基于物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)

趙璐瑩++任振輝++王娟

摘要：針對有機(jī)蔬菜質(zhì)量安全問題，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)，完成了對系統(tǒng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的設(shè)計。其中，感知層利用RFID、傳感器、GPS、二維碼等技術(shù)實現(xiàn)對有機(jī)蔬菜溯源鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層利用ZigBee、GPRS、Internet等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的接入、傳輸、通信；應(yīng)用層實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。創(chuàng)建以B/S結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的有機(jī)蔬菜溯源信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)有機(jī)蔬菜的追蹤和溯源，推動消費者、政府部門、企業(yè)分別行使知情權(quán)、監(jiān)管權(quán)、管理權(quán)。

關(guān)鍵詞：溯源；無線傳感器；RFID；GPRS；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號： TP391.44；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0427-03

收稿日期：2015-07-08

基金項目：保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計劃（編號：14ZG006）；河北省教育廳研究課題（編號：Z2012141）。

作者簡介：趙璐瑩（1991—），女，河北保定人，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制技術(shù)研究。E-mail：535320919@qq.com。

通信作者：任振輝，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能檢測與控制技術(shù)研究。E-mail：renzh@hebau.edu.cn。中國是蔬菜生產(chǎn)大國和消費大國。隨著人民生活水平的提高，蔬菜質(zhì)量安全問題越來越引起人們的重視，有機(jī)蔬菜的發(fā)展適應(yīng)了人們的消費需求。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展推動了食品質(zhì)量安全的溯源。

成都市作為全國首批實施“肉類蔬菜流通追溯體系”的試點城市之一，利用IC卡技術(shù)對蔬菜質(zhì)量安全進(jìn)行溯源；上海市開發(fā)了“食用農(nóng)副產(chǎn)品全程監(jiān)控信息平臺”，為消費者對農(nóng)副產(chǎn)品、農(nóng)場及養(yǎng)殖場、屠宰、加工等生產(chǎn)源頭信息的查詢提供了渠道；北京市建立了“食用農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)簽管理信息系統(tǒng)”，將蔬菜生產(chǎn)基地、品種、采摘時間、商標(biāo)、認(rèn)定編號等信息匯總至標(biāo)簽信息碼，推動了蔬菜質(zhì)量安全溯源建設(shè)[1]。本研究在“農(nóng)超對接”模式下，從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個層面對有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)進(jìn)行了研究，開發(fā)出有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)信息平臺。該系統(tǒng)有利于種植基地管理員對有機(jī)蔬菜的生長環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測調(diào)控，方便消費者查詢所購有機(jī)蔬菜從種植到銷售各環(huán)節(jié)的信息，實現(xiàn)消費者、政府、企業(yè)對有機(jī)蔬菜的追蹤和溯源。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個層次構(gòu)成（圖1）。感知層采用無線傳感器、RFID、GPS、二維碼等技術(shù)，負(fù)責(zé)有機(jī)蔬菜溯源鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層采用ZigBee、GPRS、Internet等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，負(fù)責(zé)信息的接入、傳輸、通信；應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理和控制感知數(shù)據(jù)，包括對數(shù)據(jù)庫和有機(jī)蔬菜溯源信息服務(wù)平臺的管理[2-3]。

2感知層設(shè)計

2.1種植基地數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)

種植基地數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)主要涉及傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、供電模塊3個部分（圖2）[4]。傳感器模塊負(fù)責(zé)田間信息采集；數(shù)據(jù)處理模塊以CC2530芯片為核心處理器，負(fù)責(zé)存儲和處理數(shù)據(jù)；供電模塊采用太陽能供電方式，對無線傳感器節(jié)點進(jìn)行供電。

2.1.1傳感器模塊本系統(tǒng)采用空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器對種植基地的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測采集，自動記錄并上傳至上位機(jī)，以便種植基地管理員對有機(jī)蔬菜進(jìn)行管理，生產(chǎn)出高質(zhì)量的有機(jī)蔬菜，為有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)提供可靠的源頭信息。

2.1.2數(shù)據(jù)處理模塊本設(shè)計中數(shù)據(jù)處理模塊采用CC2530芯片實現(xiàn)。該芯片支持IEEE 802.15.4協(xié)議和ZigBee協(xié)議，集成了優(yōu)秀的RF收發(fā)器和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核，并且支持一般的低功耗無線通信。由于運行模式之間轉(zhuǎn)換時間短，從而減少了能源消耗。CC2530芯片通過I/O口與數(shù)據(jù)采集模塊、串口芯片相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、存儲、處理[5-6]。

2.1.3太陽能供電模塊太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組、充電控制器、超級電容器、防倒充二極管組成（圖2），實現(xiàn)對傳感器節(jié)點模塊的供電，擺脫了對農(nóng)村配電網(wǎng)的依賴，低碳環(huán)保。

2.2基于RFID技術(shù)的流通環(huán)節(jié)

2.2.1RFID系統(tǒng)模塊RFID射頻識別技術(shù)是一種非接觸式的數(shù)據(jù)雙向通信技術(shù)，具有自動識別功能，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。本系統(tǒng)采用超高頻RFID，主要由電子標(biāo)簽、讀寫器、控制裝置3個部分組成（圖3）[7-9]。電子標(biāo)簽和讀寫器均以CC2530芯片為核心，并與CC2591芯片相結(jié)合，增加了射頻距離，提高了設(shè)備的接收靈敏度（圖4）。其中，CC2530芯片的引腳P0-7、P1-1、P1-4分別連接CC2591芯片的引腳HGM、PAEN、EN，從而控制CC2591芯片的射頻收發(fā)功能。

2.2.2RFID技術(shù)在流通環(huán)節(jié)中的實現(xiàn)過程該環(huán)節(jié)主要利用RFID技術(shù)，通過讀寫器讀取電子標(biāo)簽，并結(jié)合GPS全球定位系統(tǒng)，對生產(chǎn)、運輸、倉儲、銷售等各流通環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動上傳至物聯(lián)網(wǎng)[10-11]。在有機(jī)蔬菜進(jìn)入超市賣場之前，相關(guān)工作人員須將電子標(biāo)簽生成相應(yīng)二維碼，貼到每個有機(jī)蔬菜上，以便消費者查詢種植和流通過程中有機(jī)蔬菜的相關(guān)信息，從而實現(xiàn)有機(jī)蔬菜的溯源，保證有機(jī)蔬菜的質(zhì)量安全。

3網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層別稱網(wǎng)絡(luò)傳輸層，是感知層和應(yīng)用層之間的橋梁，以無線傳輸與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為承載，實現(xiàn)有機(jī)蔬菜溯源信息的

無線傳輸。本設(shè)計采用ZigBee、GPRS技術(shù)，主要負(fù)責(zé)傳輸和處理來自感知層的溯源信息，實現(xiàn)有機(jī)蔬菜的溯源和數(shù)據(jù)共享（圖5）。其中，Zigbee技術(shù)應(yīng)用于種植基地環(huán)節(jié)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，GPRS技術(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸[12]。

4應(yīng)用層設(shè)計

4.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計

目前，主流的關(guān)系數(shù)據(jù)庫有SQL Sever數(shù)據(jù)庫與Oracle數(shù)據(jù)庫。與Oracle數(shù)據(jù)庫相比，SQL Sever數(shù)據(jù)庫含有自主SQL語言，與Internet高度集成，具有較好的兼容性。本系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)[13]是基于.NET框架中的用于數(shù)據(jù)庫訪問的組件。其主要特點是具有斷開式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可與XML緊密集成，能夠組合來自多個不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，具有與數(shù)據(jù)庫交互并優(yōu)化的功能。本系統(tǒng)采用ADO.NET提供的2個核心組件：Adapter和.NET 數(shù)據(jù)提供程序來訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫。對應(yīng)的部分C#程序代碼如下：

//使用ADO.NET管理數(shù)據(jù)

DbSql _db=new DbSql（）；

//依編碼規(guī)則生成有機(jī)蔬菜編碼

//創(chuàng)建Command對象，并嵌入SQL查詢

string strsql=“ select* from YieldInfo where ProduceID=@ pProduceID”；

SqlCommand sqlcomm=new SqlCommand（strsq，l _db. DbS-qlConn（））；

SqlParameterProduceID=new SqlParameter（）；

ProduceID. ParameterName=“@ pProduceID”；

ProduceID. SqlDbType=SqlDbType.Char；

ProduceID.Value=TBCode.Text.Trim（）；

sqlcomm. Parameters.Add（ProduceID）；

//利用Adapter對象建立數(shù)據(jù)庫連接

SqlDataAdapter da=new SqlDataAdapter（sqlcomm）；

DataSetds=new DataSet（）；

DataTable datatable=new DataTable（）；

da.Fill（ds，“datatable”）；

if （ds.Tables[“datatable”].Rows.Count > 0）

{

Response.Write（ “ < script language=javascript> alert

（cThis code already existed！c）；”）；

}

4.2系統(tǒng)信息管理平臺

該平臺由有機(jī)蔬菜追溯查詢、企業(yè)基本信息、政府監(jiān)管、有機(jī)蔬菜生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)、幫助中心組成[14]。有機(jī)蔬菜追溯查詢：種植基地管理子系統(tǒng)、加工管理子系統(tǒng)、運輸管理子系統(tǒng)、超市管理子系統(tǒng)、銷售管理子系統(tǒng)、綜合查詢子系統(tǒng)。企業(yè)基本信息：種植企業(yè)信息、加工企業(yè)信息、運輸企業(yè)信息、超市信息。政府監(jiān)管：認(rèn)證信息、監(jiān)管信息。有機(jī)蔬菜生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)：生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、投入品信息、動態(tài)信息、相關(guān)法律法規(guī)。幫助中心：在線咨詢、在線反饋、聯(lián)系我們。

4.3系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，用戶瀏覽端通過訪問Web服務(wù)器，與有機(jī)蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)控溯源體系交互，為各角色用戶提供與有機(jī)蔬菜相關(guān)的信息服務(wù)[15]。消費者進(jìn)入有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)信息平臺后，無須注冊登錄，直接輸入有機(jī)蔬菜溯源碼即可對有機(jī)蔬菜的追溯信息進(jìn)行查詢（圖6）。

5結(jié)論

本系統(tǒng)以計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)，并在以下3個方面展開研究：感知層利用傳感器、RFID、GPS、二維碼等技術(shù)，完成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的信息采集；網(wǎng)絡(luò)層采用通信技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從感知層到應(yīng)用層的傳輸；應(yīng)用層設(shè)計出以B/S結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的有機(jī)蔬菜溯源系統(tǒng)信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)了有機(jī)蔬菜的追蹤和溯源。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴克鋒. 基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)研究[D]. 長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2013.

[2]張世龍，沈玉利. 基于物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)茶安全產(chǎn)銷體系研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（2）：82-86.

[3]Regattieri A，Gamberi M，Manzini R. Traceability of food products：general framework and experimental evidence[J]. Journal of Food Engineering，2007，81（2）：347-356.

[4]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（3）：179-181.

[5]高立艾，劉少博，唐娟. 基于ZigBee和GPRS的溫室環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（4）：168-170.

[6]許東，操文元，孫茜. 基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J]. 計算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）：17-20，24.

[7]何洪喜.RFID系統(tǒng)射頻電路優(yōu)化設(shè)計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.[14]van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.

[15]徐紹輝，張佳寶，劉建立，等. 表征土壤水分持留曲線的幾種模型的適應(yīng)性研究[J]. 土壤學(xué)報，2002，39（4）：498-504.

[16]Simfinek J，van Genuchten M，Sejna M. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water，heat，and multiple solutes in variably-saturated media[R]. University of California，2005.

[17]Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media[J]. Water Resources Research，1976，12（3）：513-522.

[18]雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[19]畢經(jīng)偉，張佳寶，陳效民，等. 應(yīng)用HYDRUS-1D模型模擬農(nóng)田土壤水滲漏及硝態(tài)氮淋失特征[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2004，20（2）：28-32.

[20]湯英，徐利崗，張紅玲，等. HYDRUS-1D/2D在土壤水分入滲過程模擬中的應(yīng)用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（36）：22390-22393.

[21]張光輝，邵明安. 用土壤物理特性推求Green-Ampt入滲模型中吸力參數(shù)Sf[J]. 土壤學(xué)報，2000（4）：553-557.

[22]許建武. 尿素表施條件下畦灌水氮運動模擬[D]. 南京：河海大學(xué)，2012.

[23]馮錦萍，樊貴盛. 土壤入滲參數(shù)的線性傳輸函數(shù)研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2014（9）：8-11，22.

[24]聶衛(wèi)波，費良軍，馬孝義. 區(qū)域尺度土壤入滲參數(shù)空間變異性規(guī)律研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42（7）：102-108.曹洪武，周保平，姚江河. 基于PSO和視覺顯著性的棉花圖像分割算法[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（2）：430-433.