茶葉物聯網系統的設計與實現

劉小虎 汪興 吳蒙 王靜

摘要 介紹了茶葉物聯網的意義及其體系構架，分析了茶葉物聯網系統中的平臺功能，包括茶葉物聯網基本功能、門戶管理、視頻監控、系統管理，闡述了茶葉物聯網技術在茶葉生產環境信息監測與調控、安全追溯中的應用情況；指出了茶葉物聯網應用中存在的困難；總結出茶葉物聯網的發展前景。

關鍵詞 茶葉物聯網；傳感網絡；追溯系統

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05305-04

物聯網是新一代信息技術產業的重要組成部分，具有廣闊的發展前景，對于國民經濟和社會發展具有重要意義[1]。按照國務院會議精神及《關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》（國發[2013]7號）要求，國家發展改革委、工業和信息化部、科技部、教育部、國家標準委聯合物聯網發展部際聯席會議相關成員單位制定了10個物聯網發展專項行動計劃，到2015年初步實現部門、行業、區域、軍地之間的物聯網發展相互協調，以及物聯網應用推廣、技術研發、標準制定、產業鏈構建、基礎設施建設、信息安全保障、頻譜資源分配等相互協調發展的局面，基本形成各環節協調發展、協同推進、相互支撐的發展效應。

安徽省是我國的茶葉大省，茶葉品種優勢突出，茶葉在各地的物流量較大，茶葉種植與銷售在安徽農業經濟發展中占有舉足輕重的地位。結合安徽茶葉大省的省情，從安徽各個茶葉種植園區出發，將物聯網技術與農業相結合[2]，將傳統茶葉種植銷售流程升級為現代茶葉發展，更好地將茶葉物聯網發展至全國。茶葉質量安全保障和茶葉生產環境的改善，日益受到社會各界的關注。茶葉物聯網應用示范的總體目標是：以物聯網技術創新與應用為驅動，以市場消費為主導，以茶葉種植、生產、采購、銷售、追溯一體化為目標，轉變生產方式和經營模式，構建新型茶葉產業服務商業模式，構建貫穿整個茶葉種植、采購、加工、運輸、電子商務、銷售等領域的多元投資建設模式、智能化管理模式、產業化服務模式，形成服務公眾、農民受惠、企業得益的聚合式產業價值鏈。

1 茶葉物聯網管理系統體系構架

茶葉物聯網系統作為一個整體，分為感知層、傳輸層、應用層[3]（圖1）。感知層主要包括環境參數傳感器、RFID、條碼和二維碼、視頻采集設備等；傳輸層包括傳感網、聯通數據專線、電信網絡、3G網絡以及監控中心的VPN專網；應用層包括物流追蹤、生成加工、溯源查詢等功能，實現與系統用戶的交互。信息的采集主要指從外部系統請求并接收遵循預先定義好的格式的消息，消息內容以文字為主[4]，并可選擇性附帶圖片、實時視頻信息和消息緊急標識信息（默認為非緊急信息）。

1.1 感知層 感知層包括視頻采集設備、環境參數監測設備、RFID、二維碼掃描設備等。視頻采集設備實現前端視頻流的采集和編碼，主要功能是視頻信息的采集、壓縮及通過網絡傳輸。環境參數監測設備包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度、光照等傳感器以及相關配套設備。RFID、二維碼掃描設備主要實現種植過程、生產過程、倉儲過程、銷售過程的管理以及茶葉的追蹤溯源工作。

1.2 傳輸層 傳輸層主要指視頻流、傳感器采集數據、控制信息流傳輸通道，傳輸網絡包括運營商數據專線、運營商網絡、VPN專網、3G網絡以及前端設備接入網絡。

1.3 應用層 應用層主要有系統管理、茶葉種植、生產加工、物流追蹤、門店管理、視頻監控、溯源查詢、專家診斷、GAP控制等。系統管理的功能主要有平臺相關參數設置、茶葉生產流程設置、茶葉、茶園基本信息設置、用戶管理等；茶葉種植指種植規劃、種植作業、防蟲防害與茶葉生長環境監測等；生產加工包括原料管理、加工管理、包裝管理等生產任務的添加、修改及查詢；物流追蹤包括出入庫管理、倉庫庫存、盤存記錄和運輸記錄的添加、修改和查詢等；門店管理包括銷售信息的添加、修改和查詢功能；視頻監控實現對茶園種植、加工過程以及門店銷售的實時監控；溯源查詢實現消費者對茶葉生產全流程的查詢；專家診斷實現遠程專家診斷功能；GAP控制指遵循GAP規范對危害分析與關鍵質量控制節點（HACCP）生成檢查報表。

2 茶葉物聯網管理平臺功能

茶葉物聯網管理平臺通過部署茶葉種植遠程監控信息化設施，實現茶葉種植的全過程信息化管理。茶葉精細化種植管理系統基于空氣溫度、空氣濕度、光照強度等環境的監測數據和視頻數據，實現種植分析、閾值報警、遠程專家診斷、指揮調度功能。

2.1 茶葉溯源功能 通過系統數據和歷史統計對茶園種植如病蟲害、采摘、施肥等工作進行提前預告，以列表導航形式展現，同時企業對種植各項工作進行統一管理。通過傳感器對茶樹生長環境進行實時監控。茶葉物聯網系統功能主要包括環境監測管理、銷售管理、加工包裝管理、收購管理、茶葉儲存管理等。茶葉追蹤溯源流程見圖2。

2.1.1 茶葉種植。在茶葉物聯網管理系統中，茶葉種植展示最近作業及種植計劃信息，包括作業茶園、作業面積、作業類型、作業人員、作業日期，同時顯示該項作業類型的具體信息，例如，鮮葉采摘類型的信息為鮮葉批次號、鮮葉等級、鮮葉數量。通過查看種植計劃，根據種植計劃，安排種植作業，并對種植作業的相關信息進行記錄。通過展現茶園的病蟲害情況，實現農藥使用的申請和審批。另外，記錄農藥的使用情況，對農藥的使用嚴格把關。茶葉采收分為采前檢測和茶青采收兩大功能，記錄茶葉檢驗的相關信息和茶葉采收記錄。

2.1.2 環境數據中心。顯示環境監測各項數據，主要包括數據查詢、環境曲線功能，實現對所監測茶園信息的環境數據的監測和監測數據歷史信息的統計。通過依次選擇茶園、設備、開始時間、結束時間，點擊查詢，可以查看茶園位置的風速、雨量、氣溫、土溫、數字氣壓、輻射、風向、土濕、溫度及采集時間。

2.1.3 茶葉加工。技術員根據茶葉的分類安排茶葉加工操作，按照工藝要求依次在生產流水線上進行加工，記錄加工的過程和各個環節的操作時間、主要工藝和過程。企業包裝人員把加工的茶葉進行包裝，同時記錄包裝的數量、品種、重量、包裝時間等信息。記錄茶葉從田間到加工廠的實時數據，企業收購茶葉的成本，精細統計到每戶茶農的收購支出。記錄企業每次收購鮮葉的時間段、收購總重、收購總價、實際付款和欠款信息。

2.1.4 茶葉倉儲管理。根據錄入門店進貨的數據、出入庫記錄和銷售記錄計算出店面庫存量。門店茶葉儲存主要顯示信息包括門店、品名、等級、數量、入庫時間；倉庫儲存主要顯示信息包括倉庫名稱、入庫批號、儲存類型、品種/品名、數量、負責人、核算時間。

2.1.5 銷售管理。門店銷售員根據實際情況依次輸入銷售產品、銷售數量、銷售單價等信息，通過“保存”使銷售信息加入銷售列表。

2.2 門店管理 門店管理展示銷售記錄、門店庫存以及產品展示。

2.2.1 銷售記錄。錄入銷售信息，其中包括品名、等級、數量、銷售員、備注等信息。單價、門店管理員調取數據庫內容顯示。總價由單價和和數量計算得出。查詢銷售記錄，能夠根據門店、品名、規格、起始日期、截止日期進行查詢。默認為全部銷售信息

2.2.2 門店庫存。錄入門店進貨的數據，包括品名、等級、數量、記錄員等，單價、門店管理員調取數據庫內容顯示。店面庫存量是根據店面進貨記錄和銷售記錄計算出來，用表格的方式進行顯示。

2.2.3 產品展示。展示企業的茶葉產品，能夠顯示每一種茶葉產品的詳細信息（圖3）。

2.3 視頻監控 使用IE7以上版本的瀏覽器查看視頻，并確保正確安裝視頻監控組件。開啟視頻之后，即可查看該通道的監控畫面（圖4）。

2.3.1 茶園視頻。圖中顯示“開啟視頻”、“關閉視頻”按鈕，點擊“開啟視頻”顯示茶園分布的衛星圖，作為視頻監控的入口界面。顯示茶園的監控視頻。

2.3.2 門店視頻。從左側菜單欄選擇具體的監控位置進入專賣店視頻監控登錄頁面，登錄后顯示門店的監控視頻。

2.4 系統管理 系統管理包括用戶管理、人員管理、產品登記、茶園登記、門店登記、品種登記、農藥登記、化肥登記。

2.4.1 用戶管理。根據業務流程設置各種權限的用戶。

2.4.2 人員管理。根據業務流程設置參與茶葉種植、生產等過程的人員信息。

2.4.3 產品登記。根據業務流程設置各類茶葉產品的相關信息。

2.4.4 茶園登記。管理員登記自有和合作的茶園信息，按照地理位置、種植品種、所有權屬等要素對茶園地塊進行劃分并統一編號，登記信息主要包括茶園編號、茶園名稱、茶園地址、茶園面積、負責人、田塊數量、創建時間等。

2.4.5 門店登記。管理員登記茶葉銷售的門店信息，包括門店名稱、門店地址、門店電話、負責人信息。

2.4.6 品種登記。管理員維護本單位種植的茶葉品種信息，主要包括種植的茶園、產量、生產環境、茶樹特點、茶葉特點等，作為茶葉品種的基礎數據庫。

3 茶葉物聯網系統應用現狀

茶葉企業茶業物聯網建設工程主要包括視頻監控系統、環境監測系統、質量溯源系統和專家支持系統，旨在通過視頻監控實現對種植過程、生產過程的管理，通過環境監測實現對農產品生長環境的預警和控制，通過質量溯源實現對茶葉從種植到銷售的全流程追溯，茶葉物聯網工程能夠有效提高茶葉生產的管理水平，進而提高茶葉的質量，提升消費者對茶葉品質的信任度。工程建成后，茶葉公司及廣大消費者通過現場監控攝像頭采集的視頻信號，用電腦或3G手機，實時觀察茶園現場情況，并且可以通過園區部署的環境監測系統監測茶園的風速、風向、空氣溫濕度、土壤溫濕度、氣壓、降雨量。經過茶葉生長環境考察和專家組實地勘察測量，專家支持系統為茶葉種植企業提供合理的建議。通過質量溯源系統，利用RFID、二維碼技術、電子標簽、手持終端和讀卡器來實現種植、采摘、加工、倉儲、物流和銷售各環節的有機結合。茶葉物聯網工程建成后，茶葉企業整個茶葉產業鏈都裝有遠程視頻監控系統，這改變了以前手工記錄所帶來的信息誤差，有利于從源頭上解決產品質量安全問題，讓生產者及時管控產品質量，讓消費者及時了解產品信息。該系統實現產品質量可溯源，為產品提供了綠色安全通道。茶葉物聯網工程的適用范圍還有以下部分：①檢測茶葉種植過程中土壤、水源重金屬含量及茶葉農藥殘留情況，確保產品質量安全；②遠程監控茶園農藥施用情況和生長情況，保證產量和質量；③實時監測茶園土壤溫濕度、光照度等情況，及時處理；④提供茶葉從種植、加工、運輸、存儲、銷售各環節質量和物流信息，供消費者及廠商查詢。

4 茶葉物聯網系統在推廣應用中存在的問題

茶葉物聯網系統作為物聯網技術在農業領域應用的一個實例，仍然存在眾多問題。

4.1 溯源標準問題 茶葉物聯網管理系統中需要大量的傳感器監測傳輸數據，傳感器信息的獲取、數據平臺應用、人機交互接口等方面沒有統一的國家技術標準，商家沒有辦法按照統一標準進行規模化應用。

4.2 終端問題 茶葉物聯網終端具有茶葉物聯網平臺基本功能外還擁有傳感器和網絡接入等功能，且不同商家不同企業要求千差萬別，難以滿足終端產品的多樣化需求。終端產品多種多樣，終端成本降不下來，已成為制約茶葉物聯網推廣應用的重要因素。

4.3 信息安全及網絡協議問題 茶葉物聯網管理系統涉及到多種信息的頻繁采集，其中涉及到數據安全問題，包括防范商業企業數據信息泄露等。在茶葉物聯網的核心層面是基于TCP/IP協議的，但在信息接入層面，協議類別比較多，涵蓋GPRS、手機APP及短信、傳感器、手持終端等多種信息接入通道，茶葉物聯網需要建立一個統一的協議棧[5]。

4.4 信息共享問題 茶葉物聯網管理系統的應用推廣是一個涉及面廣泛的系統工程，其中采集的信息很廣泛，需要氣象、環境等部門和政府、企業、種茶農戶、消費者等進行大量信息的傳遞、共享和分析。茶葉物聯網管理平臺在不同的環節建立信息采集點，有效整合多類信息及功能是目前需要解決的關鍵問題之一。

5 結語

茶葉物聯網管理系作為物聯網技術與茶葉行業管理學科的交叉，涉及到的幾個關鍵技術都比較成熟，并分別在農業、林業、畜牧業等多個方面得到了廣泛的應用。物聯網技術的應用是現代農業發展的需要，也是未來農業發展的方向。將物聯網技術應用到茶葉物聯網管理系統領域，推動了茶葉管理科技的跨越式發展，為未來物聯網科技在農業領域的發展及應用開啟新的章程。

參考文獻

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[2] 唐珂.國外物聯網技術發展對我國的啟示[J].中國科學院院刊，2013，28（6）：700-707.

[3] 孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

[4] 蔡義華，劉剛，李莉.基于無線傳感器網絡的農田信息采集節點設計與試驗[J].農業工程學報，2009，25（4）：176-178.

[5] 張凌云，薛飛.物聯網技術在農業中的應用[J].廣東農業科學，2011（16）：146-149.