物聯網技術在煙草農業、工業產業鏈的應用研究

楊宏 韓世豪

中國電子技術標準化研究院 北京 100007

1 物聯網概述

物聯網技術就是指物件與物件之間實現網絡溝通其不同于人與人在互聯網上的溝通它可以讓使用者通過互聯網獲悉物件的使用情況[1]。主要解決物與人、物與物、人與人之間互聯互通問題，其專業定義為：通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，利用產品電子代碼(EPC)把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，物以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。其層次結構分為三層，自下而上依次是感知層、網絡層和應用層。物聯網主要需要的多種關鍵技術如傳感器技術、射頻識別技術、二維碼技術、通信技術、云計算技術等貫穿并覆蓋了這三層架構。

1.1 感知層

感知層是信息采集的關鍵層級，用于識別物體及采集數據，包括下面兩個部分：感應器件和感應器組成的網絡（如傳感網絡、RFID網絡）。感應器件是RFID標簽和讀寫器/各類傳感器/攝像頭/GPS/二維碼標簽或傳感器器件。

1.2 網絡層

網絡層用于完成信息傳遞和處理，網絡層包括下面兩部分。接入單元:接入單元是連接感知層的網關設備，它匯聚從感知層獲得的數據，并將數據發送到接入網絡；接入網絡：包括5G4G3G網絡、寬帶網等，通過接入網絡，能將數據最終傳入互聯網。

1.3 應用層

應用層位于物聯網三層結構中的最上層，其結合云計算及人工智能技術，在云平臺上對對感知層采集數據進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對不同設備的實時控制、科學管理和精準決策。應用層主包括下面三部分：物聯網中間件、物聯網應用。

2 傳統產業鏈問題分析

2.1 傳統煙草農業

傳統煙草農業生產技術手段落后，主要是依靠人力、各種手工工具進行生產和簡單管理。主要存在的問題如下：

（1）采用粗放型種植模式種植煙葉，農業科技含量、裝備水平相對滯后，導致煙葉生產效率低下。

（2）主要依賴人工控制煙葉種植過程，難以對過程進行監督和控制，導致生產出來的煙葉的總量和品質很難得到保證。

（3）傳統的煙葉灌溉方式不利于及時、定量、有效地滿足煙葉生長發育對水分的需求，容易造成土壤理化性狀的破壞、水資源利用率低且浪費嚴重等問題。

（4）依靠和使用著這些落后的生產工具和生產技術維持著簡單再生產，導致煙草農業生產率低下，煙葉產量增長緩慢，煙葉品質得不到保證，整個煙草農業的大環境得不到很好的發展，這從而又反過來阻礙了煙草農業技術的進步以及生產工具的創新。

（5）傳統人工操作的煙葉烘烤模式，需要依靠烘烤師的經驗，而且不能保證煙草質量。

2.2 傳統煙草工業

由于以上四點原因，傳統煙草農業的自身發展陷入惡性循環之中。同時我國的煙草工業生產、加工環節中還存在一些問題，如煙葉收購、加工、倉儲、運輸等環節都存在很多不足，主要存在問題如下：

在卷煙生產過程中傳統的生產方式，會出現產品質量不達標、產品分級困難和生產效率低等諸多問題；這些問題都將對煙草工業的健康發展產生極大影響。

傳統的煙葉倉儲管理缺乏先進科學的倉儲管理，由于缺乏科學監控存環境溫濕度技術手段和煙葉養護技術導致煙葉庫耗偏高，倉庫分區分類管理落實不到位。

（4）在運輸環節不進行全程跟蹤和監控，在產品的分揀和包裝環節煩瑣和容易出現錯誤。

3 煙草物聯網概述

物聯網技術在煙草農業和工業上推廣應用形成了煙草物聯網，并給出了上述問題的解決思路以及方案。煙草物聯網的定義是：借助射頻識別(RFID)、傳感技術、全球衛星定位系統(RFID)、地理信息系統(GIS)、遙感技術（RS）等物聯網技術采集獲取煙草產業鏈上的相關數據信息，通過低功耗廣域網、互聯網、無線網等網絡資源進行信息傳輸與交互，運用云計算及人工智能等技術對各類數據信息進行分析處理，從而實現智能化決策和控制的一種網絡體系，包含了以種植、加工、采購、生產、銷售、配送、營銷、服務、管理為業務主體的煙草產業鏈的各個環節[2]。

4 典型應用研究

煙草行業正式提到“物聯網”是在2010年。國家煙草專賣局在全行業局長經理座談會上，明確提出了建設煙草行業物聯網的目標和“全面覆蓋、全面感知、全程控制、全面提升”的總體要求。最初物聯網技術在煙草行業主要應用在煙草產品的商流環節，實現煙草制品的產品追溯及物流調控。而對于煙草的工業和農業并沒有較為廣泛的應用。

隨著智能制造、智慧農業的發展趨勢，國家頒布多項政策推動新一代信息技術與先進制造技術、種植技術融合。打造具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。加速煙草工業及農業數字化轉型升級。物聯網技術開始逐步賦能煙草行業產業鏈各環節，對煙草農業環節提升煙葉種植效率、質量，降低成本、勞動力消耗，和煙草工業環節提質增效，降低工廠運營成本起到了很好的作用[3-5]。接下來我將分別舉例介紹物聯網在煙草農業環節和煙草工業環節的典型應用案例。

4.1 煙草農業物聯網應用

物聯網在農業方面主要應用在科學育苗、種植環境全要素精準采集、精準灌溉、精準施肥、農情監測、智能烘烤等方面，下面我將展開討論研究。

（1）科學育苗。育苗期間的施肥、噴灑農藥、蓄水、剪葉等措施需要大量、頻繁的人工參與，開放的環境和人為活動是苗床病毒侵染和傳播的主要因素，盡可能減少人為參與是降低煙苗發病率的關鍵途徑。利用各種傳感器和無線網絡等對大棚環境參數進行智能化監控同時對大棚環境參數采用自動化調控技術。該技術適于基礎條件較好的設施大棚，例如玻璃溫室、連棟溫室等。即利用自動化設施進行環境控制、實施智能化實時監控、確定動態調控決策方案，通過對采取數據的統計分析，合理及時地調控育苗大棚內部光照強度、空氣濕度、溫度、CO2濃度、通風狀況、營養液供給等各種環境參數，并對施肥和灌溉實現動態決策與調控、及時處理數據信息和應對緊急狀態等。

（2）種植環境全要素精準采集。物聯網在煙草種植規劃上的應用主要體現在，通過遍布于田間的大量的傳感器節點，將種植環境有關數據（如土壤養分、水分、空氣濕度、濕度、CO2濃度等）信息反饋回數據中也，與GIS（農業地理信息系統）、ES（農業專家系統）、GPS系統建立的地理空間數據相連接，進而建成了更加完善、具體和詳細的煙草生產環境數據、土壤數據種植面積和輪作情況等數據庫。根據建立的數據庫內部煙草大面積生產環境參數、種植面積、土壤數據、輪作情況等數據，針對不同地區和土壤類型，以及用戶的種植面積，因地因時制宜的提供煙草種植規劃和大面積生產技術指導，對于建立以煙草為主要農作物的耕作模式和優化不同作物布局，最大限度地提高土地利用率和土地生產。

（3）精準灌溉。我國煙草種植區域中丘陵山地較多，地勢上的差異增大了灌溉難度，在大水漫灌下高地勢的養分和土壤隨水流失，造成高地勢地薄脫肥，低地勢貪青晚熟的惡性循環，物聯網技術和滴灌設備相結合是一種節水、高效的灌溉方式，適宜于各種地勢。根據煙草不同生長時期的根系深度，在田間不同空間位置、不同土壤深度埋置溫濕度傳感器，實時監測煙田土壤墑情信息，利用遙感技術，監測煙株含水量，安裝田間小氣象站預測降雨量，根據煙株大田需水模型，在控制系統分時期、分耕層設置閾值，結合傳感器的實測信息進行智能判斷與決策，通過滴灌管主管和支管上安裝的壓力計、流量計和控制閥進行自動灌溉，同時，根據傳感器的定位信息對煙田進行管理分區，實現精準、適時、適量、合理灌溉；也可與水肥一體化設備結合，從而實現因時、因地、因品種用水用肥的自動控制，提高水肥利用效率。

（4）精準施肥。在田間安裝農情測報系統，融合土壤養分傳感器，實時、動態、準確、連續的監測煙田生態環境信息和土壤養分信息，利用遙感技術（RS） 獲取煙株生理生態信息，并通過 GPS 獲取傳感器定位信息，構建大田網關節點，集成無線傳感網絡，將信息遠程、快速、無損地傳輸至服務器終端，對海量數據進行融合、處理，根據煙草生長模型進行云計算，結合專家決策系統進行決策，利用GIS平臺生成決策處方圖，由服務器將決策信息發送至智能控制終端，實現煙草機械的智能調度，根據決策處方圖進行變量施肥，減少肥料浪費，降低農業面源污染。該系統要求煙草器械本身也是一個智能控制體系，包括與大田一致的定位系統，兼容的信號傳輸系統，肥料施用量自動控制系統。

（5）農情監測。氣候、病蟲害嚴重威脅著我國煙草生產，是制約煙葉產量和經濟價值的重要因子[6]，氣候及煙草病蟲害的早期預報在煙葉種植過程中顯得至關重要，部署氣象、墑情、蟲情監測站，利用傳感器及物聯網技術，及時掌握生產環境信息和病蟲害發生情況，為生產決策提供量化依據。并通過無線通信方式部署虛擬現實系統，可以隨時識別病蟲害相關信息。

（6）智能烘烤。智能烤房群可以讓烘烤師實時監測多個烤房的情況，目前我國烘烤房已經從傳統燃煤烤房向新能源烤房過渡，新能源烤房更方便人為精準控制，也更利于物聯網技術的應用。同時烤房群均配備基于通信網絡的烘烤智能監測設備，對烘烤溫度，煙葉溫濕度等要素進行準確監控，為科學烘烤提供量化依據，在專家知識庫的基礎上構建智能烘烤模型及煙草烘烤曲線，為煙葉烘烤師提供輔助性決策。將多個烤房群數據進行互聯，統一采集，在云平臺上可以實現同時監測和控制。

4.2 煙草工業物聯網應用

物聯網在工業方面主要應用卷接工藝、產品包裝、倉儲管理等方面，下面我將展開討論研究。

（1） 卷接工藝。卷接機組是卷煙工業企業用于生產過濾嘴卷煙的專用設備，卷煙機、濾嘴接裝機以及煙支裝盤機聯合組成卷接機。我國目前已自主推出各種型號的高速、高質、高效卷接機并融入了如變頻調速、光電檢測、質量控制、積木化結構設計、視頻顯示等先進技術應用，發展迅速、水平先進。現代卷接機不但在設計和原理上進行了重大改進，而且通過運用物聯網技術，配備了完整的煙支重量、煙支漏氣、煙支空頭等檢測系統，甚至還配備了光學在線煙支檢查系統，可檢測并剔除有污垢、油漬和孔洞的煙支。同時卷接機采用了微機監控與操作系統，可方便地進行人機對話，具有故障顯示、采集和累計生產數據等功能。與過去的煙草設備相比，高技術含量設備確保煙草商品質量，降低了煙支卷制過程中原料成本，大幅度提離了煙支卷制生產效率。

（2）產品包裝。產品包裝是卷煙生產過程中的重要一環，隨著物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術深入應用。目前國內自主研發的包裝機運用物聯網技術，不僅將實現了運行全數據遠程采集和分析等功能，開發了生產過程實時檢測，機器故障遠程診斷等系統。極大地推動了包裝機高速度、高質量、高可靠性、高靈活性、智能化發展，生產產品各項指標優于國外同類產品，經濟指標也達到了國際先進水平。

（3）倉儲管理。在倉儲管理中應用物聯網技術可有效解決卷煙出庫、入庫、存放、盤點過程中的識別問題，將卷煙和托盤上的RFID電子標簽進行關聯，同時叉車上的RFID讀取機，對整盤卷煙的識別，提高物流作業效率，也減少因搬運而導致的損壞。此外，通過與倉儲管理系統的結合，可實現托盤貨位管理和卷煙的批次管理，當卷煙入庫時，系統自動記錄其入庫時間、存放貨位等信息，當卷煙出庫時，系統會自動按照進貨時間實現卷煙的先進先出庫存管理，從而實現對卷煙從入庫開始的自動識別、定位、輸送、存儲、出庫等全部作業過程的可視化管理，提升煙草倉庫的自動化管理水平。對存庫的煙草成品運用溫濕度傳感器、RFID和GIS等可實時監控煙草成品動態，防止儲存過程中出現霉變等質量問題。其中智能倉儲管理系統能同時提供強大的上架、補貨、揀選、波次和盤點策略，最大限度地保障儲存物品的準確無誤；當倉庫接到作業指令后，系統將自動生成執行方案；系統在滿足不同客戶收發貨要求的基礎上，對倉庫作業動線進行優化，減少叉車和作業人員工作量，解決作業過程中遇到的難題，優化庫存貨物布局，最大限度地發揮倉庫的儲存能力，同時又能保證各項作業井然有序地進行；應用庫存日志，完整記錄每一個系統動作、作業環節和庫存動態變化情況，在倉儲管理過程中出現問題是能夠找出原因，從而有利于整個倉儲系統的建設和完善。

5 結束語

目前，在煙草行業領域已經形成了從建設煙葉種植基地單元，規模化煙葉生產到煙葉收購、打葉復烤、輔料生產、設備制造、卷煙生產、市場營銷、物流配送等系列完整成熟的煙草縱向產業鏈，實現了利用縱向產業鏈控制卷煙產品的原料種植—加工—包裝—銷售等環節，保證了煙草制品的產品質量安全，通過品牌建設和完善的營銷推廣體系提供多元化卷煙消費服務，極大地提升了產品價值，有效滿足了消費者不同程度的卷煙消費需求。

通過對物聯網在煙草農業以及工業的研究發現，目前更應該站在全產業鏈的角度將煙草各個行業協同發展，這也符合物聯網的發展需求。在整個煙草物聯網體系架構中做到標準化、規范化。同時，有針對性地對煙草行業的生產模式和運營管理進行物聯網技術的應用，將技術的研發和運用放置于真實的生產場景之中，以此實現煙草農業和煙草工業全產業鏈的數字化建設。最后為使物聯網技術在農業和工業得到更好的應用和發展，本文提出了以下三點發展建議。

第一，要借助煙草物聯網提升數據資源管理能力，數據采集管理是煙草數據資源管理的基礎，借助物聯網構建行業統一的數據采集平臺，研制行業統一的數據采集標準，提高采集軟件的復用率，規范統一源數據標識，形成清潔有效的數據池，是做好數據采集管理的有效途徑。

第二，要加速實現煙草全產業鏈數據的互聯互通，通過建立煙草行業工業互聯網標識解析體系，提供統一的編碼標識服務、標識解析服務和標識數據共享服務，為煙草產業鏈各企業、各環節的數據互聯互通提供基礎支撐。

第三，要加速推進物聯網與大數據、云計算、人工智能等新興技術的融合，針對煙草行業各環節的實際痛點和需求，從實際的應用場景出發，整合分散資源，搭建統一的工業物聯網，農業物聯網云平臺。開發各類智能化應用。推動行業整體高質量、數字化、智能化發展。