基于LoRa技術的物聯網茶葉溯源系統

潘 壇，蔡紹博（通信作者），溫新宇，張 軍

（1中南民族大學計算機學院 湖北 武漢 430074）

（2長江大學園藝園林學院 湖北 荊州 434025）

（3武漢市春曉曲農業科技有限公司 湖北 武漢 430211）

（4上海株山農業科技有限公司 上海 201699）

（5武漢菜佰仟數字農業科技有限公司 湖北 武漢 430074）

0 引言

中國是世界茶葉最大的原產地，種植面積及產量位列世界第一，也是全球著名茶葉加工生產第一大國。但是近年來，由于中國茶葉種植區域的擴展導致加工場所分散，且種植區域多位于丘陵山脈，其交通不便導致流通環節復雜，諸多限制茶葉種植加工產業發展的客觀因素下，再加上對茶葉種植、采摘、加工、包裝等茶園生產環境和茶葉加工過程環節控制不嚴，造成了茶葉農藥殘留超標、重金屬污染等影響茶葉質量和茶企品牌聲譽的嚴重問題。而運用相關物聯網技術，建立茶葉溯源系統可以有效幫助消費者監控茶葉的生產和流通過程，并有利于降低茶葉中的農藥、重金屬和其他污染物的殘留，保證茶葉質量上可實現源頭可查。因此，有必要在茶業行業應用質量溯源系統，本文基于農業部關于農產品質量溯源體系要求，計劃引入LoRa技術、RFID技術、傳感器、二維碼、無線傳感網絡等技術，開發基于物聯網的茶葉質量溯源系統。

在總體框架，該系統設計了用戶信息、茶園生產與信息采集等功能，開放微信公眾號、網站、APP等多個終端，便于產業鏈上的諸多用戶，如茶農、茶廠驗青員、茶葉經銷商等，通過適合的、便利的終端來査詢到產品的溯源信息，并且依據用戶的不同類別設定不同的操作權限，使得其通過不同的終端，在不同的界面進行不同層面的數據操作。同時為了提高溯源的商業性用途，本系統按照茶園生產、茶葉加工、茶葉銷售等全產業鏈條進行了全面的功能模塊設計。

1 茶葉溯源系統的概念及關鍵技術

1.1 溯源系統的概念及發展簡史

通過國際標準ISO8402、歐盟EC178/2002、國際食品法典委員會（CAC）均對可追溯性的定義進行整合分析，可判定溯源系統(Traceability System)，一般是指產品從生產到銷售的整個供應鏈過程中建立的一種信息系統，能夠對產品全環節進行信息采集和存儲，并快速、有效地進行信息查詢[1]。該系統運用在對產品質量要求較高、能夠全程追蹤監控產品的流通過程的行業，比如食品行業，可以有效提高企業管理一體化[2]。其實從多個國際標準對可追溯性的定義來看追溯性在食品行業的意義，它主要包括“跟蹤”與“追溯”兩個方面的內涵：一方面是通過這種流通流向性從食品供應鏈向下進行查詢，便于確定下個環節的接觸者和受益者；一方面是接照食品供應鏈向上進行查詢，確定上一個環節的經手者和初始來源。因此建立起追溯系統的意義，它不僅僅便于消費者在銷售點通過食品追溯標識回溯到產品運輸、銷售等全過程，還在于當發生食品質量安全問題時，相關部門可根據食品的供應鏈進行向上或向下的查詢，及時找到發生問題的原因進行追責。

溯源系統最早的市場化應用是歐盟采用了該系統在農產品中追蹤源頭、確保食品安全。早在2000年1月，飽受1997年瘋牛病折磨的歐盟在《食品安全白皮書》中就闡釋了溯源系統的應用目的是控制“從農田到餐桌”全過程，并在2002年建立了“歐盟食品安全管理局”，出臺了第178/2002號法令，強制要求對歐盟國家范圍內銷售的所有食品進行跟蹤與追溯，此后世界各國，如美國（2003年的《美國2002農場安全和農業投資條例》）、日本（2003年的《牛只個體識別情報管理特別措施法》）、加拿大（2002年的《食品追潮數據標準第一版》與《食品追溯良好規范》）、澳大利亞（2007年的《國家牲畜標識計劃NLIS》）紛紛建立了相關的食品行業溯源系統。2007年，中國也正式以條碼技術的形式實施溯源系統，并且中國物品編碼中心在上海、武漢等多個城市試點了該技術。2008年，試點獲得成功后就開始全面推行農產品溯源系統來保證農產品的安全性，2009年國家農業部出臺并制訂了行業標準《農產品質量安全追溯操作規程茶葉》，有效地規范了茶葉行業質量安全溯源。隨著無線射頻識別技術、近紅外光譜、指紋分析技術、鉛同位素指紋溯源技術、熱分析技術、X射線巧光技術等行業質量安全溯源技術在世界范圍內廣泛被運用，截止到2021年，世界上許多國家和地區都已經形成了相對規范的健康食品質量跟蹤管理體系[3]。而常用的茶葉質量安全溯源技術包括：光譜指紋分析技術、鉛同位素指紋溯源技術、熱分析技術、X射線巧光技術。

雖然我國開展農產品質量溯源的研究已經十余年，在肉制品領域的應用更是較為成熟。但是對于食品行業的茶葉追溯來說，我國缺乏規模化茶企的模范應用，在茶葉生產非常分散的客觀因素限制下，茶葉質量溯源技術發展緩慢，仍停留在條形碼技術層面，即使是2008年農業部在全國啟動茶葉質量溯源項目以來，行業內廣泛充分地實現通過茶葉制品的追溯標識能夠查詢到茶葉運輸、包裝、倉儲、加工、種植等全流程的信息。因此需要促進這種技術運用，就需要使用RFID、二維碼等物聯網新技術，解決消費者使用條形碼查詢很不方便的難題以及傳統技術應用成本過高的問題，提高茶葉質量溯源系統的智能化程度。

1.2 物聯網關鍵技術——LoRa技術

傳統的2G、3G互聯網網絡以及藍牙、ZigBee等連接方式無法滿足物聯網與5G時代對于遠距離、低功耗電源連接器的應用要求，而低功耗、高成本的收發器和較大覆蓋范圍特性的低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network，LPWAN)就能夠滿足。基于擴頻技術的低功耗長距離無線通信的LoRa(Long Range Radio)技術是LPWAN中發展相對成熟、發展較快的技術。它采用擴頻技術，所以它所支持的信號的抗多徑、抗衰落能力較強。而且也因為LoRa技術對發射功率的要求不高，所以終端節點在通信工程中的電流較小，極大地降低了終端節點的能耗水準，從而提高了機器設備的工作壽命。

1.3 溯源系統關鍵技術——RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識別技術，是一種無線自動識別信號技術，通過無線電或射頻的識別方式與特定目標之間可以進行非接觸性的雙向信息數據之間的直接通信，同時能夠直接自動識別一個目標特定對象并從其中直接獲取與自動識別對象相關的信息數據。RFID電子系統主要由各種數字耦合電子元件及其集成芯片等主要零部件共同組成，每個數字標簽都是吸附在一定的形狀物體上或是用來直接標識一個目標標簽對象（具有唯一性的電子標簽編碼)、閱讀器（一種用于可以直接在線讀取數字標簽相關信息的閱讀裝置，是用于RFID電子系統的標簽信息資源管理控制與數據處理系統中心）和通信天線（一種用于在數字標簽和電子閱讀器之間的天線連接上同時傳遞各種射頻通信信號）3個大部分共同組成。RFID技術依靠電磁波，無需使用雙方的任何物理連接，RFID系統的書寫速度極快，標簽結構簡單并且也是唯一的，此特性運用在溯源系統中可使物體具有防偽的特點[4]。

2 茶葉溯源系統的整體設計

2.1 溯源系統的物聯網基本構架

基于物聯網的茶葉溯源系統總體構架可分為3個層次：感知層、信息層和應用層。感知層應用各種傳感器、攝像頭等設備將茶葉從種植基地開始對其生長環境及條件進行數據測量采集（例如溫度、濕度、土壤酸堿度等），一直到整個流通過程結束的傳感器數據、加工數據、物流信息等數據采集；利用RFID將傳感器采集的數據進行記錄[5]。

信息層建立在現有的通信網絡和互聯網基礎上，是將感知層的茶葉相關數據，通過有線或無線的方式進行數據記錄、整理和分類，并將數據傳輸到相關數據庫，此時可以對錄入的數據進行增、刪、查、改的所有操作。而傳感器網絡則是采用LoRa無線數據的采集網絡，相比于目前ZigBee、藍牙、Wi-Fi等傳統網絡連接方式，較少面對信息被泄露、數據被篡改等多種弊端，因此溯源系統使用LoRa技術在成本、效率和網絡安全方面優勢更明顯。

應用層將信息層的數據進行分析和處理，利用各種終端對茶葉的信息進行瀏覽和追蹤，通過互聯網和移動通信網絡，對茶葉各個節點的信息進行溯源查詢，了解相關信息，提高產品生產的透明度，使消費者對茶葉的安全性有一定的可信度，見圖1。

2.2 LoRa與RFID技術在物聯網茶葉溯源系統中的應用

要真正實現對茶葉從生產到銷售的整個流通過程的追溯，依靠物聯網傳感器等裝置的信息采集數據是可以追溯的重要資料。尤其是在茶葉種植環境和產地追蹤信息的垂直運用中，由于茶園的種植區域廣泛，LoRa技術輸距離遠、低功耗、組網靈活等諸多優勢特性都與能夠與大規模茶園在低成本、大連接的數據采集需求上不謀而合。尤其是在茶園生長與加工的環境監測中，比如生產環節的溫度殺青溫度節點、種植氣候的濕度節點、加工廠環境煙霧節點的數據檢測，都能通過LoRa技術獲取對應的茶葉種植與加工環境條件數據,例如茶葉加工的溫度節點就能夠獲取實時的溫度數據，隨后這些數據會被網關讀取，并通過網關發送到服務器當中，再通過RFID技術植入到追溯系統中，那么在種植階段、采集和加工階段、存貨管理階段、物流管理階段、銷售管理這5個茶葉完整流通過程中，各環節參與者可以隨時對這些數據進行查看。因此，應用LoRa與RFID技術的溯源系統可以對茶葉從生產到銷售整個過程進行精細化管理，尤其是減少加工環節的能耗，提高機器設備的工作壽命，從而促進茶葉生產的高效、優質、生態、安全和可靠。

2.2.1 茶葉質量溯源的過程

茶葉的質量從源頭開始，利用傳感器、攝像頭等在種植基地對茶葉的養護及生長環境進行數據測量，包括光照、土壤重金屬含量、空氣污染程度等的測量數據收集。在之后的采集加工過程中，技術人員利用手機、RFID閱讀器等工具對產品分類包裝的信息進行錄入，實現產品標識。利用GPS（全球定位系統）對產品的運輸過程進行實時追蹤記錄，對入庫儲存的茶葉由工作人員做好數據記錄，做到茶葉流通全過程精準監控，保障茶葉的質量安全和產品識別。

2.2.2 建立茶葉溯源信息網絡

茶葉種植基地一般位于面積較廣的茶山上，需要部署大量測量溫度、CO2、鹽堿度的傳感器。茶葉溯源系統借助多種無線通信技術組成的局域網或廣域網進行數據傳輸，利用LoRa技術抗干擾性強和長距離傳輸能力、覆蓋面積廣、提升工作壽命和降低運營成本方面的優勢，建立相關的局域網。因此，選擇LoRa作為物聯網組網技術，再利用互聯網進行數據傳輸。

2.2.3 建立茶葉溯源信息電子檔案

依照相關規定，對茶業相關企業或機構的有關生產的設施及加工環境場所等各種信息按照國家信息分類編碼標準進行編碼管理，形成相關信息數據庫。將追溯的信息數據及時采集管理，形成相關企業的電子化信息檔案，為茶葉溯源提供相關信息，同時還要注意相關信息的真實性，從源頭上保證數據的真實性。

2.2.4 建立茶葉溯源終端查詢軟件

基于LoRa的物聯網茶葉溯源系統，建立企業的相關溯源軟件，通過手機移動端或編碼信息進入軟件，隨時查詢相關茶葉的溯源信息。企業的管理人員、種植基地人員、監督部門人員以及消費者都可以進入軟件查詢相關信息，以此建立企業、消費者、產品之間的聯系，見圖2。

3 結語

隨著消費者對茶葉質量安全的重視，以及無線傳感器網絡技術和移動互聯網的普及和飛速發展，物聯網信息技術的應用領域也越來越廣泛，圍繞茶葉生產、加工等全流程開展有效的質量安全監控，建立以物聯網技術為基礎的高效茶葉質量溯源系統勢在必行。本系統的建立不僅可提高茶葉產品質量，采用低功耗和較大覆蓋面積特性的低功耗廣域網絡（LPWAN）不僅能備受茶企的歡迎，也可提升茶葉的品牌影響力和出口競爭力。LoRa技術作為LPWAN的一個重要代表，相信它會在未來物聯網行業中占據一席之地。而借助移動互聯網技術來建立的溯源系統不僅可以鑒別茶葉的原產地和經過的多渠道環節，提高消費者對茶葉的信任度，節省食品監管部門的管理成本，也可以融合企業內部管理功能促進企業一體化管理。