基于物聯網的蘋果質量安全監管和溯源系統研制與應用

劉勤朝 馬玉杰 李建朝 喬虎子 嚴亮

摘要 為提高蘋果園管理信息化水平和果品質量安全監管水平，集成物聯網、大數據、機器學習、云計算及區塊鏈技術，研發基于蘋果生產、供應、銷售全產業鏈的質量安全溯源系統。該系統利用RFID設備、條碼設備、無線網絡設備進行蘋果種植、儲藏與流通、市場銷售等數據采集，構建基于果園管理專家知識庫、栽培管理技術庫、貯藏與物流技術庫、市場銷售信息庫的基礎數據模型，用于蘋果種植管理、貯藏與流通管理、市場準入管理、蘋果零售管理等業務處理，實現果園管理指導、蘋果產品全程追溯、召回分析、品質檢測多維分析、產品質量安全預警等功能。

關鍵詞 農業資源;質量安全;溯源;信息系統

中圖分類號 S126? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）24-0220-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.054

Development and Application of Apple’s Quality and Safety Supervision and Traceability System Based on the Internet of Things

LIU Qin-chao，MA Yu-jie，LI Jian-chao et al （Yan’an Fruit Industry Research and Development Center，Yan’an ，Shaanxi 727400）

Abstract In order to improve the apple orchard management informatization level and the fruit quality and safety supervision level，we integrated internet of things，big data，machine learning，cloud computing，and blockchain technologies，research and develop the quality and safety traceability system for the whole industrial chain of apple's production，supply and sales. This system used RFID equipment，bar code equipment and wireless network equipment，built a basic data model based on orchard management expert knowledge database，cultivation management technology database，storage and logistics technology database and marketing information database，which was used for apple planting management，storage and circulation management，market access management， apple retail management and so on. The aim was to realize orchard management guidance，apple product traceability，recall analysis，quality testing multi-dimensional analysis，product quality and safety early warning and other functions.

Key words Agricultural resources;Quality and safety;Traceability;Information system

作者簡介 劉勤朝（1969—），男，陜西宜川人，正高級農藝師，從事農村區域發展和農業信息化研究。

收稿日期 2021-07-13;修回日期 2021-08-16

“民以食為天，食以安為先”。水果消費已成為人們健康消費的主要食材。隨著水果消費數量的增加，水果質量安全問題越來越受到消費者重視。蘋果作為延安乃至陜西的支柱產業，在脫貧攻堅和鄉村振興進程中擁有舉足輕重的地位[1]。近年來，隨著蘋果生產規模的擴張，一些蘋果生產者與經營者為追求利益最大化，化肥、農藥使用量不降反增，導致蘋果品質下降、藥物殘留超標，嚴重損害了消費者的利益與身心健康。保障蘋果質量安全既是滿足消費者對農產品質量安全的要求，也是維護消費者合法權益的有效途徑，溯源系統研制與應用就是對蘋果在各個環節中真實的信息進行準確追溯[2]。

物聯網技術通過使用不同智能傳感器、射頻識別設備、光感掃描器以及3S技術智能裝備等信息遙感設備，經過統一協議，將農業中相關作物的各項指標以及其他農產品與互聯網相連接，從而實現人與這些信息進行交換、通信，以及智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種龐大的網絡智能結構[3]。將物聯網技術應用到蘋果產業發展中，是提高蘋果生產效率以及改善蘋果產業信息化發展水平不可或缺的選擇[4]。近年來，我國部分地區在農業物聯網技術應用中進行了良好的探究，同時也取得了可觀的成果[5-9]。區塊鏈具有不可篡改、高加密和可追溯等特點，隨著區塊鏈技術的不斷發展和完善，基于區塊鏈技術的應用被越來越多的行業認同并應用到相關領域，包括農產品質量追溯[10-15]。為促進延安蘋果高質量發展，結合延安蘋果發展現狀，必須強化蘋果質量安全監督，建立質量溯源體系。為提高蘋果園管理信息化水平和果品質量安全監管水平，筆者集成物聯網、大數據、機器學習、云計算及區塊鏈技術，研發基于蘋果生產、供應、銷售全產業鏈的質量安全溯源系統。

1 總體目標

針對蘋果生長環境和產供銷全產業鏈開展基于物聯網的蘋果質量安全監管和溯源系統研制與示范應用服務，構建具備蘋果生長環境及其全生命周期精準管控的智慧管控一體化平臺，對蘋果資源、地理信息、病蟲害、生態環境等進行全方位監測、標注和信息融合，促進農藥、農資等投入品合理使用;將區塊鏈溯源數據化管理貫穿整個蘋果產業各個環節，確保果品商品化過程管理規范;提升信息化水平，提高蘋果產業管理決策者在生產決策、優化資源配置等方面的綜合管理水平，成為智慧蘋果產業的決策指揮大腦，促進果園農事作業精細化，實現蘋果產業的自動化、信息化、智能化管理目標。

2 建設內容

面向延安農業農村管理部門、企業及個人等用戶，提供“基于物聯網”一站式解決方案。系統建設內容主要包括蘋果種植園物聯網測控系統、蘋果園灌溉水肥管理和生產數字化管理系統、蘋果樹病蟲害智能防控系統、蘋果種植投入品監管系統、基于區塊鏈蘋果質量安全追溯系統、蘋果線上銷售系統、智慧果園APP、綜合管理系統、系統接入9大應用系統。

3 平臺總體構架

基于物聯網的蘋果質量安全監管和溯源系統研制與應用示范項目是依托物聯網、云計算、大數據等技術，具有虛擬化、高可靠性、可擴展性等優勢。項目有助于現代蘋果產業向綠色、有機方向高質量發展，監管綠色、有機果品生產全過程，推動綠色、有機蘋果產品的認證和可追溯系統的建立。

系統結構分為全面感知層、基礎設施層、數據中心層、應用支撐層、應用層、訪問層（圖1）。①全面感知層：通過物聯網、互聯網采集、第三方數據平臺等多種數據渠道全方位地感知農業。②基礎設施層：計算、存儲、網絡、安全和災備等基礎軟硬件系統的服務集合，建設目標是充分利用現有云資源管理系統及虛擬化軟件，構建統一的計算、存儲、網絡資源池，滿足數據中心環境中靈活資源調配和服務交付，提高資源利用率，提供計算、存儲、網絡、安全、災備等多種資源服務。③數據中心：主要包括數據資源層、數據共享交換系統、農業大數據統計與分析系統。④應用支撐層：主要部署相關底層服務，包括等點登錄（SSO）、表單引擎、統一搜索引擎、日志服務等。同時，部署應用基礎服務，用來對上層應用提供底層支撐服務，主要包括數據集成、服務集成、應用集成、流程集成等。⑤應用層：依據業務需求提供定制化的服務，包括工廠化育苗系統、物聯網測控系統、水肥管理和生產數字化管理系統、病蟲害智能防控系統、農業投入品監管系統、農產品質量安全追溯系統、農產品線上銷售系統、綜合手機APP、數據接口系統、可視化展示系統及綜合管理系統。⑥訪問層：實現統一用戶、跨平臺應用。用戶可以通過Web、移動終端、大屏、平板訪問該平臺，方便用戶最快獲取有效信息。

4 平臺功能設計

4.1 數據中心

基于云資源技術及虛擬化后端管理技術建設果樹與蘋果全生命周期數據中心，建立長富2號、禮泉短富、玉華早富、巖富10、新2001、煙富6、蜜脆、華碩8種蘋果生產、加工、流通環節大數據信息模型，采集匯聚基本數據，溯源數據、營銷數據、生產數據及其他數據，支撐各類業務系統數據的交換共享，同時進行數據存儲和數據統計、分析等服務。將現有數據資源匯聚，破除信息孤島，持續推進蘋果產業生產、加工、銷售、發展等數據的匯聚、共享交換和應用。

4.2 應用支撐系統

為了使平臺能順利運行，對3PB以上的數據存儲容量進行處理，平臺需要有足夠的性能指標要求來滿足和支撐業務。平臺能夠保證海量數據的高并發讀寫性能和網絡吞吐性能在合理范圍內，確保本地響應時間小于100 ms，有效保證業務系統的高效性?；ヂ摼W查詢響應時間3～5 s，對關鍵業務提供快速的響應，使得業務能夠正常、順利、高效開展。

4.2.1 蘋果種植園物聯網測控系統。

基于物聯網的蘋果生產測控以環境監測設備（傳感器、監測終端、傳輸終端）部署為基礎，對土壤養分、溫度、濕度、pH，空氣溫度、濕度，光照強度、時間等多項環境要素進行監測。通過物聯網系統將數據上傳至云服務器，實現數據云共享，管理者打開云平臺即可實時獲取相應數據。云平臺通過數據計算和應用能力，對數據進行實用性分析、對比，獲取更多、更全、更實用的可靠數據，幫助農企、農戶在種植管理中清晰掌握環境因素變化，及時提出相應對策。物聯網平臺系統由數據采集監控系統、數據處理系統和遠程控制系統組成。數據傳輸根據現場情況選擇NB-IoT/4G/5G無線網絡，近距離傳輸采取WBUS總線通訊模式，保證網絡系統的穩定運行。

4.2.2 蘋果園灌溉水肥管理和生產數字化管理系統。

蘋果生產中肥料利用率不高是制約果業提質增效的關鍵因素。系統根據果樹對水、溫度、空氣、養分等因子的需要來制定適合果樹生長的灌溉方式。利用壓力灌溉系統，將肥液與灌溉水混合，通過可控管道系統，均勻、定時、定量浸潤果樹根系成熟區，使根系土壤始終保持適宜的含水狀態。同時，根據果樹花芽分化期、果實膨大期等不同生長發育時期對水肥的需求特性按需按時按量供給（圖2）。

4.2.3 蘋果樹病蟲害智能防控系統。蘋果主要蟲害有紅蜘蛛、金紋細蛾、蘋小卷葉蛾、蘋果黃蚜等，現在生產中普遍利用化學藥劑進行防治，對自然環境、蘋果品質和安全性有極大影響。該系統通過蟲情智能監測設備，定時采集現場圖像，自動上傳到遠端的物聯網監控服務平臺，用戶可隨時遠程了解果園蟲情及變化，及時制定防治措施，實現無公害誘捕殺蟲。

4.2.4 蘋果種植投入品監管系統。

隨著果業的快速發展和生產規模的不斷擴張，經營者對農業投入品的需求越來越大。因此，建立農業投入品的監管系統非常必要。農業投入品監管系統由3個子系統組成：投入品經營單位經營條件審查系統、農業投入品登記備案系統、農業投入品流轉記錄系統。通過整治投入品經營條件、實施備案審查、記錄產品流向來實現規范經營，優質銷售，全程跟蹤，延伸監管鏈條，擴大追溯范圍，切實提升農業投入品監管效能，保證蘋果質量安全。

4.2.5 基于區塊鏈的蘋果質量安全追溯系統。區塊鏈溯源實現了數據的不可篡改以及可完整追溯等特性，打破信息孤島，防止惡意竄貨導致的商業競爭問題。基于可視化、區塊鏈的溯源系統是通過在蘋果生產基地應用便攜式農事信息采集、生產履歷信息的快速采集與實時上傳;可視化是在溯源檔案中加入蘋果種植視頻和圖片便于直觀展示;通過在蘋果生產企業、種植戶應用蘋果安全生產管理系統實現蘋果標準化生產產前提示、產中預警和產后檢測;通過將各生產企業數據匯集到上級管理部門，構建追溯平臺數據庫，實現上網、二維條碼掃描等方式的追溯，從而保障蘋果質量，保護蘋果品牌。蘋果質量安全追溯平臺搭載了企業管理、溯源信息查詢和監督管理3個子系統，可實現蘋果全產業鏈的質量監管與溯源，進而督促企業落實生產責任，協助政府落實監管責任，為消費者落實監督責任搭建平臺。

4.2.6 蘋果線上銷售系統。

蘋果線上銷售系統共有13個子系統，分別是蘋果電子商城、供應商管理系統、客戶管理系統、電商交易系統、冷庫進銷存管理系統、流通環節采集系統、O2O管理系統、電子支付系統、蘋果銷售熱力圖、財務管理系統、客服系統、客戶關系管理系統、微信平臺。

4.2.7 智慧果園APP。針對當地的果業企業、合作社、生產者、經銷商等用戶，開發基于移動互聯網的智慧果園APP，包括果業物聯網信息管理（環境信息監測、實時視頻監控）、智慧大棚管理（病蟲害信息管理，水肥信息管理）、溯源管理、專家在線、氣象預警、蘋果交易系統、市場行情（蘋果價格、供求信息、新聞資訊等）等功能模塊。

4.2.8 綜合管理系統。綜合信息管理系統的主要功能有用戶角色及權限管理、平臺日志管理、信息管理、通知公告、系統設置、歷史數據歸檔、數據管理、組織機構管理等。綜合信息管理系統實現對示范基地基本信息采集、匯總、分析、管理，包括蘋果產業示范基地主體備案、生產信息采集、蘋果示范基地矢量地圖展示等功能。

4.2.9 數據接口系統接入。數據接口系統對所有資源目錄中的數據資源提供標準的數據服務API接口，并通過接口授權管理進行控制。各個資源服務接口提供標準接口使用說明文檔，可對農業政府各級平臺以及第三方應用系統實現數據交換共享、資源整合、大數據分析的目的。目前系統支持數據接入及應用接入，包含4種接入方式，具體如下：

（1）Web Service接入?；诳删幊痰腤eb的應用程序，不依賴于語言或平臺，實現不同語言間的相互調用，通過Internet進行基于Http協議的網絡應用間的交互。

（2）Json接入。輕量級的數據交換格式?；贓CMAScript的1個子集，采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數據。

（3）消息隊列接入。所有應用之間要通信的消息都通過消息隊列來傳輸，由消息隊列來保證數據傳輸的異步性、穩定性等。

（4）遠程過程調用接入。通過接口調用SAP內部的標準或自定義函數，獲得函數返回的數據進行處理后顯示或打印。

4.3 促進蘋果線上線下營銷推廣

4.3.1 做好線上線下市場拓展。依托全國各大知名電商平臺，通過平臺“企業+基地+網店”模式和蘋果大數據優勢，開展蘋果精準營銷，拓展蘋果銷售渠道，促進農民增收。

4.3.2 做大做強延安蘋果、洛川蘋果公共品牌。

開展基于蘋果大數據的品牌策劃、營銷推廣，推動果品轉型升級，增強延安蘋果和洛川蘋果產品的市場競爭力。

4.3.3 孵化培育電商人才。利用蘋果大數據建立多層次的農村電商培訓機制，壯大蘋果產業創業從業群體。

4.3.4 安全保障體系建設。依據ITIL，建立符合ISO20000的運維流程規范，具體業務和內容可根據項目需要進行調整。運維服務規范的基本框架如圖3所示。

運維服務管理需要依照IT服務管理最佳實踐（ITIL），建立符合ISO20000的運維流程規范，最大程度上保證平臺網絡能夠安全、可靠、高效運行。建立適合ITIL管理框架的一、二、三線技術運行維護體系。運維呼叫中心作為服務對外的統一窗口，向用戶提供全天候服務，實現客戶服務受理、處理、跟蹤、反饋的閉環管理。在運維服務中心設立客戶服務組，能及時響應客戶需求（圖4）。

（1）一線服務。IDC平臺值班工程師采用全天候的方式組成一線技術服務團隊。團隊成員具備生產工藝流程、物流、信息流等相關方面知識，掌握應用系統、系統軟/硬件、通信、機電等現場設備日常點檢和維護技術，能嚴格按照操作手冊開展日常點檢和維護工作，能處理常見故障，編制并實施日常維護方案和對系統重大故障進行初步判斷。

（2）二線支持。由經驗豐富的專業技術領域工程師組成的二線支持團隊，是一線服務的技術支撐，通過現場或遠程方式提供全天候技術支持服務，并承擔所維護系統的調優、完善、預防維護及對模型與工藝方的公關等工作。

（3）三線支持。相關企業各領域技術專家及廠商作為三線支持的支撐，負責運維服務整體方案的策劃、技術規范的審核和重大故障的技術支持，解決系統級問題。

4.3.5 標準規范體系。

嚴格按照質量管理體系、信息安全管理體系、CMMI管理體系、HSE管理體系、IT運維管理體系等要求，依據IT行業相關法律法規，包括《計算機軟件文檔編制規范》《信息分類和編碼的基本原則與方法》《國家農業技術信息分類與編碼標準體系》《計算機信息系統國際聯網保密管理規定》《中華人民共和國計算機信息系統安全保護條例》《互聯網信息服務管理辦法》《網絡商品交易及有關服務行為管理暫行辦法》《信息安全等級保護管理辦法》《CMMI for Service（服務成熟度模型集成）》。其中，面向蘋果產業應遵守《蘋果冷藏技術》《鮮蘋果》《蘋果銷售質量》《蘋果、柑橘包裝》《綠色食品蘋果》《蘋果外觀等級標準》和《無公害食品蘋果》等國家、行業、地方標準。

5 小結

關于構建農產品質量安全追溯的研究已有不少，如針對農產品溯源信息的完整性、安全性及可信性問題，任守綱等[16]從農產品產業鏈的角度提出一種基于信譽監督機制共識算法的區塊鏈應用，在農產品信息上鏈時具有更小的時延和安全性;為解決區塊鏈追溯系統中數據存儲負載過大和查詢效率較低等問題，楊信廷等[17]提出基于聯盟區塊鏈的“數據庫+區塊鏈”鏈上鏈下的追溯信息雙存儲的設計，提高了追溯信息的可靠性和實效性;為提高應用的吞吐量和降低交易開銷，張朝棟等[18]提出一種基于側鏈擴容技術的以太坊區塊鏈應用，實現供應鏈上信息的全生命周期追溯。

與現有系統相比，該系統集成互聯網、物聯網、大數據、機器學習、云計算及區塊鏈等技術，能實現農產品生產、流通、監管及銷售等多流程可追溯、蘋果全產業鏈環節可實時監測預警等全方面功能，更好地服務農業生產經營主體與農戶，最終實現延安區域特色產業的健康發展和品牌建設目標，為區域農村經濟發展、產業精準扶貧、新型生產經營體系構建開辟出一條新的道路。

目前，系統還處于研發應用初級階段，存在應用范圍小，基礎數據少等問題。下一步，將以蘋果高質量發展為目標，引導新型經營主體牢固樹立農產品質量安全意識，提高系統應用效果，擴大溯源系統覆蓋應用面，讓系統率先在縣市級以上龍頭企業、農民專業合作社和種植大戶等新型經營主體推廣應用。加強基礎數據采集，提高數據的真實性和準確性。同時，加強與政府部門合作，降低應用成本，讓老百姓吃上放心產品。

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