茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與研究

卓先德（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川瀘州646005）

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茶葉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與研究

卓先德
（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川瀘州646005）

摘要：茶葉是我國(guó)南方重要的經(jīng)濟(jì)作物，為了管理好茶葉質(zhì)量，避免茶葉出現(xiàn)飲用安全問(wèn)題，則不但要嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的監(jiān)管體系、法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要設(shè)計(jì)功能相對(duì)完善的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)形式，包括感知層設(shè)計(jì)、傳輸層與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、應(yīng)用層設(shè)計(jì)，同時(shí)探討了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括茶葉種植中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)，茶葉生產(chǎn)銷售中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)，茶葉溯源查詢中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；茶葉；設(shè)計(jì)；系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)

飲茶可提神解渴、清除有害自由基及抗氧化等，還能陶冶情操，因此我國(guó)的飲茶之風(fēng)長(zhǎng)盛不衰，茶葉生產(chǎn)也具有廣闊的市場(chǎng)前景。茶葉中的礦物元素及有機(jī)成分由多種因素決定，包括種植、加工工藝及運(yùn)輸儲(chǔ)藏條件等，為了使生產(chǎn)出的茶葉具有更高的品質(zhì)及占領(lǐng)更多的市場(chǎng)份額，則應(yīng)注重優(yōu)化從種植到銷售的各個(gè)環(huán)節(jié)，建立起高效產(chǎn)業(yè)鏈[1]。在建立產(chǎn)業(yè)鏈時(shí)可以將物聯(lián)網(wǎng)作為依托，將網(wǎng)絡(luò)與茶葉產(chǎn)品連接起來(lái)，提高茶葉生產(chǎn)與銷售的自動(dòng)化、現(xiàn)代化管理水平。本文分析了茶葉物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)形式，以供參考。

圖1　茶葉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

1　架構(gòu)設(shè)計(jì)分析

為了適應(yīng)茶葉的生產(chǎn)特點(diǎn)，可以采用以下架構(gòu)設(shè)計(jì)形式。

針對(duì)茶葉經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)時(shí)可采用以下方案：（1）無(wú)線傳感簇團(tuán)。無(wú)線傳感簇團(tuán)為感知層。感知層中的設(shè)備包括視頻設(shè)備、條形碼、二維碼、RFID、傳感器。視頻設(shè)備的主要功能包括采集視頻流，同時(shí)對(duì)視頻流進(jìn)行編碼與壓縮處理，以確保視頻可以在網(wǎng)絡(luò)中順利傳輸。條形碼、二維碼及RFID具有追蹤溯源的作用，同時(shí)能管理茶葉種植、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)及銷售環(huán)節(jié)，以全面控制茶葉質(zhì)量。傳感器的主要作用為全面監(jiān)測(cè)茶葉種植環(huán)境，包括監(jiān)測(cè)光照參數(shù)、土壤的酸堿度及溫濕度、空氣濕度及溫度等[2]。（2）遙測(cè)節(jié)點(diǎn)。遙測(cè)節(jié)點(diǎn)主要為傳輸層及數(shù)據(jù)庫(kù)。傳輸層包括3G網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)專線及VPN專網(wǎng)，其主要功能在于傳輸感知層中的控制信息、數(shù)據(jù)及視頻流等。傳輸層與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接通道為VPN專網(wǎng)，在感知層中的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸層傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)之后，數(shù)據(jù)庫(kù)可將各類數(shù)據(jù)或視頻流等劃分為基本信息、溯源信息、視頻信息與環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層與各基站。服務(wù)層主要為應(yīng)用層。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)中的重要構(gòu)成部分，應(yīng)用層中的應(yīng)用子模塊包括GAP控制模塊、門店管理模塊、物流追蹤模塊、生產(chǎn)加工模塊、茶葉種植模塊及溯源查詢模塊等[3]。設(shè)計(jì)應(yīng)用層時(shí)需要將茶葉的市場(chǎng)消費(fèi)情況作為依據(jù)，并盡量確保茶葉的種植環(huán)節(jié)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)、采購(gòu)環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)及追溯環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)一體化，進(jìn)而保證茶葉經(jīng)濟(jì)可以依托物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、智能化發(fā)展。

2　物聯(lián)網(wǎng)功能的分析研究

2.1茶葉種植中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)

利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量茶園中的環(huán)境因素，包括土壤PH值、土壤濕度、光照度及溫濕度等，是保證茶葉正常生長(zhǎng)與提高茶葉品質(zhì)的重要措施。同時(shí)可以利用物聯(lián)網(wǎng)建立茶葉種植信息庫(kù)，利用數(shù)據(jù)信息庫(kù)指導(dǎo)茶葉種植過(guò)程中的噴藥、施肥、灌溉等操作，并設(shè)置一系列信息提醒，包括灌溉信息、病蟲(chóng)害信息、采摘信息等。（1）傳感器是監(jiān)測(cè)種植環(huán)境的主要設(shè)備，可采用抗干擾性能良好的JZH型傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度，JZH型傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的傳輸協(xié)議為2.4G Zigbee協(xié)議，基于該傳輸協(xié)議的傳感器同時(shí)具有采集信息以及傳輸信息的功能，且傳感器具有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，在物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)ID共為67834個(gè)。在JZH型傳感器檢測(cè)到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫濕度情況時(shí)，無(wú)線Zigbee技術(shù)可直接將溫濕度信息上傳到環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度時(shí)選用了ZD型傳感器，該傳感器中安裝了高靈敏度光敏元件，且測(cè)量光照度的區(qū)間較大，在獲得光照數(shù)據(jù)后能夠以多種形式向傳輸層及數(shù)據(jù)庫(kù)上傳信息。ZD型傳感器將光照強(qiáng)度傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)后，應(yīng)用層中的專家診斷模塊可以根據(jù)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)傳感器完成遮光、照明等動(dòng)作，由此補(bǔ)償光照強(qiáng)度，確保茶葉生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。此外，用于監(jiān)測(cè)土壤的傳感器，可在PH值與水分超出茶樹(shù)適宜生長(zhǎng)范圍的情況下，及時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)出預(yù)警信息，管理員能夠根據(jù)預(yù)警信息提前做好灌溉等相關(guān)工作。（2）物聯(lián)網(wǎng)中的施肥系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)。專家診斷模塊可以根據(jù)土壤成分的分析結(jié)果制定科學(xué)化的施肥方案，合理控制配方肥與農(nóng)家肥的施肥量，進(jìn)而改善土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況。此外，可采用300PH型無(wú)線自動(dòng)電磁閥控制灌溉系統(tǒng)。電磁閥可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中茶葉需水量、土壤水分的分析結(jié)果及灌溉程序完成自動(dòng)灌溉，灌溉控制方式為電磁閥的通斷動(dòng)作。應(yīng)用電磁閥不但可以全面灌溉茶園，同時(shí)能有效節(jié)約種植過(guò)程中的灌溉用水。

2.2茶葉生產(chǎn)銷售中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)

可利用物聯(lián)網(wǎng)管理茶葉的分合堆環(huán)節(jié)及包裝環(huán)節(jié)（生產(chǎn)加工）、運(yùn)輸環(huán)節(jié)（物流追蹤）及銷售環(huán)節(jié)（門店管理）。（1）生產(chǎn)加工。分堆指的是按照茶葉等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)分開(kāi)堆放茶青，合堆指的是合并處理等級(jí)相同的茶青。在進(jìn)行分堆時(shí)，可采用手持RFID讀取茶青容器編號(hào)，隨后利用電子秤對(duì)分堆的各等級(jí)茶青進(jìn)行稱重，在稱重后將茶青裝入到其他容器中，隨后利用RFID讀取分堆后茶青容器的編號(hào)。在沒(méi)有執(zhí)行RFID擦除指令之前，手持REID傳入物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)為追加寫入數(shù)據(jù)，RFID編號(hào)與茶青來(lái)源相對(duì)應(yīng)；為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，RFID向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)傳輸子堆編號(hào)、父堆編號(hào)、分堆人員的工作編號(hào)、工藝編號(hào)及時(shí)間信息，在上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，可在子堆與父堆之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在包裝環(huán)節(jié)，可利用物聯(lián)網(wǎng)采集視頻記錄、包裝數(shù)量、包裝日期、包裝品種、包裝重量、包裝時(shí)間及車間等相關(guān)信息；同時(shí)分析田間茶葉、加工廠中茶葉的實(shí)際數(shù)量、茶葉收購(gòu)成本、鮮葉收購(gòu)時(shí)間段、付款及欠款等相關(guān)信息。（2）物流追蹤。保存運(yùn)輸茶葉的濕度與溫度均有特殊要求，在一般情況下應(yīng)采用冷鏈運(yùn)輸方式。如向直營(yíng)店或?qū)Ｙu店供應(yīng)的茶葉數(shù)量較少，則可以利用飛機(jī)空運(yùn)冷藏箱。冷藏箱上帶有RFID標(biāo)簽，在直營(yíng)店、專賣店接收到冷藏箱后，便可以采用閱讀器直接讀取標(biāo)簽中的ID號(hào)，在讀取ID號(hào)之后應(yīng)及時(shí)將其發(fā)送給上位機(jī)。將RFID閱讀器安裝于存儲(chǔ)冷柜的上方，以確保能夠利用RFID閱讀器直接讀取存放區(qū)域內(nèi)的茶葉信息。在讀取溫度信息后，需要及時(shí)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理中心。（3）門店管理。在門店管理工作中可利用物聯(lián)網(wǎng)全面統(tǒng)籌產(chǎn)品展示、門店庫(kù)存及銷售記錄等方面的工作。可以采用系統(tǒng)平臺(tái)展示茶葉產(chǎn)品及產(chǎn)品詳細(xì)信息，門店庫(kù)存管理指的是應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)錄入茶葉單價(jià)、等級(jí)、數(shù)量等方面的信息，保證門店中的管理人員或銷售人員可以及時(shí)利用庫(kù)存信息計(jì)算銷售量，門店中的庫(kù)存信息應(yīng)以表格形式展示。在銷售記錄管理方面，可以采用物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)平臺(tái)管理茶葉銷售數(shù)量、等級(jí)與品名等方面的銷售信息，管理人員與銷售人員可以利用系統(tǒng)平臺(tái)查詢茶葉銷售單價(jià)、銷售起始日期及截止日期等。

2.3茶葉溯源查詢中物聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)

溯源查詢是控制茶葉產(chǎn)品質(zhì)量的有效方法，為了確保物聯(lián)網(wǎng)中的溯源查詢功能可以起到提高茶葉質(zhì)量與品質(zhì)的作用，在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中應(yīng)注意把握好以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。（1）應(yīng)及時(shí)采集全面的溯源信息，溯源信息應(yīng)包括茶樹(shù)栽培信息、茶葉采摘及驗(yàn)收信息、茶葉生產(chǎn)加工與運(yùn)輸信息、茶葉包裝及存儲(chǔ)信息、茶葉銷售信息等，在采集信息時(shí)直接使用手持RFID即可，以保證登錄系統(tǒng)平臺(tái)后可以直接查詢生產(chǎn)信息、加工信息及營(yíng)銷信息等。為了保證溯源信息能夠及時(shí)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)當(dāng)中，則需要借助互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)及有線網(wǎng)，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地條件合理選用連接系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于茶園中的生產(chǎn)信息，則采用3G網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成采集與傳輸工作，對(duì)于茶葉加工信息與包裝信息，則利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)平臺(tái)中。此外，可利用互聯(lián)網(wǎng)上傳茶葉銷售信息。（2）在采集好溯源信息后，可根據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)對(duì)溯源信息進(jìn)行分類編碼，在編碼的過(guò)程中需要參照標(biāo)準(zhǔn)化分類編碼系統(tǒng)，以將茶葉生產(chǎn)場(chǎng)所、人員、機(jī)構(gòu)及設(shè)施等納入到編碼體系當(dāng)中。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求及時(shí)采集生產(chǎn)信息，以確保能夠在溯源查詢中獲得全面的信息。（3）目前常用的溯源標(biāo)志包括二維碼與RFID標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽由EPC區(qū)段、TID區(qū)段及RESERVE區(qū)段組成，EPC區(qū)段共有32個(gè)字節(jié)，用于追溯茶葉存儲(chǔ)質(zhì)量，TID區(qū)段為REID標(biāo)簽中的序列號(hào)，用于防偽，RESERVE區(qū)段為企業(yè)代碼與生產(chǎn)日期等基本信息。二維碼屬于一種新型溯源查詢標(biāo)簽，利用智能手機(jī)掃描包裝盒上的二維碼便可以直接查詢溯源信息。為避免在包裝及銷售時(shí)造成二維碼出現(xiàn)污損問(wèn)題，可采用矩陣式QR二維碼。掃描QR二維碼可查詢溯源網(wǎng)信息、產(chǎn)品信息、茶葉生產(chǎn)企業(yè)信息及20位追溯碼。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)及普及為茶葉經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。為了降低生產(chǎn)投入與提高產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)茶葉經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，則應(yīng)重視在茶葉的種植、生產(chǎn)及銷售等環(huán)節(jié)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)管理技術(shù)、無(wú)線通信傳輸技術(shù)、傳感器管理技術(shù)及GIS技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：卓先德（1972-），男，軟件工程碩士，系主任，主要從事IT專業(yè)開(kāi)發(fā)、企業(yè)信息化應(yīng)用、信息安全和多媒體技術(shù)應(yīng)用研究。