基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)設(shè)計

趙小娟，葉 云

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輕化工技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高，消費者越來越關(guān)注農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。推行農(nóng)產(chǎn)品標準化生產(chǎn)與管理，規(guī)范農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)檔案記錄，建立農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程質(zhì)量追溯制度，是提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管理水平、控制農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、保障消費安全的重要手段。目前，歐盟、美國、日本等在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯方面的制度和體系建設(shè)已趨于成熟。近年，我國也制定了各項政策措施支持、指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品追溯體系建設(shè)。2016年，農(nóng)業(yè)部頒布《關(guān)于加快推進農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)的意見》，確定了追溯體系建設(shè)的目標、指導(dǎo)原則、保障條件，并統(tǒng)一加強了對各地相關(guān)工作的指導(dǎo)。“十三五”規(guī)劃綱要也提出，要建立全程可追溯、互聯(lián)共享的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息平臺，健全從農(nóng)田到餐桌的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管體系。

現(xiàn)階段，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中的文獻也比較多，如陽瓊芳構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)架構(gòu)，并集成有傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼等物聯(lián)網(wǎng)溯源路徑；張鳳英在果蔬方面進行了質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了從蔬菜種植到銷售全過程的農(nóng)產(chǎn)品信息追溯；陳瑩基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，進行了基于種子身份證的小麥溯源防偽及預(yù)警研究；鮑曉成從豬肉供應(yīng)鏈的角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了豬肉供應(yīng)鏈可追溯系統(tǒng)模型，進行了豬肉供應(yīng)鏈的可追溯體系研究；白紅武、張麗、周正貴、蔣凱亞等也基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的追溯研究。

總體來看，隨著農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯工作的開展、推進，全國各地在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系建設(shè)中取得了很大成績，但在實踐中仍存在一些問題：農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的信息獲取主要靠人工錄入，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動上傳；追溯信息覆蓋不全面，生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)信息有缺失；產(chǎn)品溯源信息單一，多數(shù)以生產(chǎn)過程的文字圖片、記錄為主。

本文基于當前農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過程中存在的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品可視化溯源系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)思路。以期能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源信息的可視化展示，有效解決農(nóng)業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理和農(nóng)產(chǎn)品追溯過程中存在的問題。

1 材料與方法

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

“物聯(lián)網(wǎng)”于1999年被提出，是指通過傳感器等設(shè)備，將物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，通過信息傳播媒介進行信息交互和通信，實現(xiàn)智能化識別和管理的技術(shù)。包含如下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，可以感知周圍環(huán)境或者特殊物質(zhì)，通過傳感器把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送至計算機處理；

（2）RFID技術(shù)是融合了無線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)的綜合技術(shù)，在自動識別、物品物流管理方面有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 農(nóng)產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)

為保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程可追溯、高效管理和追蹤農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等技術(shù)，設(shè)計建設(shè)集企業(yè)信息管理、生產(chǎn)管理、投入品管理、環(huán)境監(jiān)測等功能于一體的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的建設(shè)，幫助農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)建立標準化安全生產(chǎn)體系，建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源體系，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從種植到采收加工全過程的標準化、信息化管理，形成農(nóng)產(chǎn)品“從田間到餐桌” 全過程（生產(chǎn)、運輸、銷售等環(huán)節(jié)）可追溯電子檔案，通過數(shù)據(jù)的采集傳輸，實現(xiàn)物品與信息的迅速轉(zhuǎn)換、處理和反饋，構(gòu)成農(nóng)產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)。幫助政府監(jiān)管部門及企業(yè)在農(nóng)產(chǎn)品安全事故發(fā)生時，及時追回問題產(chǎn)品，防止危害進一步擴大；消費者掃描二維碼，查詢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)信息、種植加工全過程記錄，實現(xiàn)透明消費。系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平，提升農(nóng)產(chǎn)品品牌形象，推進農(nóng)業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 總體設(shè)計思路

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過部署的無線傳感器、攝像機采集農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)、農(nóng)事管理信息及采收信息，數(shù)據(jù)通過4G/NB-IoT/WiFi傳輸至云服務(wù)器，使用SQL Server 2008 R2進行數(shù)據(jù)存儲?；赪eb Service數(shù)據(jù)智能交互技術(shù)構(gòu)建基準數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)框架，以及APP/B/S（手機應(yīng)用/瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可視化溯源系統(tǒng)?；诜纻味S碼追溯編碼與產(chǎn)品標識技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)、加工和流通溯源信息的精準識別；基于移動互聯(lián)網(wǎng)溯源查詢技術(shù)，通過二維碼“掃一掃”，即可在手機端快速查看農(nóng)產(chǎn)品溯源信息。

1.3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源的業(yè)務(wù)需求，對系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行設(shè)計，總體框架分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）感知層：感知層主要包括用于獲取環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、農(nóng)作物生長視頻圖像、農(nóng)作物蟲害信息的傳感器、攝像機等硬件設(shè)備，包括空氣溫濕度、光照強度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、CO濃度、土壤溫濕度、土壤pH、土壤EC等傳感器、蟲情采集器及攝像機。

（2）傳輸層：傳輸層主要將硬件設(shè)備自動采集的數(shù)據(jù)及軟件系統(tǒng)錄入的信息上傳至云服務(wù)器，主要包括WiFi、4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT及有線寬帶網(wǎng)絡(luò)等形式。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是指系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)按照一定分類構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，包括用于管理數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)與目錄庫、屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要存儲于阿里云服務(wù)器，其中視頻數(shù)據(jù)存儲于螢石云。

（4）應(yīng)用層：應(yīng)用層是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)的Web端軟件及手機APP應(yīng)用程序。

2 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)主要包含企業(yè)用戶端和消費者查詢端，企業(yè)端主要實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管理、環(huán)境監(jiān)測和生成溯源信息等功能，消費者端通過掃描產(chǎn)品二維碼可以查詢產(chǎn)品溯源信息。功能模塊如圖2所示。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 企業(yè)端

（1）企業(yè)管理

企業(yè)管理模塊的主要功能是設(shè)置企業(yè)信息，登記企業(yè)負責(zé)人、聯(lián)系方式、企業(yè)地址等，上傳企業(yè)榮譽證書、資質(zhì)文件、產(chǎn)地認證資料等。企業(yè)信息最終形成農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)主體的追溯信息。

（2）產(chǎn)品管理

產(chǎn)品管理主要對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的農(nóng)產(chǎn)品信息進行管理，包括編輯和查詢產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品圖片、生長周期及理論產(chǎn)量等。

（3）地塊管理

地塊管理模塊主要針對農(nóng)產(chǎn)品種植地塊進行管理，劃分企業(yè)種植基地的土地，登記地塊編號、地塊名稱、土地特性，標記每個地塊的農(nóng)作物及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備。

（4）投入品管理

投入品管理模塊主要用于管理農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中種子、農(nóng)藥、肥料等投入品，編輯和查詢投入品名稱、供應(yīng)商、生產(chǎn)許可、登記證、主要成分、安全間隔期、有效期等信息，并建立農(nóng)藥黑名單，杜絕禁用農(nóng)藥的使用。

（5）庫存管理

庫存管理具有投入品、農(nóng)機具及農(nóng)產(chǎn)品等庫存管理功能，記錄種子、肥料、農(nóng)藥等投入品和農(nóng)機具采購入庫及出庫使用情況，記錄農(nóng)產(chǎn)品采收入庫和銷售出庫的數(shù)據(jù)，查詢和盤點投入品、農(nóng)機具及農(nóng)產(chǎn)品庫存情況。

（6）生產(chǎn)記錄

生產(chǎn)記錄模塊主要用于記錄農(nóng)產(chǎn)品從種植開始到采收加工全過程的農(nóng)事操作信息，內(nèi)容包括作業(yè)事項、作業(yè)時間、投入品名稱、投入品用量、作業(yè)負責(zé)人等數(shù)據(jù)。生產(chǎn)記錄形成了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工各環(huán)節(jié)的追溯信息。

（7）環(huán)境監(jiān)測

通過在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境（大田/棚舍）中安裝小型氣象站、土壤傳感器、蟲情監(jiān)測傳感器等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品種植生產(chǎn)過程中的空氣溫濕度、光照強度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、CO濃度、土壤溫濕度、土壤pH值、土壤EC值等指標。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)上實現(xiàn)實時查詢和歷史統(tǒng)計，一方面用于指導(dǎo)生產(chǎn)，另一方面可形成農(nóng)產(chǎn)品生長過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)曲線可視化追溯記錄。

生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)界面如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)界面

（8）視頻監(jiān)控

可通過農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)域安裝的高清攝像機實現(xiàn)在系統(tǒng)上實時查看農(nóng)產(chǎn)品生長情況的目標，并生成農(nóng)產(chǎn)品生長過程、農(nóng)事操作圖像和視頻等可視化追溯記錄。

（9）產(chǎn)品賦碼

產(chǎn)品賦碼模塊主要實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品批次和溯源二維碼的管理。農(nóng)產(chǎn)品出廠時，設(shè)置農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)批次，關(guān)聯(lián)農(nóng)事生產(chǎn)記錄、環(huán)境監(jiān)測記錄、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，并登記檢測報告、銷售去向等信息，通過該模塊生成溯源二維碼，打印、張貼于產(chǎn)品包裝上，供消費者查詢。

（10）溯源分析

溯源分析模塊主要用于查詢產(chǎn)品二維碼被掃描次數(shù)、掃描發(fā)生的區(qū)域分布等情況，統(tǒng)計分析產(chǎn)品終端銷售流向及銷售數(shù)據(jù)。溯源二維碼查詢數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

圖4 溯源二維碼查詢數(shù)據(jù)分析

2.2 消費者端

消費者端的主要功能是手機掃描農(nóng)產(chǎn)品的溯源二維碼，查詢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)信息、生產(chǎn)加工記錄、藥肥施用情況、生長過程環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、生長過程視頻圖像以及檢測報告等信息，展示頁面如圖5所示。

圖5 溯源信息展示頁面

3 結(jié) 語

本文提出并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可視化溯源系統(tǒng)，結(jié)合農(nóng)業(yè)企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的農(nóng)事操作、投入品、農(nóng)產(chǎn)品、環(huán)境數(shù)據(jù)等內(nèi)容進行系統(tǒng)化管理，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源信息的可視化展示，有效解決了農(nóng)業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理和農(nóng)產(chǎn)品追溯中存在的問題。目前該系統(tǒng)具備以下特點：

（1）系統(tǒng)使用APP/B/S架構(gòu)，操作簡單、方便升級。支持用戶通過手機APP、平板電腦客戶端進行系統(tǒng)訪問，用戶在田間也可隨時進行信息查看和數(shù)據(jù)錄入操作。

（2）系統(tǒng)開發(fā)集成了多種成熟框架，采用分層理念開發(fā)，保證了系統(tǒng)的兼容性、可擴展性，可根據(jù)用戶需要定制功能模塊，也可擴展新增其他個性化的功能模塊，滿足不同用戶的需求。

（3）系統(tǒng)在設(shè)計上充分調(diào)研了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、追溯業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)適應(yīng)性廣，能夠滿足企業(yè)、合作社、家庭農(nóng)場等各類農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)和組織的使用需求，支持各品類農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)管理模式和質(zhì)量安全追溯功能的實現(xiàn)。

（4）本系統(tǒng)通過集成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)，自動采集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻圖像信息，并生成溯源記錄，數(shù)據(jù)真實、客觀，可信度高，相對傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)的設(shè)計具有先進性和可靠性。