基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品全流程追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫 莉，楊學(xué)坤，李小杰

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，北京 102208）

0 引言

東辛撞民族村地處北京市平谷區(qū)大華山鎮(zhèn)西北部山區(qū)，產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)為主，主要作物為鮮桃，包括黃毛桃、黃油桃、白油桃、蟠桃、九號桃、90934 桃、90342 桃及瑞光系列等諸多品種。平谷桃子在北京乃至整個華北地區(qū)知名度很高。但是，經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，該村存在大桃產(chǎn)業(yè)種植規(guī)模小、智能化自動化程度偏低、果農(nóng)老齡化等突出問題。其中，大桃產(chǎn)品附加值較低，沒有形成品牌效應(yīng)是亟需解決的難題。

目前，許多學(xué)者在農(nóng)產(chǎn)品追溯領(lǐng)域開展了很多深入研究。鐘聰兒[1]設(shè)計了一款基于RFID 技術(shù)的干果類農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，實現(xiàn)了干果類農(nóng)產(chǎn)品在流通過程中物流與信息流的無縫集成。李建軍等[2]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)木耳栽培控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室環(huán)境信息遠程集中管理的功能。李曉東[3]采用C/S 架構(gòu)模式搭建了青貯飼料可追溯系統(tǒng)，實現(xiàn)了供應(yīng)鏈全流程可記錄、可追溯。因此，建立一套設(shè)計和示范農(nóng)產(chǎn)品全流程溯源系統(tǒng)，為大桃種植的標(biāo)準化、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化提供支持，對于逐步建立標(biāo)準化種植體系，促進大桃產(chǎn)品質(zhì)量提高，提升大桃附加值，打造東辛撞村大桃品牌具有重要的現(xiàn)實意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理[4-5]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)依靠放置在農(nóng)田基地的各類傳感節(jié)點和有線無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層系統(tǒng)進行分析應(yīng)用。按照物聯(lián)網(wǎng)的3 層組織架構(gòu)搭建系統(tǒng)，分為設(shè)備層、傳輸層和應(yīng)用層[6-7]。

1.1 感知層

通過在示范區(qū)部署環(huán)境傳感器、控制器、攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)自動、定時采集區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用層系統(tǒng)。通過MAC 地址將傳感器設(shè)備綁定在相應(yīng)站點中，在系統(tǒng)中能夠查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析和控制。

數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、降雨量和降水量等。戶外設(shè)備有氣象監(jiān)測站，土壤墑情監(jiān)測站等。監(jiān)測設(shè)備利用太陽能和蓄電池給控制箱供電。風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫濕度等傳感器與數(shù)據(jù)采集箱連接，控制箱完成數(shù)據(jù)接收并上傳[8-9]。其中空氣溫濕度傳感器的供電電壓為12 VDC，輸出方式為無線和RS485 兩種，響應(yīng)時間5～30 s，濕度響應(yīng)時間<8 s。發(fā)送消息的消息結(jié)構(gòu)由標(biāo)志位、地址位、功能位、字節(jié)長度、校驗碼和數(shù)據(jù)位組成。風(fēng)速傳感器的量程范圍在0～30 m/s，響應(yīng)時間≤0.5 s，測量精度為±（0.2+0.03V）m/s（V代表風(fēng)速）。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

在該層中主要通過LoRa、4G、485 有線等通訊方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。感知層中的傳感器均支持3 種傳輸方式，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過有線和無線的方式將數(shù)據(jù)包傳送給應(yīng)用層。

本系統(tǒng)通過LoRa 無線傳輸模塊或485 有線傳輸方式將數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)采集控制器中，通過GPS 等形式將數(shù)據(jù)按要求傳輸給云服務(wù)器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸[10]。

1.3 應(yīng)用層

該層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理。能夠?qū)崟r掌握采集的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)實時檢測。在管理系統(tǒng)和微信小程序中通過界面直觀地展示歷史數(shù)據(jù)，能夠看到不同時間段的數(shù)據(jù)變化，并可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。可通過報警設(shè)置實現(xiàn)自動報警功能。同時，可以遠程自動控制卷簾機、水閘等相關(guān)設(shè)備。實現(xiàn)自動增溫、降溫、通風(fēng)和灌溉等功能，提高工作效率，減少投入成本[11-12]。

應(yīng)用層中的智能管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)諸多功能?？梢圆榭磮@區(qū)的設(shè)備和傳感器采集的所有數(shù)據(jù)，并控制相關(guān)設(shè)備；可通過攝像頭查看園區(qū)內(nèi)環(huán)境及植株生長情況；可添加報警條件，當(dāng)設(shè)備異常時，能夠給管理人員發(fā)送短信提示；微信小程序也能夠?qū)崿F(xiàn)實時查看和遠程控制的功能。系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3 層組織架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)3 層組織架構(gòu)Fig.1 Three-layer organizational structure diagram of internet of things

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體

采用python flask 框架搭建。該框架結(jié)構(gòu)輕巧，語言簡介，可擴展性強?；赨nicode 編碼，且內(nèi)置開發(fā)服務(wù)器和調(diào)試器，方便項目調(diào)試。能夠與python 測試單元實現(xiàn)無縫對接。采用Mysql 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具有性能穩(wěn)定、功能強大、支持跨平臺、多應(yīng)用程序接口及響應(yīng)速度快等特點。

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)建種植區(qū)、數(shù)據(jù)監(jiān)測分析、自動化遠程控制、系統(tǒng)預(yù)警、生產(chǎn)管理全流程追蹤追溯及大數(shù)據(jù)平臺展示等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品的全方位管理，建立標(biāo)準化種植體系，完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，助推產(chǎn)品升級。農(nóng)產(chǎn)品鏈如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.2 Overall system design drawing

2.1.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測功能模塊

在系統(tǒng)中建立種植園區(qū)，需填寫園區(qū)名稱、占地面積、地址等信息。在園區(qū)中創(chuàng)建不同功能的種植園區(qū)，如日光溫室、連棟溫室、智能牧場等區(qū)域，畫出區(qū)域規(guī)劃圖。在選定的區(qū)域中綁定不同類型設(shè)備和傳感器。如水泵、照明燈等相關(guān)設(shè)備，傳感器有溫濕度、光照、土壤EC 值傳感器。根據(jù)唯一標(biāo)識碼，1 臺設(shè)備和傳感器只能綁定在1 個園區(qū)。選擇不同的園區(qū)后查看到每個傳感器傳送的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線圖，能夠?qū)h(huán)境監(jiān)測的歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出。可以將戶外監(jiān)測設(shè)備綁定，查看實時監(jiān)測信息。綁定微信小程序，隨時查看數(shù)據(jù)信息，此功能模塊設(shè)計如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)檢測功能模塊Fig.3 Data detection function module

2.1.2 控制報警功能模塊

（1）報警提醒。有設(shè)備掉線報警、傳感器異常報警和傳感器數(shù)據(jù)報警3 種模式。設(shè)備掉線報警包括選擇設(shè)備、編輯報警信息、短信接收人姓名和手機號；傳感器異常報警包括添加園區(qū)中的相應(yīng)設(shè)備、傳感器異常時發(fā)出提示；傳感器數(shù)據(jù)報警包括維護傳感器類型、設(shè)置界值、超出范圍時報警。發(fā)生各類報警時，系統(tǒng)會自動給聯(lián)系人發(fā)短信提示。

（2）視頻監(jiān)控。將園區(qū)內(nèi)的攝像頭連接到系統(tǒng)平臺中，實時查看種植區(qū)情況。能夠設(shè)置拍攝時長，抓拍間隔，調(diào)整攝像頭角度。

（3）自動控制。在系統(tǒng)內(nèi)或微信小程序中對設(shè)備實現(xiàn)遠程控制，控制電磁閥、燈光設(shè)備的開閉，也可以設(shè)置條件，實現(xiàn)自動控制。

上述功能模塊設(shè)計如圖4 所示。

圖4 控制報警功能模塊Fig.4 Control alarm function module

2.1.3 生產(chǎn)管理功能模塊

生產(chǎn)管理模塊維護與生產(chǎn)種植相關(guān)的所有功能，需要維護人員填寫相應(yīng)的信息，如人員管理信息，相應(yīng)的姓名、職務(wù)等；種植管理信息，相應(yīng)的品種、種植規(guī)模、種植日期、作物的生長標(biāo)準等。應(yīng)將作物與園區(qū)綁定，獲取相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

農(nóng)事作業(yè)環(huán)節(jié)是將每次的作業(yè)信息在系統(tǒng)中錄入，維護農(nóng)事作業(yè)名稱、時間、人員、使用的農(nóng)機和物料等信息，并附帶工作圖，工作人員在微信小程序中及時錄入。采摘入庫環(huán)節(jié)可以記錄采摘的人員、作物、數(shù)量和時間等信息，并能生成溯源批次號。

物流信息環(huán)節(jié)，根據(jù)GPS 定位，及時跟蹤上傳產(chǎn)品的物流相關(guān)信息。將農(nóng)機信息、物料信息、倉庫信息和供應(yīng)商管理等相應(yīng)模塊信息都維護在系統(tǒng)中，生產(chǎn)管理模塊如圖5 所示。

圖5 生產(chǎn)管理模塊Fig.5 Production management module

2.1.4 追溯系統(tǒng)功能模塊

在農(nóng)產(chǎn)品追溯功能中，將產(chǎn)品的各項信息匯總生成溯源信息，通過掃描生成的二維碼，可以查看農(nóng)產(chǎn)品的基本信息、種植情況，以及各階段環(huán)境因子、農(nóng)事作業(yè)流程等信息。全方位掌握產(chǎn)品信息，實現(xiàn)產(chǎn)品全透明化，讓消費者吃得放心。從而提升產(chǎn)品附加價值，建立良好口碑。追溯系統(tǒng)功能模塊如圖6 所示。

圖6 追溯系統(tǒng)功能模塊Fig.6 Traceability system function module

（1）作物信息模塊。包括種植作物的名稱、品種、種植規(guī)模、種植、采摘日期、保質(zhì)期及安全承諾等作物的基本信息及介紹。

（2）視頻模塊。能夠查看農(nóng)作物的完整生長周期視頻，并且能夠查看實時環(huán)境，能夠調(diào)整攝像頭角度，查看周圍環(huán)境?？吹皆诓煌芷谥凶ヅ牡母咔逭掌?。向消費者真實展示生長過程及種植環(huán)境。

（3）環(huán)境模塊。展示該農(nóng)產(chǎn)品所有的生命周期信息，包括每個周期的起止時間、持續(xù)時間等信息。包括在該時期內(nèi)的作物生長環(huán)境標(biāo)準，以及實時的園區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)，如土壤溫濕度、二氧化碳濃度、風(fēng)速風(fēng)向、PM10，PM2.5 及氣壓等趨勢圖，幫助理解。

（4）農(nóng)事作業(yè)模塊。顯示了農(nóng)產(chǎn)品的所有農(nóng)事流程，包括農(nóng)產(chǎn)品的種植、灌溉、施肥、整枝、日常維護、采摘、生產(chǎn)、加工、分揀、檢測和倉儲等全部流程。展示了每個農(nóng)事作業(yè)的作業(yè)人員、使用物料、使用的機械和農(nóng)事作業(yè)詳細內(nèi)容及過程圖等信息，消費者均能查看到。

（5）報告模塊。展示了農(nóng)產(chǎn)品各類檢測報告。

（6）農(nóng)場信息模塊。展示了該農(nóng)場的信息，主要包括：農(nóng)場名稱、占地面積、聯(lián)系電話、地址、農(nóng)場圖片及導(dǎo)航等信息。

（7）倉儲管理模塊。展示了農(nóng)產(chǎn)品的入庫信息，包括入庫時間、倉庫內(nèi)的環(huán)境因子、地理位置和操作人員等信息。

（8）物流管理模塊。包括運輸車內(nèi)的環(huán)境因子、物流追蹤等信息，也包括物流人員、出發(fā)及預(yù)計到達時間等信息。

2.1.5 溯源二維碼

在采摘入庫環(huán)節(jié)，錄入采摘的作物、數(shù)量、時間及采摘數(shù)量等信息，生成溯源批次信息。在溯源中心環(huán)節(jié)的溯源批次中生成批次信息，批次號為采摘入庫的年月日加六位索引碼組成。點擊生成溯源碼，選擇在溯源碼中顯示的生產(chǎn)模塊，生成溯源信息。編輯合格證模板，輸入產(chǎn)品名稱、數(shù)量、開具日期責(zé)任人和聯(lián)系電話等信息制作模板。合格證中有二維碼和產(chǎn)品信息，可以將合格證導(dǎo)出。從而可以為每一個產(chǎn)品生成獨有的合格證，合格證上帶有產(chǎn)品名稱、數(shù)量、開具日期等基本信息和二維碼。通過掃描二維碼可以瀏覽生產(chǎn)模塊信息，了解產(chǎn)品從種植到流通整個過程。

一物一碼模塊：編輯唯一標(biāo)識的溯源碼前綴、選擇溯源批次、有效截止日期，可以啟用防偽功能，指定掃碼次數(shù)，防止被惡意掃描。利用export_code 溯源碼批量生成工具，添加指令控制區(qū)口令生成獨有的二維碼。通過系統(tǒng)能夠?qū)崟r查看溯源碼掃描情況，包括溯源碼總數(shù)，有效及失效個數(shù)以及掃描次數(shù)。當(dāng)設(shè)置了防偽功能后，到達失效時間或最高掃碼次數(shù)后，二維碼失效。二維碼設(shè)計流程如圖7 所示。

圖7 追溯二維碼設(shè)計模塊Fig.7 Traceability QR code design module

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫中記錄著傳感器數(shù)據(jù)和追溯系統(tǒng)的各流程數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)和保障?；谧匪菹到y(tǒng)的實現(xiàn)過程，從最初的種植、農(nóng)事、檢測和運輸模塊出發(fā)，設(shè)計了作物信息表、環(huán)境監(jiān)測表、農(nóng)事過程表、商家信息表及物流信息表等關(guān)聯(lián)表結(jié)構(gòu)。從而搭建起了完整的數(shù)據(jù)關(guān)系，讓各環(huán)節(jié)緊密銜接。數(shù)據(jù)庫設(shè)計E-R圖如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)庫設(shè)計Fig.8 Database design

3 智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺

大數(shù)據(jù)平臺是集成了Web 界面開發(fā)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能及數(shù)據(jù)分析等技術(shù)搭建的總和應(yīng)用平臺。在平臺中能夠直觀詳細地看到從生產(chǎn)到銷售的每一個過程。展現(xiàn)了種植園區(qū)，產(chǎn)品生產(chǎn)過程，生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)控，農(nóng)產(chǎn)品追溯全系統(tǒng)展示等功能。

園區(qū)規(guī)劃模塊能夠清晰查看到園區(qū)規(guī)劃圖和衛(wèi)星展示圖。顯示詳細的位置信息和相關(guān)的設(shè)備數(shù)、傳感器個數(shù)以及相應(yīng)的功能信息。經(jīng)過地圖縮放，直觀清晰的了解種植區(qū)全貌。

環(huán)境監(jiān)測模塊顯示園區(qū)信息，傳感器數(shù)量及類型，能夠查看到實時傳輸?shù)降膫鞲衅鲾?shù)值，點開后能夠顯示歷史數(shù)據(jù)。實時氣象模塊展示當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r，溫濕度，風(fēng)速及24 h 溫度散點圖。

數(shù)據(jù)報警模塊實時展示園區(qū)內(nèi)設(shè)備或傳感器超過異常值的警告信息。環(huán)境趨勢一覽圖中，集合了不同傳感器的實時數(shù)據(jù)分析，方便查看園區(qū)環(huán)境參數(shù)，分析農(nóng)產(chǎn)品種植適宜性。

園區(qū)監(jiān)控模塊可以切換不用的種植區(qū)和攝像頭查看種植園區(qū)畫面，進行實時直播。也能夠看到作物的生長過程圖。

市場動態(tài)模塊展示各類農(nóng)產(chǎn)品在不同月份的價格情況，體現(xiàn)市場行情，為種植和分析研究提供參考。

農(nóng)產(chǎn)品追溯模塊展示相關(guān)的溯源信息，點開每一個頁簽，都能看到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且能夠切換不同產(chǎn)品，方便快捷。大數(shù)據(jù)平臺圖如圖9 所示。

圖9 大數(shù)據(jù)平臺Fig.9 Big data platform

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)采集分析，得到了園區(qū)中的傳感器數(shù)據(jù)。主要有傳感器數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。

4.1 環(huán)境因子

在科技小院試驗區(qū)中，根據(jù)一段時間的數(shù)據(jù)采集和分析發(fā)現(xiàn)：桃生長較為適宜的溫度13～20 °C；果實成熟期的溫度22～26 °C；種植桃樹適宜在pH 值為4.2～7.8 的微酸環(huán)境下，此時土壤有機物含量較多，肥力適中；桃樹的光照補償點為2 450～2 720 lx，光照不足會減少花芽分化，降低產(chǎn)量。數(shù)據(jù)分析如圖10 所示。

圖10 溫濕度數(shù)據(jù)分析Fig.10 Temperature and humidity data analysis

4.2 追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

通過掃描二維碼，選擇作物界面，能夠查看到產(chǎn)品名稱、種植面積、種植時間和采摘時間，也能查看東辛撞村種植園區(qū)的環(huán)境，見證大桃的生長過程，吃得放心。產(chǎn)品追溯二維碼如圖11 所示。

圖11 產(chǎn)品追溯二維碼Fig.11 Product traceability QR code

5 結(jié)束語

為實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品的園區(qū)建造、數(shù)據(jù)采集分析和全流程追溯，以物聯(lián)網(wǎng)3 層架構(gòu)為組織方式構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品全流程追溯系統(tǒng)。通過信息采集、篩選上傳、平臺搭建，應(yīng)用python、html、go 語言，依建python flask 和go gin 框架實現(xiàn)系統(tǒng)功能，結(jié)合mysql、mongodb 和influx 數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)存儲和處理。消費者在網(wǎng)頁端或手機端可便捷獲取農(nóng)產(chǎn)品溯源的全過程信息，直觀了解大桃的生長環(huán)境信息，增強了消費者對于大桃產(chǎn)品安全的信心。在村民間積極推廣宣傳，帶動更多的農(nóng)戶加入農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)中來，提高產(chǎn)品品質(zhì)與產(chǎn)量，促進農(nóng)民增收，積極響應(yīng)鄉(xiāng)村振興，用科技的力量助力農(nóng)業(yè)發(fā)展。