基于物聯網的農業生產基地現場管理與質量追溯系統

孫奕敏 王玙璠 艾浩軍

（1.中國人民武裝警察部隊山東總隊訓練基地，山東 濟南 250000；2.武漢大學計算機學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

我國擁有數十億人口，屬于農業大國，農產品歷來是政府關注的重要問題。近年來，農產品質量安全問題受到了前所未有的高度重視。2007年8月17日，中華人民共和國國務院辦公廳宣布成立國務院產品質量和農產品安全領導小組。各個省市配合中央政府的工作，分別成立了省、市產品質量和農產品安全領導小組。2007年初，上海市產品質量和農產品安全領導小組12J 出臺一系列政府監督、控制政策。2007年10月，該小組啟動“上海市產品質量和農產品安全專項整治”，在產品和農產品生產、加工、流通和消費所有節點宣傳活動的內容。

農產品質量安全問題不僅關系到公眾的身體健康，而且對農業發展、農民增收、農業貿易和農業現代化建設具有重大影響，成為新時期我國農產品生產和供給急需解決的一個重要課題。要達到提高農產品優質生產和消費安全目標，就要解決和實現對農產品“從生產到餐桌”的全程質量監控，治本之策是要建立完善的農產品質量安全體系。

近年來，農產品農藥殘留、獸藥殘留和其他有毒有害物質超標造成的餐桌污染和引發的中毒事件時有發生。解決“餐桌污染”問題，除了保護農業產地環境和完善農產品市場準入外，建立農產品質量安全信息系統，加快農產品質量安全信息的有效傳播，是解決“餐桌污染”信息不對稱問題的重要途徑之一。

1 農產品質量管控的要點

為確保有機農業產品滿足有機農產品的標準，保障食品安全必須從以下兩個方面著手。

1.1 過程管控

為了保證食用農副產品質量安全信息平臺提供消費者查詢信息的可靠性，對于加入平臺的企業要求使用專門的生產管理系統，采集農產品生產全過程數據。對農產品產前的水、氣、土等環境檢測數據記錄，產中生產過程控制、飼料/肥料的使用、農藥/獸藥等的使用，產后對產品的藥物/重金屬殘留等記錄。實現對農產品供應鏈的全過程監控和管理。

1.2 供應鏈溯源

供應鏈的每個成員都應當能夠追溯產品生產者以及產品成分、包裝、來源等特征，也應當能夠向前追蹤產品成分、包裝和產品的的每一項活動。要設計一個具有對整個價值鏈可追溯性的供應鏈，企業必須創建流程和基礎架構來收集、集成、分析和傳遞關于產品來源和特征的可靠信息，貫穿于整個供應鏈的各個階段（從農場到餐桌）。它將企業的技術解決方案整合起來，使物理供應鏈（商品的運動軌跡）和信息供應鏈（數據的收集、存儲、組織、分析和訪問控制）能夠相互集成。有了這樣的供應鏈可視性，企業就能保護和推廣品牌、主動地吸引其他客戶并降低安全事故的影響。

2 系統技術體系

物聯網的農業生產基地現場管理與質量追溯系統涉及的技術體系包括以無線傳感網為基礎的環境檢測技術，以視頻內容分析為基礎的視頻摘要自動生成技術，以RFID、二維碼標簽為基礎的產品溯源技術。

2.1 基于無線傳感網的環境監測技術

通過無線網絡，利用短程通信與遠程通信技術相結合，采用Zigbee 組網，Zigbee 到IP 通過傳感網關接入到場區信息網，將傳感器采集的環境數據，包括溫度、濕度、敏感氣體、菊酯類農藥濃度等信息收集起來，形成無線傳感網絡，實現對有機會蔬菜基地的監測。有機蔬菜生產場地和加工車間的傳感網如圖1 所示。

圖1 有機蔬菜基地傳感網

2.2 視頻監控日志與摘要的自動生成技術

在有機蔬菜生產場地內的關鍵監控點部署攝像頭，實現虛實結合可視化操作，采集視頻證據數據，利用視頻內容分析技術，分割感興趣目標，提取視頻特征，提取典型的視頻事件，通過高級語義進行表達，自動生成事件的視頻摘要和視頻日志，將人從海量的視頻數據中解放出來，提高視頻監控的可用性，提高檢索效率，降低存貯成本，同時便于日后查找和產品溯源。

2.3 組合RFID、條碼和二維碼的產品溯源技術

通過RFID、條碼和二維碼的組合識別碼提供的信息，RFID 具有容量大、壽命長、自動識別等特點可用于大行包裝的標示，用于記錄生產產地、生產單位、生產過程、農藥化肥使用情況等信息，如圖2 所示。而條碼和二維碼成本低，能記錄同一類商品的信息，可廣泛應用于單個商品的標識，如圖3 所示。同時二維碼可便于手機進行查詢。當產品發生安全性等事故時，通過追溯信息系統可迅速回溯過程及查明原因所在，正確而迅速地回收產品，防止產品事故的再發生，也可確認業者的責任，從而有效促進對生產和流通過程的重視，保障農產品質量安全。

圖2 帶有RFID 標簽的果蔬箱

圖3 帶有條碼的小包裝果蔬

3 系統建設內容

3.1 系統基本結構

根據目前國內的實際情況，提出建設物聯網有機農業的思路，系統建設內容主要包括建設基礎信息網、生產過程日志與檔案系統、有機農產品標簽跟蹤系統、有機產品銷售系統和系統管理平臺。智慧農業系統的結構可以采用物聯網應用的一般結構，如圖4 所示。

圖4 智慧農業系統基本結構

3.2 建設基礎信息網

3.2.1 場區信息網

場區信息網既要承載場區內的生態環境信息、視頻信息和一般辦公用途信息。同時還能接入互聯網，實現內網與互聯網（外網）的互聯互通，這對場區的信息網建設提出了新的要求。一方面，辦公樓要接入電信運營商寬帶，另一方面，各基地要通過無線接入點（Wi-Fi AP）將信息傳遞到辦公樓，實現信息互通。

需要考慮場區內各功能區的地理位置分布，在場區內部署局域網，各區之間通過網線連接，形成無線局域網，無線局域網采用IEEE 802.11n 標準，標準速度達到150Mbps。按此方式組網的場區信息網，主干道的無線網絡理論速度是300Mbps，實際運行可以達到150Mbps的速度，能滿足場區信息化的要求。如圖5 所示。

圖5 場區信息網示意圖

3.2.2 無線傳感網

場區無線傳感網要承載場區內的種植基地、養殖基地和沼氣池的生態環境信息，包括溫度、濕度、照度和敏感氣體濃度等，將這些信息通過無線自組網絡傳遞到ZigBee 網關，采用IEEE 802.15.4 標準，再由LAN 局域網傳送到控制臺服務器進行分析，實現傳感網與互聯網的互聯互通。

場區內無線網絡部署方案如圖6 所示。

圖6 場區無線傳感網絡結構圖

在種植基地和養殖基地內都布置了大量傳感器，這些傳感器采用自組織的方式形成無線傳感網進行信息傳遞與發送，最后通過一個無線傳感網關搜集所有的傳感節點信息，再將這些信息統一發送到控制臺服務器進行處理。這種無中心的分布式控制網絡，不需要類似基站或者訪問服務點這樣的中心控制設備，即不需要利用現有的網絡基礎設施同樣能提供一種通信支撐環境。在任何時間、任何地點不需要現有的信息基礎網絡設施的支持，快速構建起一個移動通信網絡。

3.2.3 無線視頻監控網

視頻監控的目的有兩個，一是對生產過程監管，二是生產過程的展示。為保證設備的兼容性，所有攝像頭均內置編碼設備，即采用網絡攝像機，并且盡量選用支持以太網供電（POE）的設備。

組網方式見圖7：

圖7 場區無線監控網絡結構圖

在場區的種植基地、養殖基地和沼氣池的重要監控點布置攝像設備，通過無線網絡將實況錄像發送至控制臺服務器，服務器對這些視頻數據進行處理和分析后，再通過光纖接入的大寬帶上傳至互聯網，提供在線展現，讓人們在家也能實時觀看場區內的情況。

3.3 生產過程日志與檔案系統

服務器對視頻數據進行的處理和分析包括對冗余信息的剔除、將有用的信息保存。由于場區內視頻信息量非常大，只靠人工處理這些信息變得不可能，因此可以引進計算機視覺的技術，通過有效的算法對智能處理這些視頻，提取出人們感興趣的視頻摘要，對每天的生產情況提取視頻日志，這樣建成的日常視頻檔案可以有效地對場區進行科學地管理。

無線傳感網與無線視頻監控網并不是獨立的，它們應當相互依存，將某個監測點的生態環境信息和視頻監控信息應該綁定在一起，做到“虛實結合”，當查詢產區內某一點的信息時，相關的環境與視頻信息就都能同時顯示出來，使得有機農產品的生產全過程可視化。

將無線傳感網和視頻監控網采集到的信息結合統一起來，構成生產過程日志與檔案，構建管理這些信息的系統，可以作為后續質量安全管控的有力支持。

3.4 有機產品標簽跟蹤系統

蔬菜供應鏈和大多數農產品供應鏈一樣，也包括生產、加工、倉儲、運輸和銷售等幾個環節，提交有機蔬菜供應鏈效率的關鍵也是如何協調幾個環節及如何提高每個環節的效率。如圖8 所示。

圖8 新鮮蔬菜供應鏈

從蔬菜供應鏈整體可以看到，通過使用RFID 和條碼、二維碼的組合標簽技術，能夠方便地把整個供應鏈中各個環節的信息讀入公共數據庫，各個環節也可以便捷地增加相應環節的數據。消費者和相關主管部門也可以通過通信網絡和終端進行查詢與追溯。根據現有商業模式的使用習慣和使用成本，可以整箱使用RFID 標簽，內部小盒裝使用條碼或者二維碼。

標簽上要記錄的信息包括：

（1）生產階段的信息，包括品號、產地、電話、化肥明細、種植時間等。

（2）加工階段的信息：小盒貼上條碼，大盒貼上RFID 標簽，二維條碼直接保存了產地、收割時間等重要信息，也能透過二維碼訪問中心數據庫。

（3）倉儲階段記錄的信息，包括入庫時間、入庫區位、貨架貨位和出庫時間等。

（4）運輸階段的信息：GPS+RFID 標簽，包括上車時間、途中溫度狀況、路線信息、下車時間等。

這些信息分別記錄在RFID、條碼和二維碼標簽上，根據這三種標簽各自不同的特點和功能，采用不同的方式來標識包裝，記錄了有機農產品生產過程和供應鏈全程的信息，能夠有效進行質量管理，既節約了成本又能在出現問題時方便消費者追蹤溯源。二維條碼包裝過程和記錄的信息如圖9 所示。

圖9 二維條碼包裝過程何記錄信息

通過RFID、條碼和二維碼的組合識別碼提供的生產產地、生產單位、生產過程、農藥化肥使用情況等信息，當產品發生安全性等事故時，通過有機蔬菜標簽跟蹤系統可迅速回溯過程及查明原因所在，正確而迅速地回收產品，防止產品事故的再發生，也可確認相關的責任，從而有效促進對生產和流通過程的重視，保障農產品質量安全。

3.5 有機產品銷售系統

記錄銷售階段的信息，包括進入店面時間、銷售時間、總量統計、過期數量等。該系統軟件還需要與超市的營業網點的進銷存系統對接。

最終消費用戶可以使用自助式信息查詢機，查詢到小包蔬菜的所有信息。如圖10 所示。

圖10 蔬菜信息查詢

該系統的成功投入使用可以促進有機蔬菜的透明化跟蹤，提高銷售量，讓消費者“買的放心，吃的安心”。這樣物聯網不僅應用在農業生產與運輸，也能應用于有機農產品的銷售等服務當中，對物聯網產業鏈的發展也起到積極地推動作用。

3.6 系統管理平臺

可以通過局域網綜合管理場區視頻，查詢生態環境信息，有機農產品跟蹤信息。建立互聯網網站，按照農產品的生產流程設計一個循環農業的體驗平臺，在互聯網上展示農產品的生產全過程。為有機農業的發展提供了絕好的契機，不論是生產、運輸還是銷售全程供應鏈都實現可視化、透明化監控，有利于規范我國農產品生產和貿易行為，指導農產品生產并引導消費，保障農產品的有效供給和消費安全，增強我國農產品在國內外市場上的競爭力，實現農業增效、農民增收和農業可持續發展。

信息發布系統需要公開農產品生產過程信息和供應鏈管控信息，以保證食品安全，它提供多途徑的便民查詢，如通過12316 便民平臺，撥打熱線電話查詢；手機短信查詢；通過手機拍攝二維碼圖片，再上傳到網上查詢；甚至利用賣場的直接讀取設備，如觸摸屏等查詢該農產品的生產和供應鏈信息，對生產經營者形成有效的社會監督。

4 小結

要達到提高農產品優質生產和消費安全目標，就要解決和實現對農產品“從田頭到餐桌”的全程質量監控，治本之策是要建立完善的農產品質量安全體系。通過信息化的手段，對農產品質量安全進行“數字化”管理，在生產過程中，可通過物聯網進行環境監控，除可覆蓋農業大棚，還可在畜牧養殖、水產養殖、生產環境監測、倉儲環境監測等場景進行應用。通過多種傳感器實現信息的收集與傳遞，農牧業生產各環節都可以控制，并且食品可以溯源。智慧農業通過過程管控和供應鏈溯源，從而有效保證食品質量安全，讓人們吃的放心，吃的健康，吃的新鮮，完成從田間迅速到餐桌的快捷過程，通過物聯網我們可以實現這一遠景目標。

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