河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)建設

徐玉鵬，閻旭東，石秘秘，秦倩茹，劉效朋，白艷梅，劉青松，劉 震

（1.滄州市農(nóng)林科學院，河北 滄州 061001；2.河北恒華信息技術(shù)有限公司，石家莊 050000；3.渤海新區(qū)黃驊市農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展局，河北 滄州 061000）

隨著數(shù)據(jù)時代的到來和中國智慧農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的實施，為了提升消費者的購買意愿，將信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合是未來發(fā)展的主攻方向。2021 年，國家市場監(jiān)督管理總局印發(fā)《關于進一步落實食用農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場食品安全查驗要求的通知》，要求建立和完善農(nóng)產(chǎn)品物流追溯體系，實施農(nóng)產(chǎn)品安全信息化追溯管理，實現(xiàn)物流供應鏈的信息可追溯、原因可清查、風險可管控［1，2］，從而增強消費者對于食品安全的信任［3，4］，因此，建立先進、周密的農(nóng)產(chǎn)品溯源管理系統(tǒng)是重要任務。

國外在農(nóng)產(chǎn)品溯源方面起步較早，2018 年英國投入大量資金進行溯源數(shù)據(jù)安全方向的相關研究，新加坡也利用區(qū)塊鏈技術(shù)為國際航運提供更安全高效的服務［5］。中國針對農(nóng)產(chǎn)品溯源的研究較多，楊萌［6］、江琳莉等［7］將區(qū)塊鏈技術(shù)應用在富硒茶及梅州柚等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源方面，利用物聯(lián)網(wǎng)+5G 網(wǎng)絡手段解決了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率低、信息準確度差的問題。張新軍等［8］、張茂松等［9］也利用食品安全溯源系統(tǒng)對當?shù)靥厣称分械奈廴締栴}進行了研究。丁嘉懿等［10］、王億［11］和鄒春杰等［12］則從系統(tǒng)搭建的角度闡述了如何進行食品溯源系統(tǒng)的建設。國內(nèi)大部分研究的方向集中在人們?nèi)粘Ｉ钪锌芍苯邮秤玫霓r(nóng)產(chǎn)品上，對于其他需要進行二次加工的飼用農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源研究較少。隨著居民對乳畜產(chǎn)品的需求量不斷增長和中國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深化，飼料作為畜牧業(yè)發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè)和保障，成為具發(fā)展?jié)摿Φ牟糠帧?/p>

飼草產(chǎn)品在生產(chǎn)、經(jīng)營和使用等環(huán)節(jié)仍存在嚴重的質(zhì)量安全問題。飼草產(chǎn)業(yè)質(zhì)量安全意識缺失嚴重制約了飼草產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。首先，終端用戶在收購苜蓿產(chǎn)品時通常進行抽樣室內(nèi)檢測，這種方式時間較長且費用較高。其次，依靠經(jīng)驗抽檢苜蓿產(chǎn)品，這種方法專業(yè)性強，過于依賴經(jīng)驗，準確度不高。但不論采用何種方法，在飼喂過程中出現(xiàn)問題后難以分辨是否由于飼料原因?qū)е?，從而產(chǎn)生了許多不必要的糾紛，也不利于苜蓿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一個好的溯源管理體系對于產(chǎn)業(yè)帶來的效益是長期且多方面的［13-15］，溯源系統(tǒng)通過對苜蓿生產(chǎn)全過程信息的管理，在消費者和生產(chǎn)者中建立信任，可以解決類似問題。因此，不論從農(nóng)業(yè)科技需求還是現(xiàn)實生產(chǎn)的角度，發(fā)展和建立苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)都具有重要意義?；谵r(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，針對苜蓿飼草產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊、出現(xiàn)質(zhì)量問題后無法明確問題原因的現(xiàn)象，構(gòu)建了河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)，為推動飼草產(chǎn)品質(zhì)量安全發(fā)展提供參考。

1 河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的工作機制

河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)是運用互聯(lián)網(wǎng)、移動物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，對苜蓿從種植過程、生產(chǎn)過程到銷售的全生命周期內(nèi)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行跟蹤管理。主要分為3 個部分：第一部分是布設于種植、生產(chǎn)和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的節(jié)點服務器，可以對不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集的數(shù)據(jù)進行存放，當某一環(huán)節(jié)產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，會自動形成備份傳送至每個節(jié)點服務器單獨保存；第二部分是設立于田間的生產(chǎn)信息采集設備，如小型自動氣象站、土壤水分監(jiān)測儀及地溫監(jiān)測儀等，根據(jù)田塊大小設立不同數(shù)量的自動采集裝置，將收集的數(shù)據(jù)實時傳送到各數(shù)據(jù)存放節(jié)點；第三部分為手持設備，主要針對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中無法進行自動收集的數(shù)據(jù)，通過錄入、圖片或視頻的形式進行補充。當整個生產(chǎn)過程結(jié)束后苜蓿產(chǎn)品流通至用戶端，用戶可以利用二維碼或電子標簽等形式對產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程進行查詢，確保產(chǎn)品品質(zhì)。

2 河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)設計

2.1 工作流程

苜蓿質(zhì)量安全溯源管理工作主要分為5 個階段，分別是基礎信息采集、生產(chǎn)過程信息采集、流通環(huán)節(jié)信息采集、數(shù)據(jù)安全管理及用戶端信息讀取。

1）基礎信息采集。利用自動數(shù)據(jù)獲取裝置結(jié)合人工采樣的方式，收集苜蓿產(chǎn)地的經(jīng)緯度、土壤質(zhì)地、基礎養(yǎng)分等信息。

2）生產(chǎn)過程信息采集。分析苜蓿種植與交易過程中所有參與方在信息交換、管理等方面的需求。建立苜蓿質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)的基本處理流程，對氣候、品種、施肥、刈割日期和產(chǎn)品流通方式等信息通過人工或自動的方式進行記錄，同時結(jié)合視頻監(jiān)控設備留存影像資料。

3）流通環(huán)節(jié)信息采集。通過對車載設備軌跡的追蹤，記錄苜蓿產(chǎn)品從產(chǎn)地流出的方向及實時情況。

4）數(shù)據(jù)安全管理。利用區(qū)塊鏈技術(shù)手段，將整個系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)保存在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)點服務器中，防止單個節(jié)點對數(shù)據(jù)進行篡改。

5）用戶端信息讀取。通過“一物一碼”或“一地一碼”的形式，使消費端用戶可以通過溯源系統(tǒng)獲取整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的全部信息。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)以先進的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)為基礎，系統(tǒng)自上而下可分為5 層，分別是用戶層、應用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層和感知層（圖1）。

圖1 苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 用戶層 該層主要對不同身份的人員進行定義并賦予相應崗位的系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入和管理權(quán)限。包含農(nóng)戶（合作社）、科技工作者、采購企業(yè)。

1）農(nóng)戶（合作社）：作為苜蓿種植過程的主要參與者，是溯源信息與質(zhì)量安全的信息主要采集人。這些用戶使用移動端APP 開展農(nóng)事操作，并將操作過程中的各項農(nóng)事信息上報至溯源系統(tǒng)后臺。

2）科技工作者：科技工作者主要對物聯(lián)網(wǎng)設備進行維護和數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)進行匯總分析，指導和幫助農(nóng)戶提升苜蓿產(chǎn)品的質(zhì)量。

3）采購企業(yè)：采購企業(yè)作為苜蓿產(chǎn)品銷售的最后一環(huán)。受苜蓿質(zhì)量安全影響較大，本系統(tǒng)通過“一單一碼”的方式，依靠溯源碼查詢呈現(xiàn)苜蓿種植、采收、加工、運輸?shù)娜鞒绦畔ⅲ瑸椴少徠髽I(yè)提供安全、可靠、透明的質(zhì)量安全保證。

2.2.2 應用層 應用層為平板電腦、智能手機、個人電腦提供統(tǒng)一的應用服務，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、控制和實施視頻直播監(jiān)控。主要由運行管理、種植分區(qū)、農(nóng)事管理、應急處置、溯源管理和系統(tǒng)配置等組成。

1）運行管理。該模塊是系統(tǒng)的主要組成部分，向系統(tǒng)用戶展示遙感影像數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)控信息、地塊分布、運行控制、農(nóng)事記錄等信息，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)的管理、圖層控制、地圖漫游、面積測量、距離測量、圖斑選取、圖層查詢等功能。

2）種植分區(qū)。通過該模塊的功能，可以實現(xiàn)接入物聯(lián)網(wǎng)設備、查看實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、配置種植位置的區(qū)塊信息。

3）農(nóng)事管理。由系統(tǒng)用戶對農(nóng)事活動進行管理，制定農(nóng)事計劃、設置地塊，查看農(nóng)事記錄，農(nóng)事活動統(tǒng)計等。

4）應急處置。該模塊包含預警信息和工單處置2 個子模塊，系統(tǒng)用戶通過預警信息版塊上傳報警信息，如設備故障、災害預警、日常其他應急信息等，對預警信息生成處置工單，指定人員處理并上報處置結(jié)果。

5）溯源管理。該模塊包含產(chǎn)品入庫庫存、訂單管理、溯源碼管理、移動端溯源碼訂單生成及匹配功能。

6）系統(tǒng)配置。該模塊用于系統(tǒng)基礎信息配置，包含用戶管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)字典、系統(tǒng)運行日志，物聯(lián)網(wǎng)設備接口配置文件，屬于系統(tǒng)初始化配置單元。

2.2.3 數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)層基于編碼規(guī)范體系，構(gòu)建集氣象、土壤、農(nóng)情、農(nóng)技、農(nóng)資服務等為一體的農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)庫，是對系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的邏輯抽象，包括種植的影像數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、空間位置數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)、農(nóng)事活動計劃、數(shù)據(jù)字典、業(yè)務數(shù)據(jù)等。

影像數(shù)據(jù)：帶有經(jīng)緯度信息和實時地貌的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

環(huán)境數(shù)據(jù)：該數(shù)據(jù)主要記錄氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，字段包含每天的溫度、光照輻射、降水量、風力、風向、濕度等。

空間位置數(shù)據(jù)：指種植作物所在的地塊位置信息。

物聯(lián)網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)：指對監(jiān)控區(qū)域的土壤資源、水資源、環(huán)境氣候及農(nóng)情信息等進行全程精準監(jiān)測；通過無線網(wǎng)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯聚，通過互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)上傳到后端服務器的數(shù)據(jù)。

農(nóng)事活動計劃：包含種植地塊、種質(zhì)信息以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程計劃，如灌溉、施肥等活動。

數(shù)據(jù)字典：指與表單中枚舉類型字段關聯(lián)的取值元素的集合，由管理員維護。數(shù)據(jù)字典不僅提高了填報效率，還約束了數(shù)據(jù)取值范圍和格式，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

業(yè)務數(shù)據(jù)：是系統(tǒng)在運行過程中得到的數(shù)據(jù)，如用戶信息、角色信息、日志信息等。

2.2.4 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層通過無線網(wǎng)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯聚，通過互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)上傳到后端服務器。該層集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，將匯聚的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳到后端服務器。

2.2.5 感知層 感知層中存在各類傳感器和攝像頭對監(jiān)控區(qū)域的土壤資源、水資源、環(huán)境氣候及農(nóng)情信息（苗情、墑情、蟲情、災情）等進行全程精準監(jiān)測?？梢栽谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場各環(huán)境的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤水分、農(nóng)情信息等）和無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析等。

3 河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的構(gòu)建

鑒于苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設備接入較多、系統(tǒng)用戶較多的特點和電腦端與移動端同時兼容的需求，本系統(tǒng)采用B/S 模式的基于網(wǎng)絡的web 應用程序架構(gòu)，前端采用H5 自適應布局，方便快速、便捷地實現(xiàn)系統(tǒng)的維護和升級。服務器選擇穩(wěn)定的Windows Server 2012 R2 作為操作系統(tǒng)，使用SQL Server 2019 作為后臺數(shù)據(jù)庫。開發(fā)環(huán)境基于Asp.NET Core 架構(gòu)，開發(fā)語言為C#，系統(tǒng)框架采用MVC+EF+倉儲模式，開發(fā)工具使用Visual Studio 2019。物聯(lián)網(wǎng)設備采用API 接口，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設備的自動數(shù)據(jù)采集和遠程控制，以滿足本系統(tǒng)對安全性、穩(wěn)定性、擴展性、維護性等各方面的要求。

系統(tǒng)包含運行管理、種植分區(qū)、農(nóng)事管理、應急處置、溯源管理和系統(tǒng)配置6 個功能模塊。農(nóng)業(yè)園區(qū)總覽模塊為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)駕駛艙，其通過GIS 地圖和各類圖形化圖表，集中展示農(nóng)業(yè)園區(qū)各類運行數(shù)據(jù)，包括農(nóng)事活動、氣象記錄、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。運行管理模塊依托GIS 地圖實現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)各類生產(chǎn)要素的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。如設備運行情況、種植地塊分布、農(nóng)事活動進程等。農(nóng)事管理則包含對園區(qū)功能分區(qū)的設置和管理，以及各類型物聯(lián)網(wǎng)設備接口的管理、數(shù)據(jù)接口的配置，是農(nóng)業(yè)園區(qū)的虛擬資源倉庫。同時該管理模塊包含電腦端和移動端2 個部分，電腦端主要模塊包括農(nóng)事互動配置和農(nóng)事活動監(jiān)測2 個部分，移動端則包含農(nóng)事活動填報模塊。系統(tǒng)在農(nóng)事活動配置中采用動態(tài)表單設置的方式，用戶可以根據(jù)自身實際情況和不同作物農(nóng)事活動的差異，自定義設置農(nóng)事互動中填報信息的內(nèi)容要求，從而保證適應不同業(yè)務活動的需求。應急處置模塊包含應急通知、工單處置2 個功能項。應急處置是分別對氣象、土壤墑情、設備運行情況等建立報警閾值，通過對各型號物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)的實時采集，對超出閾值的數(shù)據(jù)項生成預警通知消息，以短信的方式通知相關人員。同時，應急處置模塊可以生成工單，工單包含任務分配、任務反饋、任務評價3 個部分，為園區(qū)各部門崗位之間的工作協(xié)同提供支持。系統(tǒng)配置模塊包含對系統(tǒng)基礎信息、配置信息、日志、數(shù)據(jù)字典等的管理。系統(tǒng)通過建立用戶、角色、功能項的對應關系以及數(shù)據(jù)訪問權(quán)限對應關系，為各用戶賦予對應的角色，實現(xiàn)對不同崗位、不同職級用戶的權(quán)限管理，從而滿足各崗位的業(yè)務要求和保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全。

基于以上技術(shù)選型開發(fā)了苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)，如圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖2 苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的首頁

圖3 苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的運行界面

圖4 苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的監(jiān)控界面

圖5 苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的農(nóng)事管理界面

4 討論

農(nóng)業(yè)與信息化結(jié)合是21 世紀新農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，如何更好地將二者的優(yōu)勢有機融合在一起是未來需要深入探討的問題。本研究以農(nóng)業(yè)用苜蓿飼草產(chǎn)品為切入點，闡述了苜蓿產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設計、架構(gòu)及功能。同時根據(jù)其工作的邏輯層次對系統(tǒng)進行了介紹，展示了河北省苜蓿質(zhì)量安全溯源管理系統(tǒng)的工作過程。該系統(tǒng)相較于其他溯源系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢：①數(shù)據(jù)獲取簡便。傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)要求在產(chǎn)品的生產(chǎn)流程中記錄大量的數(shù)據(jù)，以便形成數(shù)據(jù)庫，往往需要大量人力，本系統(tǒng)在設計之初采用了與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的方式，降低了數(shù)據(jù)獲取的勞動強度。②溯源系統(tǒng)涵蓋了整個苜蓿飼草產(chǎn)品生產(chǎn)關鍵節(jié)點中的全部信息，包括種植地塊的氣候、土壤條件以及倉儲運輸過程中的溫濕度參數(shù)。利用ArcGIS 地理信息技術(shù)，將空間數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)相結(jié)合，使數(shù)據(jù)更完整、更易讀，有利于數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計和運用。③針對溯源系統(tǒng)中不同角色，引入農(nóng)事活動動態(tài)表單設計功能，針對不同作物、生產(chǎn)階段及種植方式等靈活設置填報內(nèi)容，使系統(tǒng)能夠滿足各類農(nóng)場的業(yè)務需求。

該系統(tǒng)已經(jīng)完成設計和試驗示范基地部署工作，在今后的工作中將開展全年苜蓿飼草產(chǎn)品溯源追蹤，采集產(chǎn)品種植、生產(chǎn)及流通全過程信息，為后期優(yōu)化系統(tǒng)操作提供實踐基礎。