基于物聯網的農產品種植監控與質量安全溯源

摘要 在分析物聯網應用于設施農業的關鍵作用的基礎上，設計了一套基于物聯網技術的智能溫室大棚監控方案，簡述了其系統架構以及功能。針對農產品質量安全追溯的需求，利用物聯網技術（如RFID）、二維碼等信息感應技術實現了對農產品質量的安全監督。

關鍵詞 物聯網；智能溫室；農產品質量；溯源

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10788-03

基金項目浙江農林大學創新創業訓練計劃項目（201304018）；浙江農林大學科研發展基金人才啟動項目（2013FR013）。

作者簡介金煒（1991- ），男，浙江嵊州人，本科生，專業：農業機械化及其自動化。*通訊作者，講師，博士，從事農業信息化和設施農業研究。

近年來，設施農業作為一種新型農業產業，以高度集約化水平迅速發展，已成為現代農業結構的一個重要支柱，是未來農業形態的主導力量[1]。因為設施農業能使農作物超時令、反季節出產，顯著提高了土地、資源和勞動力的利用率，所以在應對農業發展中資源環境瓶頸的制約、革新農業發展方式、加強農業在市場上的競爭力等方面起到了重要作用。與此同時，物聯網技術的不斷發展與成熟為設施農業發展中存在的問題提供了新的解決方案。

經過多年的發展，物聯網技術與農業領域應用逐漸緊密結合，形成了農業物聯網的具體應用[2]。但該應用技術仍存在很廣闊的發展空間。在我國，物聯網技術在設施農業方面的發展與應用多數停滯在監測與初步分析的層次上，總體上仍處于初期階段，應用包括監測土壤溫度和濕度、作物生長環境光強、CO2濃度等數據，并根據監測數據的分析，作出決策，然后指導農事操作，而目前普遍存在的不足便是固然采集到了數據，但沒有聯動相關農用設備，僅用于展示或統計分析，沒有實現科學決策和智能控制的真正含義[1]。

現今農產品生產和消費的日益分離，不斷復雜化的供應系統，所涉及的生產、加工、運輸、檢測和衛生等物流環節眾多，不安全因素貫穿始終，食品安全風險在國內和國外頻繁發生，很大程度上影響了人們身體健康和社會穩定[3]。因而隨著信息技術和網絡技術的發展，利用先進的信息管理和無線傳感等技術對農產品進行生命周期的跟蹤管理，為人們提供了一種相對保證農產品安全的渠道。該研究提出的就是一種針對農產品產前到產后設計的監控方案。利用物聯網技術來完成信息交換和通信，物聯網的智能識別、定位、跟蹤、監控和管理為農產品的監測提供保障，并使PLC技術與相關農業控制設備相互作用，科學地、智能地決策與控制，能保證農產品的高效產出與質量安全，還實現了生產的各個環節可通過掃描二維碼的方式進行查詢，方便易操作。這項技術的運用對于增強農產品質量安全水準、加速農產品走進各大超市的腳步、加快轉變農業增長方式、保護廣大消費者的消費安全具有重大意義[4]。

1系統設計

1.1系統構建基礎及背景杭州建德紅群農業科技有限公司草莓溫室里面栽培的草莓采用立體栽培的模式，如圖1所示。立體栽培是盡可能不影響地表栽培的情況下，使植物依托豎立的栽培柱生長的栽培方式。此種培植模式特點是能較大程度地利用溫室空間和太陽光照，果實產量較高，品質優良，具有防治病蟲害功能，節約勞動成本，已被推廣與應用，適合規模化生產[5]。

1.1.1系統特點。該系統主要包括數據采集、智能分析和遠端控制，借助軟件和硬件系統，加入無線傳感器技術實現溫室智能化，共同組成無線監測系統的整體框架。特別需要指出的是，傳感器均為生態信息無線傳感器，是把傳統傳感器和無線模塊集成作為一個單獨的無線傳感器。它可以實時收集數據并通過無線網關傳至Internet進行處理，免去了布線的煩惱。由于農場中溫室大棚由多個溫室組成溫室群，其布置比較分散，傳統的有線互連方式進行傳感器布置勢必面臨諸多問題：線路過長易導致施工布線困難和通信速率受限；要求總線驅動能力高、信號衰減、反射強烈；室外線路容易遭受滲水、雷擊等，線路易產生接口腐蝕，維修過程繁瑣，增添后期維護成本。

1.1.2無線傳感設備。圖2a所示設備用于溫室大棚內外空氣溫濕度采集及傳輸，內置低碳環保的充電式鋰電池可連續使用180 d以上。溫度檢測范圍為-40～85 ℃，誤差±0.5 ℃（-40～120 ℃），濕度檢測范圍為0～100%RH，誤差±3%RH。外殼組成是氣象專用輕型百葉箱和防結露PE防護套。傳感信息數據存儲量為86 K，配有兩個USB傳感器拓展口。安裝方式可以采取立式和懸掛式。

1.2系統總體架構該系統是應用在溫室大棚中，圖3是該系統的工作原理圖。系統工作時，首先采用生態信息無線傳感器收集棚內與農作物相關的各項環境數據，如溫度、濕度、光照等，這些數據通過無線中繼、無線網關傳至Internet，信息處理平臺從Internet接收到相關數據并處理后，把處理信號反饋給無線繼電器和PLC來控制棚內各農用設備的開關，實現了設備的智能控制。該系統能實現遠程監控，并使棚內各項環境因子的數據保持在適合農作物生長的范圍，它的最大特點是整個信息鏈均在無線環境下傳輸，十分地高效便捷。

1.3系統主要功能

（1）系統平臺可以對空氣溫度、濕度、光照、CO2濃度等數據進行采集并存儲在服務器中，可實時監測環境參數，并查看歷史環境數據指標，對作物生產過程進行有效監控。

（2）各溫室環境參數控制范圍可獨立設定，適用于不同品種、季節、生長期，方便靈活。

（3）系統具備報警和實時遠程監測功能。當一個溫室環境指標超過極限值時，系統可以通過語音或SMS（短消息設備配置）建議有關人員及時處理。在該系統平臺下，管理人員可通過網絡，實時掌握基地溫室內環境信息。

（4）系統可將環境數據的各項指標發送給LED顯示屏，實現直觀的環境數據顯示。

（5）利用該系統創建相關作物生長數據庫，可作為研究根據及生產指導。輔助生產人員積累種植經驗和生產管理策略，使種植管理全過程高效化、工廠化。

（6）系統中視頻設備可通過Internet達到權限訪問。通過網絡，客戶可以對實際溫室作物生長狀況有全面了解。

（7）根據設置參數實現對農業設施的自動控制。系統根據環境參數采集系統獲取的信息，對比各類農作物生長適宜環境參數，通過網絡反饋給無線繼電器和PLC，驅動各類監控儀和農用控制設備，如遮陽網、噴滴灌設備和風機等，構成較全面的自動化控制網絡。

（8）利用物聯網技術（如RFID）、二維碼等應用標識技術加強對農產品質量安全的監督，讓消費者能僅使用現代移動通訊設備的情況下就可以查詢產品生產源頭。其中RFID屬于一種采取非接觸方式，借助射頻信號能夠自動識別物體，并且收集相關數據的智能識別技術。RFID應用于目前現代農業信息化管理，是通過相關設施來控制PC進行控制操控，實現對土壤溫濕度和農作物的營養元素含量等監控，從而實現對農業的信息化管理，提高農業工作效率[6]。

2基于物聯網技術的農產品質量安全溯源

2.1溯源概念在某產品供給的整個過程中，對其各方面信息進行記載并實時存儲的安全保障體統可稱為溯源系統。可以保證產品質量出現問題時，快速和有效地查詢生產的原材料或加工方式，必要時產品召回，并執行目標明確的制裁，從而提高產品質量。農產品溯源是追蹤農產品進入市場各個階段（從產前到產后的全過程）的系統，有助于質量控制和產品安全[7]。

2.2溯源對象及基本流程溯源對象主要涉及到蔬菜、瓜果等農產品（以上述系統監控下的草莓溫室大棚為例）。農產品溯源系統是基于物聯網的應用標識技術，對產前、產中、產后各環節實施全程跟蹤的系統。圖4為溯源流程示意圖。圖4溯源流程示意基本流程是對種植農產品的溫室大棚（溫室群）進行規劃，對生產情況和監測結果詳細電子記錄，再通過對每個溫室大棚內關鍵控制節點管理，建立中心數據庫，分析并存儲各環節的信息，實現對農產品生產過程的跟蹤和溯源管理。

2.3應用效果及可能存在問題產品具有“從農田到餐桌，再從餐桌到農田”的可追溯性標識以及產前、產中和產后安全信息的全程電子監管，完成種植、出產、物流各環節全方位安全信息的跟蹤。農作物產品有據可查，使用二維碼能輕松實現讓消費者買到農產品前通過終端設備（多指手機）或者網絡就能查看各類相關信息，放心挑選食用，但在二維碼技術運用過程中如何保證不受病毒侵擾仍是亟待解決的一個問題。

3小結

物聯網技術在現代農業領域的應用形式和成果是多樣化的，是現代農業發展過程中的墊腳石，舉足輕重的作用使其成為未來農業發展水平的一個顯著標志，為今后農業的長足進步起正催化劑作用。該研究提出的觀點著重于加強農產品的種植與溯源、產前與產后的聯系，并實現了無線控制平臺與相關農用控制設備進行聯動，為現代農業的改革做出新的嘗試，增強農產品的安全，提升農業自動化、智能化。

參考文獻

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