基于物聯網的有機蔬菜溯源系統

趙璐瑩++任振輝++王娟

摘要：針對有機蔬菜質量安全問題，構建基于物聯網的有機蔬菜溯源系統，完成了對系統感知層、網絡層、應用層的設計。其中，感知層利用RFID、傳感器、GPS、二維碼等技術實現對有機蔬菜溯源鏈各環節的數據采集；網絡層利用ZigBee、GPRS、Internet等網絡實現信息的接入、傳輸、通信；應用層實現對感知數據的統一管理。創建以B/S結構為基礎的有機蔬菜溯源信息服務平臺，實現有機蔬菜的追蹤和溯源，推動消費者、政府部門、企業分別行使知情權、監管權、管理權。

關鍵詞：溯源；無線傳感器；RFID；GPRS；物聯網

中圖分類號： TP391.44；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0427-03

收稿日期：2015-07-08

基金項目：保定市科學技術研究與發展指導計劃（編號：14ZG006）；河北省教育廳研究課題（編號：Z2012141）。

作者簡介：趙璐瑩（1991—），女，河北保定人，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制技術研究。E-mail：535320919@qq.com。

通信作者：任振輝，博士，教授，博士生導師，主要從事智能檢測與控制技術研究。E-mail：renzh@hebau.edu.cn。中國是蔬菜生產大國和消費大國。隨著人民生活水平的提高，蔬菜質量安全問題越來越引起人們的重視，有機蔬菜的發展適應了人們的消費需求。物聯網的出現和發展推動了食品質量安全的溯源。

成都市作為全國首批實施“肉類蔬菜流通追溯體系”的試點城市之一，利用IC卡技術對蔬菜質量安全進行溯源；上海市開發了“食用農副產品全程監控信息平臺”，為消費者對農副產品、農場及養殖場、屠宰、加工等生產源頭信息的查詢提供了渠道；北京市建立了“食用農產品標簽管理信息系統”，將蔬菜生產基地、品種、采摘時間、商標、認定編號等信息匯總至標簽信息碼，推動了蔬菜質量安全溯源建設[1]。本研究在“農超對接”模式下，從物聯網的感知層、網絡層、應用層3個層面對有機蔬菜溯源系統進行了研究，開發出有機蔬菜溯源系統信息平臺。該系統有利于種植基地管理員對有機蔬菜的生長環境進行實時監測調控，方便消費者查詢所購有機蔬菜從種植到銷售各環節的信息，實現消費者、政府、企業對有機蔬菜的追蹤和溯源。

1系統總體結構設計

本系統主要由感知層、網絡層、應用層3個層次構成（圖1）。感知層采用無線傳感器、RFID、GPS、二維碼等技術，負責有機蔬菜溯源鏈各環節的數據采集；網絡層采用ZigBee、GPRS、Internet等網絡技術，負責信息的接入、傳輸、通信；應用層負責處理和控制感知數據，包括對數據庫和有機蔬菜溯源信息服務平臺的管理[2-3]。

2感知層設計

2.1種植基地數據采集環節

種植基地數據采集環節主要涉及傳感器模塊、數據處理模塊、供電模塊3個部分（圖2）[4]。傳感器模塊負責田間信息采集；數據處理模塊以CC2530芯片為核心處理器，負責存儲和處理數據；供電模塊采用太陽能供電方式，對無線傳感器節點進行供電。

2.1.1傳感器模塊本系統采用空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2傳感器對種植基地的環境參數進行實時監測采集，自動記錄并上傳至上位機，以便種植基地管理員對有機蔬菜進行管理，生產出高質量的有機蔬菜，為有機蔬菜溯源系統提供可靠的源頭信息。

2.1.2數據處理模塊本設計中數據處理模塊采用CC2530芯片實現。該芯片支持IEEE 802.15.4協議和ZigBee協議，集成了優秀的RF收發器和業界標準增強型8051MCU內核，并且支持一般的低功耗無線通信。由于運行模式之間轉換時間短，從而減少了能源消耗。CC2530芯片通過I/O口與數據采集模塊、串口芯片相連，實現數據的讀取、存儲、處理[5-6]。

2.1.3太陽能供電模塊太陽能供電系統由太陽能電池組、充電控制器、超級電容器、防倒充二極管組成（圖2），實現對傳感器節點模塊的供電，擺脫了對農村配電網的依賴，低碳環保。

2.2基于RFID技術的流通環節

2.2.1RFID系統模塊RFID射頻識別技術是一種非接觸式的數據雙向通信技術，具有自動識別功能，是物聯網的核心技術。本系統采用超高頻RFID，主要由電子標簽、讀寫器、控制裝置3個部分組成（圖3）[7-9]。電子標簽和讀寫器均以CC2530芯片為核心，并與CC2591芯片相結合，增加了射頻距離，提高了設備的接收靈敏度（圖4）。其中，CC2530芯片的引腳P0-7、P1-1、P1-4分別連接CC2591芯片的引腳HGM、PAEN、EN，從而控制CC2591芯片的射頻收發功能。

2.2.2RFID技術在流通環節中的實現過程該環節主要利用RFID技術，通過讀寫器讀取電子標簽，并結合GPS全球定位系統，對生產、運輸、倉儲、銷售等各流通環節進行數據采集，自動上傳至物聯網[10-11]。在有機蔬菜進入超市賣場之前，相關工作人員須將電子標簽生成相應二維碼，貼到每個有機蔬菜上，以便消費者查詢種植和流通過程中有機蔬菜的相關信息，從而實現有機蔬菜的溯源，保證有機蔬菜的質量安全。

3網絡層設計

網絡層別稱網絡傳輸層，是感知層和應用層之間的橋梁，以無線傳輸與互聯網技術為承載，實現有機蔬菜溯源信息的

無線傳輸。本設計采用ZigBee、GPRS技術，主要負責傳輸和處理來自感知層的溯源信息，實現有機蔬菜的溯源和數據共享（圖5）。其中，Zigbee技術應用于種植基地環節中無線傳感器網絡節點，GPRS技術負責數據的遠距離傳輸[12]。

4應用層設計

4.1數據庫設計

目前，主流的關系數據庫有SQL Sever數據庫與Oracle數據庫。與Oracle數據庫相比，SQL Sever數據庫含有自主SQL語言，與Internet高度集成，具有較好的兼容性。本系統采用SQL Server數據庫完成數據庫設計。

ADO.NET數據訪問技術[13]是基于.NET框架中的用于數據庫訪問的組件。其主要特點是具有斷開式數據結構，可與XML緊密集成，能夠組合來自多個不同數據源的數據，具有與數據庫交互并優化的功能。本系統采用ADO.NET提供的2個核心組件：Adapter和.NET 數據提供程序來訪問SQL Server數據庫。對應的部分C#程序代碼如下：

//使用ADO.NET管理數據

DbSql _db=new DbSql（）；

//依編碼規則生成有機蔬菜編碼

//創建Command對象，并嵌入SQL查詢

string strsql=“ select* from YieldInfo where ProduceID=@ pProduceID”；

SqlCommand sqlcomm=new SqlCommand（strsq，l _db. DbS-qlConn（））；

SqlParameterProduceID=new SqlParameter（）；

ProduceID. ParameterName=“@ pProduceID”；

ProduceID. SqlDbType=SqlDbType.Char；

ProduceID.Value=TBCode.Text.Trim（）；

sqlcomm. Parameters.Add（ProduceID）；

//利用Adapter對象建立數據庫連接

SqlDataAdapter da=new SqlDataAdapter（sqlcomm）；

DataSetds=new DataSet（）；

DataTable datatable=new DataTable（）；

da.Fill（ds，“datatable”）；

if （ds.Tables[“datatable”].Rows.Count > 0）

{

Response.Write（ “ < script language=javascript> alert

（cThis code already existed！c）；”）；

}

4.2系統信息管理平臺

該平臺由有機蔬菜追溯查詢、企業基本信息、政府監管、有機蔬菜生產技術標準服務、幫助中心組成[14]。有機蔬菜追溯查詢：種植基地管理子系統、加工管理子系統、運輸管理子系統、超市管理子系統、銷售管理子系統、綜合查詢子系統。企業基本信息：種植企業信息、加工企業信息、運輸企業信息、超市信息。政府監管：認證信息、監管信息。有機蔬菜生產技術標準服務：生產技術標準、投入品信息、動態信息、相關法律法規。幫助中心：在線咨詢、在線反饋、聯系我們。

4.3系統功能實現

本系統采用B/S結構進行設計，用戶瀏覽端通過訪問Web服務器，與有機蔬菜質量安全監控溯源體系交互，為各角色用戶提供與有機蔬菜相關的信息服務[15]。消費者進入有機蔬菜溯源系統信息平臺后，無須注冊登錄，直接輸入有機蔬菜溯源碼即可對有機蔬菜的追溯信息進行查詢（圖6）。

5結論

本系統以計算機、物聯網、無線傳輸等技術為基礎，開發出基于物聯網的有機蔬菜溯源系統，并在以下3個方面展開研究：感知層利用傳感器、RFID、GPS、二維碼等技術，完成系統各環節的信息采集；網絡層采用通信技術，實現數據從感知層到應用層的傳輸；應用層設計出以B/S結構為基礎的有機蔬菜溯源系統信息服務平臺，實現了有機蔬菜的追蹤和溯源。

參考文獻：

[1]戴克鋒. 基于物聯網的蔬菜質量安全溯源系統研究[D]. 長沙：中南林業科技大學，2013.

[2]張世龍，沈玉利. 基于物聯網的有機茶安全產銷體系研究[J]. 物聯網技術，2013，3（2）：82-86.

[3]Regattieri A，Gamberi M，Manzini R. Traceability of food products：general framework and experimental evidence[J]. Journal of Food Engineering，2007，81（2）：347-356.

[4]程曼，袁洪波，高立艾. 基于太陽能供電的溫室無線傳感器網絡精量監測系統[J]. 廣東農業科學，2013，40（3）：179-181.

[5]高立艾，劉少博，唐娟. 基于ZigBee和GPRS的溫室環境無線監測系統設計[J]. 貴州農業科學，2013，41（4）：168-170.

[6]許東，操文元，孫茜. 基于CC2530的環境監測無線傳感器網絡節點設計[J]. 計算機應用，2013，33（S2）：17-20，24.

[7]何洪喜.RFID系統射頻電路優化設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.[14]van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892-898.

[15]徐紹輝，張佳寶，劉建立，等. 表征土壤水分持留曲線的幾種模型的適應性研究[J]. 土壤學報，2002，39（4）：498-504.

[16]Simfinek J，van Genuchten M，Sejna M. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water，heat，and multiple solutes in variably-saturated media[R]. University of California，2005.

[17]Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media[J]. Water Resources Research，1976，12（3）：513-522.

[18]雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學[M]. 北京：清華大學出版社，1988.

[19]畢經偉，張佳寶，陳效民，等. 應用HYDRUS-1D模型模擬農田土壤水滲漏及硝態氮淋失特征[J]. 農村生態環境，2004，20（2）：28-32.

[20]湯英，徐利崗，張紅玲，等. HYDRUS-1D/2D在土壤水分入滲過程模擬中的應用[J]. 安徽農業科學，2011，39（36）：22390-22393.

[21]張光輝，邵明安. 用土壤物理特性推求Green-Ampt入滲模型中吸力參數Sf[J]. 土壤學報，2000（4）：553-557.

[22]許建武. 尿素表施條件下畦灌水氮運動模擬[D]. 南京：河海大學，2012.

[23]馮錦萍，樊貴盛. 土壤入滲參數的線性傳輸函數研究[J]. 中國農村水利水電，2014（9）：8-11，22.

[24]聶衛波，費良軍，馬孝義. 區域尺度土壤入滲參數空間變異性規律研究[J]. 農業機械學報，2011，42（7）：102-108.曹洪武，周保平，姚江河. 基于PSO和視覺顯著性的棉花圖像分割算法[J]. 江蘇農業科學，2016，44（2）：430-433.