費者對茶葉品質(zhì)的信任度。工程建成后，茶葉公司及廣大消費者通過現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭采集的視頻信號，用電腦或3G手機，實時觀察茶園現(xiàn)場情況，并且可以通過園區(qū)部署的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測茶園的風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫濕度、土壤溫濕度、氣壓、降雨量。經(jīng)過茶葉生長環(huán)境考察和專家組實地勘察測量，專家支持系統(tǒng)為茶葉種植企業(yè)提供合理的建議。通過質(zhì)量溯源系統(tǒng)，利用RFID、二維碼技術(shù)、電子標(biāo)簽、手持終端和讀卡器來實現(xiàn)種植、采摘、加工、倉儲、物流和銷售各環(huán)節(jié)的有機結(jié)合。茶葉物聯(lián)網(wǎng)工程建成后，茶葉企業(yè)整個茶葉產(chǎn)業(yè)鏈都裝有遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這改變了以前手工記錄所帶來的信息誤差，有利于從源頭上解決產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，讓生產(chǎn)者及時管控產(chǎn)品質(zhì)量，讓消費者及時了解產(chǎn)品信息。該系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可溯源，為產(chǎn)品提供了綠色安全通道。茶葉物聯(lián)網(wǎng)工程的適用范圍還有以下部分：①檢測茶葉種植過程中土壤、水源重金屬含量及茶葉農(nóng)藥殘留情況，確保產(chǎn)品質(zhì)量安全；②遠程監(jiān)控茶園農(nóng)藥施用情況和生長情況，保證產(chǎn)量和質(zhì)量；③實時監(jiān)測茶園土壤溫濕度、光照度等情況，及時處理；④提供茶葉從種植、加工、運輸、存儲、銷售各環(huán)節(jié)質(zhì)量和物流信息，供消費者及廠商查詢。

4 茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在推廣應(yīng)用中存在的問題

茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個實例，仍然存在眾多問題。

4.1 溯源標(biāo)準(zhǔn)問題 茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中需要大量的傳感器監(jiān)測傳輸數(shù)據(jù)，傳感器信息的獲取、數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用、人機交互接口等方面沒有統(tǒng)一的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，商家沒有辦法按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)?；瘧?yīng)用。

4.2 終端問題 茶葉物聯(lián)網(wǎng)終端具有茶葉物聯(lián)網(wǎng)平臺基本功能外還擁有傳感器和網(wǎng)絡(luò)接入等功能，且不同商家不同企業(yè)要求千差萬別，難以滿足終端產(chǎn)品的多樣化需求。終端產(chǎn)品多種多樣，終端成本降不下來，已成為制約茶葉物聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用的重要因素。

4.3 信息安全及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議問題 茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)涉及到多種信息的頻繁采集，其中涉及到數(shù)據(jù)安全問題，包括防范商業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)信息泄露等。在茶葉物聯(lián)網(wǎng)的核心層面是基于TCP/IP協(xié)議的，但在信息接入層面，協(xié)議類別比較多，涵蓋GPRS、手機APP及短信、傳感器、手持終端等多種信息接入通道，茶葉物聯(lián)網(wǎng)需要建立一個統(tǒng)一的協(xié)議棧[5]。

4.4 信息共享問題 茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用推廣是一個涉及面廣泛的系統(tǒng)工程，其中采集的信息很廣泛，需要氣象、環(huán)境等部門和政府、企業(yè)、種茶農(nóng)戶、消費者等進行大量信息的傳遞、共享和分析。茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理平臺在不同的環(huán)節(jié)建立信息采集點，有效整合多類信息及功能是目前需要解決的關(guān)鍵問題之一。

5 結(jié)語

茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與茶葉行業(yè)管理學(xué)科的交叉，涉及到的幾個關(guān)鍵技術(shù)都比較成熟，并分別在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)等多個方面得到了廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到茶葉物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)領(lǐng)域，推動了茶葉管理科技的跨越式發(fā)展，為未來物聯(lián)網(wǎng)科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用開啟新的章程。

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