基于物聯(lián)網(wǎng)的獼猴桃質(zhì)量安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡杰 楊立新 劉艷芳

摘要：將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)應(yīng)用于獼猴桃（Actinidia chinensis）生產(chǎn)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，智慧生產(chǎn)模式與傳統(tǒng)方式相比，具有節(jié)本、增效、精準(zhǔn)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)獼猴桃智慧生產(chǎn)模式設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的獼猴桃質(zhì)量安全控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了詳細(xì)分析，為實(shí)現(xiàn)獼猴桃智慧生產(chǎn)模式提供了新思路。

關(guān)鍵詞：獼猴桃（Actinidia chinensis）;物聯(lián)網(wǎng);質(zhì)量安全

中圖分類號(hào)：S663.4;TP277? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）18-0123-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.025 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and implementation of kiwifruit quality and safety control

system based on internet of things

CAI Jie，YANG Li-xin，LIU Yan-fang

（Hubei Academy of Scientific and Technical Information，Wuhan? 430071， China）

Abstract： The application of internet of things， big data and other information technologies in kiwifruit production was an inevitable trend of industrial development. Compared with the traditional mode， the intelligent production mode has many advantages such as cost saving， efficiency increasing， precision and environmental protection. the kiwifruit quality and safety control system based on the Internet of things was designed for the kiwifruit intelligent production mode， and the system functions were analyzed in detail， which provided a new idea for the realization of kiwifruit intelligent production mode.

Key words： kiwifruit（Actinidia chinensis）; internet of things; quality safety

湖北省是世界獼猴桃（Actinidia chinensis）商業(yè)栽培種的原產(chǎn)中心，獼猴桃資源收集、評(píng)價(jià)和種質(zhì)創(chuàng)新等方面的研究水平處于全國(guó)領(lǐng)先[1]。湖北省獼猴桃種植面積占全國(guó)獼猴桃栽培面積近10%，是中國(guó)獼猴桃的主產(chǎn)區(qū)，但其品種結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)管理水平等相對(duì)于陜西、四川等獼猴桃產(chǎn)業(yè)大省仍存在一定差距[2，3]。隨著獼猴桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和消費(fèi)能力增加，獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展日益壯大，但受制于農(nóng)村勞動(dòng)力稀缺、生產(chǎn)管理技術(shù)繁雜等因素，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到阻礙。智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)能很好地解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)獼猴桃生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化、高效化，是獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在世界各國(guó)建設(shè)發(fā)展如火如荼，部分農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的智慧農(nóng)業(yè)水平處于世界領(lǐng)先，并在精準(zhǔn)生產(chǎn)管理、節(jié)約人力物力資本、提高產(chǎn)能和質(zhì)量方面成效顯著。其中，美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中非常注重基礎(chǔ)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展走在世界前列。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所涉及的感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)和共性支撐技術(shù)等4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)層次的15個(gè)技術(shù)分支中，這些國(guó)家在物聯(lián)網(wǎng)傳感器領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率達(dá)到63.0%，掌控著市場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)。日本政府也非常重視農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)戶中的推廣應(yīng)用，為解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足和老齡化問(wèn)題，投入巨大的資金扶持，使50%以上的農(nóng)戶選擇使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化率高達(dá)75%以上[4-6]。

近年來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用也初見成效，在大田作物生產(chǎn)方面，已經(jīng)發(fā)展了種植水稻、玉米、棉花、小麥、果樹、菌類等大田作物的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理模式，初步形成了包括場(chǎng)地環(huán)境信息快速獲取、作物生長(zhǎng)監(jiān)控、農(nóng)田變量施肥、精準(zhǔn)灌溉、遠(yuǎn)程診斷、產(chǎn)量預(yù)測(cè)和智能裝備等應(yīng)用技術(shù)，構(gòu)建了包括土壤墑情監(jiān)測(cè)、病蟲害防控與智能灌溉及育苗、種植、采收、倉(cāng)儲(chǔ)等全過(guò)程的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管理方面，已形成了產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品信息實(shí)時(shí)采集和認(rèn)證數(shù)據(jù)平臺(tái)，開發(fā)了便攜式質(zhì)量全程跟蹤與溯源終端產(chǎn)品，構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品物流信息管理和電子交易信息管理平臺(tái)。然而，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在較大差距，尤其在數(shù)據(jù)傳感傳輸、組網(wǎng)技術(shù)、系統(tǒng)集成融合技術(shù)等方面缺乏穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度和統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與指導(dǎo)規(guī)范，且存在各地區(qū)各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一致、標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況脫節(jié)等問(wèn)題，這不僅影響了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)效能的充分發(fā)揮，也導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)資金的浪費(fèi)[7，8]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的獼猴桃質(zhì)量安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用田間傳感器及視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取獼猴桃生長(zhǎng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，通過(guò)大數(shù)據(jù)決策模型結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)獼猴桃生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)化感知、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流以及產(chǎn)品的可追溯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)，這也是解決當(dāng)前獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的瓶頸的主要出路?；谖锫?lián)網(wǎng)的獼猴桃質(zhì)量安全控制系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程信息融合

①接入管理。獼猴桃種植園區(qū)規(guī)模龐大，需要鋪設(shè)多個(gè)網(wǎng)關(guān)提供數(shù)據(jù)接入。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)送到云端或云端數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)時(shí)，必須給予授權(quán)，杜絕非法網(wǎng)關(guān)接入影響系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)一致性。網(wǎng)關(guān)接入該系統(tǒng)時(shí)，必須攜帶網(wǎng)關(guān)id和token。

②設(shè)備管理。提供設(shè)備創(chuàng)建、設(shè)備訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)服務(wù)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)）。

③環(huán)境監(jiān)控設(shè)備?？諝鉁貪穸?、土壤溫濕度、光照、降水、風(fēng)速、土壤墑情、植物長(zhǎng)勢(shì)及養(yǎng)分監(jiān)測(cè)。

④控制設(shè)備。水肥藥一體化智能施肥機(jī)、植物燈系統(tǒng)、智能控制器

⑤視頻監(jiān)控。在獼猴桃種植園區(qū)安裝槍機(jī)、球機(jī)等高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體、植株、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具有權(quán)限的用戶、專家可通過(guò)手機(jī)或PC等控制終端遠(yuǎn)程查看、云臺(tái)控制、錄像、回放、抓拍等（圖2）。

同時(shí)，設(shè)備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也是該系統(tǒng)中溯源記錄的一部分，可以在大屏幕上展示各基地物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集上傳的基地視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、植物長(zhǎng)勢(shì)、氣象數(shù)據(jù)以及土壤數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)每次采集數(shù)據(jù)量小、頻次高，故Lora網(wǎng)關(guān)收集后采用專用的物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議報(bào)送到云端。傳感器、PLC采用手拉手方式連接。視頻組網(wǎng)則采用支持POE供電及ONVIF協(xié)議的高清攝像頭，通過(guò)RTP/RTSP流傳送，可使用在4G或WIFI環(huán)境（圖3）。

2.2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的獼猴桃智能生產(chǎn)管理

通過(guò)Hadoop集群存儲(chǔ)海量生長(zhǎng)過(guò)程中數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和分析，同時(shí)采用Apache Spark作為大數(shù)據(jù)處理計(jì)算引擎，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行數(shù)據(jù)決策。分析一定周期的采集數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、工作日志，判斷生長(zhǎng)趨勢(shì)、品質(zhì)趨勢(shì)，并提供決策模型，如水肥一體系統(tǒng)、植物燈系統(tǒng)的啟動(dòng)策略，并下發(fā)到邊緣控制模塊，在適合一定規(guī)則下自動(dòng)或手動(dòng)啟用控制系統(tǒng)。

①水肥藥決策分析。疊加設(shè)備采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和植物長(zhǎng)勢(shì)信息，預(yù)測(cè)并分析獼猴桃種植區(qū)水肥藥需求，據(jù)此設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警策略、控制策略，并實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)反饋控制。

②病蟲害分析。指定周期的視頻記錄及疊加設(shè)備采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)并分析病蟲害及趨勢(shì)，并據(jù)此設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警策略、控制策略。

③品質(zhì)分析。影響獼猴桃的品質(zhì)主要是根、莖、葉、花、果，系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間采集的數(shù)據(jù)，分析如葉片厚度密度、光照度、土壤養(yǎng)分等，預(yù)測(cè)并評(píng)估品質(zhì)系數(shù)，從而制定控制策略。

④控制決策。根據(jù)病蟲害及品質(zhì)分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)備屬性，制定自動(dòng)控制及手動(dòng)控制策略。其中，自動(dòng)控制條件包括某設(shè)備的某個(gè)屬性數(shù)據(jù)連續(xù)n次偏離預(yù)定值，則啟動(dòng)水肥藥一體系統(tǒng)或植物燈光系統(tǒng)時(shí)間。自動(dòng)控制策略將自動(dòng)同步到園區(qū)邊緣計(jì)算系統(tǒng)，可無(wú)需人工值守，自動(dòng)操作。

⑤報(bào)警設(shè)置。設(shè)定設(shè)備某屬性偏離一定預(yù)定值時(shí)，給予報(bào)警。報(bào)警方式包括監(jiān)控室燈光、手機(jī)短信。該系統(tǒng)同時(shí)持久化保存該報(bào)警信息。

2.3 基于標(biāo)簽和二維碼技術(shù)的質(zhì)量安全溯源

以實(shí)現(xiàn)高效獼猴桃生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園質(zhì)量安全為目標(biāo)，以“標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、標(biāo)識(shí)化追溯”為突破口，以二維條碼為載體，構(gòu)建獼猴桃質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。通過(guò)在生產(chǎn)基地應(yīng)用便攜式農(nóng)事信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)履歷信息的快速采集與實(shí)時(shí)上傳;通過(guò)在生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用有機(jī)獼猴桃安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)前提示、產(chǎn)中預(yù)警和產(chǎn)后檢測(cè);通過(guò)在配送中心應(yīng)用農(nóng)產(chǎn)品物流配送管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)控和物流調(diào)度，通過(guò)將供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)匯集到園區(qū)管理部門，構(gòu)建追溯平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)、二維條碼掃描、短信和觸摸屏等方式的追溯，從而保障獼猴桃的產(chǎn)品質(zhì)量（圖4）。

3 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件設(shè)備部分主要包括無(wú)線傳輸基站建設(shè)、傳感節(jié)點(diǎn)布置、水肥一體化設(shè)備、病蟲害預(yù)測(cè)防控設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等（表1）。

4 實(shí)例應(yīng)用

在武漢市周邊選取2處獼猴桃基地開展試驗(yàn)示范，示范面積667 m2。應(yīng)用前后在節(jié)本節(jié)水節(jié)肥、產(chǎn)量品質(zhì)提升方面效果明顯，有效解決了企業(yè)人力成本不足，增加種植戶收入（表2）。

5 小結(jié)

通過(guò)獼猴桃生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量安全控制關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，整合、集成現(xiàn)有的相關(guān)軟硬件設(shè)備，提高獼猴桃生產(chǎn)種植的智能性、精準(zhǔn)性，起到節(jié)水節(jié)肥、提高產(chǎn)量的作用，同時(shí)搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，讓企業(yè)無(wú)門檻、低成本接入，大幅降低農(nóng)業(yè)企業(yè)的管理運(yùn)營(yíng)成本（包括寬帶接入、服務(wù)器配置、數(shù)據(jù)處理、廣告宣傳、人工服務(wù)、專家診斷、智能遠(yuǎn)程控制等）。在示范基地建成取得良好效果后，技術(shù)成果和生產(chǎn)規(guī)范可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他類似種植品種中。

該系統(tǒng)使用方便、功能強(qiáng)，且設(shè)計(jì)先進(jìn)、合理，具有很強(qiáng)的適用性，可隨時(shí)適應(yīng)形勢(shì)和信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展步伐，隨時(shí)升級(jí)及增加功能，因此系統(tǒng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)壽命相當(dāng)長(zhǎng)。全面推廣應(yīng)用后，預(yù)計(jì)可全面提升相關(guān)系統(tǒng)軟件的性能、提高農(nóng)業(yè)綜合效益、增加農(nóng)民收入、推進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為湖北省獼猴桃產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)體系的形成打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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