河北省苜蓿質量安全溯源管理系統建設

徐玉鵬，閻旭東，石秘秘，秦倩茹，劉效朋，白艷梅，劉青松，劉 震

（1.滄州市農林科學院，河北 滄州 061001；2.河北恒華信息技術有限公司，石家莊 050000；3.渤海新區黃驊市農業農村發展局，河北 滄州 061000）

隨著數據時代的到來和中國智慧農業戰略的實施，為了提升消費者的購買意愿，將信息技術與農業深度融合是未來發展的主攻方向。2021 年，國家市場監督管理總局印發《關于進一步落實食用農產品批發市場食品安全查驗要求的通知》，要求建立和完善農產品物流追溯體系，實施農產品安全信息化追溯管理，實現物流供應鏈的信息可追溯、原因可清查、風險可管控［1，2］，從而增強消費者對于食品安全的信任［3，4］，因此，建立先進、周密的農產品溯源管理系統是重要任務。

國外在農產品溯源方面起步較早，2018 年英國投入大量資金進行溯源數據安全方向的相關研究，新加坡也利用區塊鏈技術為國際航運提供更安全高效的服務［5］。中國針對農產品溯源的研究較多，楊萌［6］、江琳莉等［7］將區塊鏈技術應用在富硒茶及梅州柚等農產品質量溯源方面，利用物聯網+5G 網絡手段解決了傳統溯源系統數據傳輸效率低、信息準確度差的問題。張新軍等［8］、張茂松等［9］也利用食品安全溯源系統對當地特色食品中的污染問題進行了研究。丁嘉懿等［10］、王億［11］和鄒春杰等［12］則從系統搭建的角度闡述了如何進行食品溯源系統的建設。國內大部分研究的方向集中在人們日常生活中可直接食用的農產品上，對于其他需要進行二次加工的飼用農產品質量溯源研究較少。隨著居民對乳畜產品的需求量不斷增長和中國農業結構調整的深化，飼料作為畜牧業發展的基礎產業和保障，成為具發展潛力的部分。

飼草產品在生產、經營和使用等環節仍存在嚴重的質量安全問題。飼草產業質量安全意識缺失嚴重制約了飼草產業的可持續發展。首先，終端用戶在收購苜蓿產品時通常進行抽樣室內檢測，這種方式時間較長且費用較高。其次，依靠經驗抽檢苜蓿產品，這種方法專業性強，過于依賴經驗，準確度不高。但不論采用何種方法，在飼喂過程中出現問題后難以分辨是否由于飼料原因導致，從而產生了許多不必要的糾紛，也不利于苜蓿產業的發展。一個好的溯源管理體系對于產業帶來的效益是長期且多方面的［13-15］，溯源系統通過對苜蓿生產全過程信息的管理，在消費者和生產者中建立信任，可以解決類似問題。因此，不論從農業科技需求還是現實生產的角度，發展和建立苜蓿質量安全溯源管理系統都具有重要意義?；谵r業信息化技術的不斷發展，針對苜蓿飼草產品質量良莠不齊、出現質量問題后無法明確問題原因的現象，構建了河北省苜蓿質量安全溯源管理系統，為推動飼草產品質量安全發展提供參考。

1 河北省苜蓿質量安全溯源管理系統的工作機制

河北省苜蓿質量安全溯源管理系統是運用互聯網、移動物聯網、物聯網和GIS 技術等現代信息技術，對苜蓿從種植過程、生產過程到銷售的全生命周期內所產生的數據進行跟蹤管理。主要分為3 個部分：第一部分是布設于種植、生產和運輸等環節的節點服務器，可以對不同生產環節收集的數據進行存放，當某一環節產生數據后，會自動形成備份傳送至每個節點服務器單獨保存；第二部分是設立于田間的生產信息采集設備，如小型自動氣象站、土壤水分監測儀及地溫監測儀等，根據田塊大小設立不同數量的自動采集裝置，將收集的數據實時傳送到各數據存放節點；第三部分為手持設備，主要針對生產環節中無法進行自動收集的數據，通過錄入、圖片或視頻的形式進行補充。當整個生產過程結束后苜蓿產品流通至用戶端，用戶可以利用二維碼或電子標簽等形式對產品整個生產過程進行查詢，確保產品品質。

2 河北省苜蓿質量安全溯源管理系統設計

2.1 工作流程

苜蓿質量安全溯源管理工作主要分為5 個階段，分別是基礎信息采集、生產過程信息采集、流通環節信息采集、數據安全管理及用戶端信息讀取。

1）基礎信息采集。利用自動數據獲取裝置結合人工采樣的方式，收集苜蓿產地的經緯度、土壤質地、基礎養分等信息。

2）生產過程信息采集。分析苜蓿種植與交易過程中所有參與方在信息交換、管理等方面的需求。建立苜蓿質量安全溯源系統的基本處理流程，對氣候、品種、施肥、刈割日期和產品流通方式等信息通過人工或自動的方式進行記錄，同時結合視頻監控設備留存影像資料。

3）流通環節信息采集。通過對車載設備軌跡的追蹤，記錄苜蓿產品從產地流出的方向及實時情況。

4）數據安全管理。利用區塊鏈技術手段，將整個系統內的數據保存在各生產環節的節點服務器中，防止單個節點對數據進行篡改。

5）用戶端信息讀取。通過“一物一碼”或“一地一碼”的形式，使消費端用戶可以通過溯源系統獲取整個產品生產過程中的全部信息。

2.2 系統架構

苜蓿質量安全溯源管理系統以先進的傳感器、物聯網、云計算、大數據以及移動互聯網等信息技術為基礎，系統自上而下可分為5 層，分別是用戶層、應用層、數據層、網絡層和感知層（圖1）。

圖1 苜蓿質量安全溯源管理系統架構

2.2.1 用戶層 該層主要對不同身份的人員進行定義并賦予相應崗位的系統數據錄入和管理權限。包含農戶（合作社）、科技工作者、采購企業。

1）農戶（合作社）：作為苜蓿種植過程的主要參與者，是溯源信息與質量安全的信息主要采集人。這些用戶使用移動端APP 開展農事操作，并將操作過程中的各項農事信息上報至溯源系統后臺。

2）科技工作者：科技工作者主要對物聯網設備進行維護和數據采集，并通過數據進行匯總分析，指導和幫助農戶提升苜蓿產品的質量。

3）采購企業：采購企業作為苜蓿產品銷售的最后一環。受苜蓿質量安全影響較大，本系統通過“一單一碼”的方式，依靠溯源碼查詢呈現苜蓿種植、采收、加工、運輸的全流程信息，為采購企業提供安全、可靠、透明的質量安全保證。

2.2.2 應用層 應用層為平板電腦、智能手機、個人電腦提供統一的應用服務，實現物聯網監測、控制和實施視頻直播監控。主要由運行管理、種植分區、農事管理、應急處置、溯源管理和系統配置等組成。

1）運行管理。該模塊是系統的主要組成部分，向系統用戶展示遙感影像數據、物聯網設備監控信息、地塊分布、運行控制、農事記錄等信息，實現資源數據的管理、圖層控制、地圖漫游、面積測量、距離測量、圖斑選取、圖層查詢等功能。

2）種植分區。通過該模塊的功能，可以實現接入物聯網設備、查看實時監控數據、配置種植位置的區塊信息。

3）農事管理。由系統用戶對農事活動進行管理，制定農事計劃、設置地塊，查看農事記錄，農事活動統計等。

4）應急處置。該模塊包含預警信息和工單處置2 個子模塊，系統用戶通過預警信息版塊上傳報警信息，如設備故障、災害預警、日常其他應急信息等，對預警信息生成處置工單，指定人員處理并上報處置結果。

5）溯源管理。該模塊包含產品入庫庫存、訂單管理、溯源碼管理、移動端溯源碼訂單生成及匹配功能。

6）系統配置。該模塊用于系統基礎信息配置，包含用戶管理、權限管理、數據字典、系統運行日志，物聯網設備接口配置文件，屬于系統初始化配置單元。

2.2.3 數據層 數據層基于編碼規范體系，構建集氣象、土壤、農情、農技、農資服務等為一體的農業資源數據庫，是對系統中所有數據的邏輯抽象，包括種植的影像數據、環境數據、空間位置數據、物聯網檢測數據、農事活動計劃、數據字典、業務數據等。

影像數據：帶有經緯度信息和實時地貌的遙感衛星數據。

環境數據：該數據主要記錄氣象環境數據，字段包含每天的溫度、光照輻射、降水量、風力、風向、濕度等。

空間位置數據：指種植作物所在的地塊位置信息。

物聯網檢測數據：指對監控區域的土壤資源、水資源、環境氣候及農情信息等進行全程精準監測；通過無線網實現傳感器數據的匯聚，通過互聯網轉發上傳到后端服務器的數據。

農事活動計劃：包含種植地塊、種質信息以及農業生產過程計劃，如灌溉、施肥等活動。

數據字典：指與表單中枚舉類型字段關聯的取值元素的集合，由管理員維護。數據字典不僅提高了填報效率，還約束了數據取值范圍和格式，在一定程度上提高了數據質量。

業務數據：是系統在運行過程中得到的數據，如用戶信息、角色信息、日志信息等。

2.2.4 網絡層 網絡層通過無線網實現傳感器數據的匯聚，通過互聯網轉發上傳到后端服務器。該層集新興的互聯網、移動互聯網、云計算和物聯網技術為一體，將匯聚的數據轉發上傳到后端服務器。

2.2.5 感知層 感知層中存在各類傳感器和攝像頭對監控區域的土壤資源、水資源、環境氣候及農情信息（苗情、墑情、蟲情、災情）等進行全程精準監測。可以在農業生產現場各環境的各種傳感節點（環境溫濕度、土壤水分、農情信息等）和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析等。

3 河北省苜蓿質量安全溯源管理系統的構建

鑒于苜蓿質量安全溯源管理系統物聯網設備接入較多、系統用戶較多的特點和電腦端與移動端同時兼容的需求，本系統采用B/S 模式的基于網絡的web 應用程序架構，前端采用H5 自適應布局，方便快速、便捷地實現系統的維護和升級。服務器選擇穩定的Windows Server 2012 R2 作為操作系統，使用SQL Server 2019 作為后臺數據庫。開發環境基于Asp.NET Core 架構，開發語言為C#，系統框架采用MVC+EF+倉儲模式，開發工具使用Visual Studio 2019。物聯網設備采用API 接口，實現對物聯網設備的自動數據采集和遠程控制，以滿足本系統對安全性、穩定性、擴展性、維護性等各方面的要求。

系統包含運行管理、種植分區、農事管理、應急處置、溯源管理和系統配置6 個功能模塊。農業園區總覽模塊為系統的數據駕駛艙，其通過GIS 地圖和各類圖形化圖表，集中展示農業園區各類運行數據，包括農事活動、氣象記錄、物聯網監測數據等。運行管理模塊依托GIS 地圖實現對園區內各類生產要素的統一監控和管理。如設備運行情況、種植地塊分布、農事活動進程等。農事管理則包含對園區功能分區的設置和管理，以及各類型物聯網設備接口的管理、數據接口的配置，是農業園區的虛擬資源倉庫。同時該管理模塊包含電腦端和移動端2 個部分，電腦端主要模塊包括農事互動配置和農事活動監測2 個部分，移動端則包含農事活動填報模塊。系統在農事活動配置中采用動態表單設置的方式，用戶可以根據自身實際情況和不同作物農事活動的差異，自定義設置農事互動中填報信息的內容要求，從而保證適應不同業務活動的需求。應急處置模塊包含應急通知、工單處置2 個功能項。應急處置是分別對氣象、土壤墑情、設備運行情況等建立報警閾值，通過對各型號物聯網設備數據的實時采集，對超出閾值的數據項生成預警通知消息，以短信的方式通知相關人員。同時，應急處置模塊可以生成工單，工單包含任務分配、任務反饋、任務評價3 個部分，為園區各部門崗位之間的工作協同提供支持。系統配置模塊包含對系統基礎信息、配置信息、日志、數據字典等的管理。系統通過建立用戶、角色、功能項的對應關系以及數據訪問權限對應關系，為各用戶賦予對應的角色，實現對不同崗位、不同職級用戶的權限管理，從而滿足各崗位的業務要求和保證系統數據的安全。

基于以上技術選型開發了苜蓿質量安全溯源管理系統，如圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖2 苜蓿質量安全溯源管理系統的首頁

圖3 苜蓿質量安全溯源管理系統的運行界面

圖4 苜蓿質量安全溯源管理系統的監控界面

圖5 苜蓿質量安全溯源管理系統的農事管理界面

4 討論

農業與信息化結合是21 世紀新農業的發展方向，如何更好地將二者的優勢有機融合在一起是未來需要深入探討的問題。本研究以農業用苜蓿飼草產品為切入點，闡述了苜蓿產品溯源系統的設計、架構及功能。同時根據其工作的邏輯層次對系統進行了介紹，展示了河北省苜蓿質量安全溯源管理系統的工作過程。該系統相較于其他溯源系統主要具有以下優勢：①數據獲取簡便。傳統的溯源系統要求在產品的生產流程中記錄大量的數據，以便形成數據庫，往往需要大量人力，本系統在設計之初采用了與物聯網結合的方式，降低了數據獲取的勞動強度。②溯源系統涵蓋了整個苜蓿飼草產品生產關鍵節點中的全部信息，包括種植地塊的氣候、土壤條件以及倉儲運輸過程中的溫濕度參數。利用ArcGIS 地理信息技術，將空間數據與業務數據相結合，使數據更完整、更易讀，有利于數據的分析、統計和運用。③針對溯源系統中不同角色，引入農事活動動態表單設計功能，針對不同作物、生產階段及種植方式等靈活設置填報內容，使系統能夠滿足各類農場的業務需求。

該系統已經完成設計和試驗示范基地部署工作，在今后的工作中將開展全年苜蓿飼草產品溯源追蹤，采集產品種植、生產及流通全過程信息，為后期優化系統操作提供實踐基礎。