一種物聯網全鏈路溯源云平臺的研發

摘" 要：物聯網技術在農業中的應用日益廣泛，顯著提高了農業生產效率和產品質量。文章綜述全鏈路溯源云平臺的現狀及其在農業中的應用。通過分析國內外的研究成果和實際案例，探討了感知技術、云計算與大數據技術、信息安全與隱私保護技術在全鏈路溯源中的關鍵作用。匯總了在數據采集與傳輸、存儲與處理、安全與隱私保護方面面臨的挑戰，并提出了相應的解決方案。最后，展望全鏈路溯源云平臺的未來發展方向，強調技術改進與創新的重要性及其在農業領域的廣泛應用前景。

關鍵詞：物聯網；全鏈路溯源；云平臺；智慧農業；數據采集

中圖分類號：TP39" 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2025）01-0188-06

Research and Development of a Full-chain Traceability Cloud Platform for Internet of Things

Abstract： The application of Internet of Things technology in agriculture is becoming increasingly widespread， significantly enhancing agricultural production efficiency and product quality. This paper provides a comprehensive review of the current situation of full-chain traceability cloud platforms and their application in agriculture. By analyzing domestic and international research outcomes and practical cases， it discusses the critical roles of sensing technology， cloud computing and Big Data technology， and information security and privacy protection technology in full-chain traceability. It summarizes the challenges faced in the aspects of data collection and transmission， storage and processing， security and privacy protection， and proposes corresponding solutions. Finally， it looks forward to the future development direction of the full-chain traceability cloud platform， emphasizing the importance of technological improvement and innovation and their broad application prospects in the agricultural field.

Keywords： Internet of Things; full-chain traceability; cloud platform; smart agriculture; data collection

0" 引" 言

在全球人口持續增長與自然資源日益緊張的雙重壓力下，提高農業生產效率和質量變得愈加重要。我國作為一個歷史悠久的農業大國，長期以來的農業生產主要依賴人力管理，這種傳統農業方式逐漸顯現出其局限性，無法滿足現代社會對可持續農業的需求。在此背景下，智慧農業應運而生，通過創新理念、專業系統和先進技術，對復雜的農業生產過程進行處理和分析，實現更加科學和高效的農業管理。這不僅突破了傳統農業依賴經驗的局限，還促進了農業的發展。

物聯網技術的發展為智慧農業帶來了革命性的變化。通過傳感器對農產品生長環境的實時監測，農業生產可以獲得精準、及時的數據支持。從生產到銷售，每一個環節都能被精確地記錄和追蹤，確保農產品的安全和質量。智慧農業不僅是中國農業現代化的重要方向，也是全球農業發展的必然趨勢。隨著技術的不斷進步，智慧農業在提高農業生產效率、保障農產品質量和促進農業可持續發展等方面發揮著越來越重要的作用[1-2]。

近年來，我國物聯網技術發展迅速，物聯網農產品全鏈路云平臺的建設與應用取得了顯著進展。政府、企業和研究機構紛紛投入資源，推動物聯網技術在農業領域的應用，提升農產品全鏈路的效率和安全性。

基于物聯網的農產品全鏈路云平臺的設計與實現具有重要的行業意義、消費者意義和學術意義[3-4]。該云平臺的研究一定程度上可以促進農業朝智能化、便捷化和透明化方向發展，對保障農產品的質量和安全具有重大意義。新的研究方向為農業發展提供了動力，推動了其持續進步[5]。

1" 關鍵技術

1.1" 物聯網感知技術

物聯網感知技術是物聯網農產品全鏈路云平臺的核心，它通過部署在農產品生產、加工和倉儲等關鍵環節的傳感器，實現了對農產品相關數據的高效采集[6-8]。這些收集到的數據會被實時傳輸至云平臺，為農產品的全鏈路管理提供有力的數據支撐，物聯網感知總體架構如圖1所示。

1.2" 數據分析技術

數據分析與挖掘技術無疑是物聯網農產品全鏈路云平臺的核心驅動力，通過對這些數據進行細致分析，能夠為生產者提供更為精準、實用的建議，這些建議不僅能夠幫助生產者優化種植、養殖等生產環節，還能有效提升農產品的產量和品質。不僅幫助生產者提高農產品的產量和質量，還促進農業生產的智能化、精準化，推動農業產業的可持續發展。數據分析應用場景如圖2所示。

2" 系統分析

2.1" 系統框圖

根據需求調硏結果確定本系統主要框架，系統框架如圖3所示。

2.2" 系統的工作過程

物聯網農產品全鏈路云平臺基于物聯網技術，通過數據收集、存儲、處理等多個環節，實現了農產品從生產到銷售全過程智能化管理。以下是平臺的主要工作過程[9]：

1）數據采集與上傳。平臺利用傳感器收集農產品數據。這些設備將農產品數據通過無線網絡傳送到云平臺，確保農產品數據的實時性和準確性。

2）數據存儲與管理。平臺接收數據后，迅速進行存儲，確保數據安全無虞。

3）數據處理與分析。平臺對農產品數據進行整理。將處理好的農產品數據將展示給用戶，幫助用戶更便捷查看農產品數據。

4）農產品追溯。農產品追溯可以記錄農產品從生產到銷售全過程信息，用戶可以通過手機掃描二維碼進入平臺，在平臺輸入相關信息，查詢農產品的來源、生產日期、是否使用農藥等詳細信息，確保農產品的質量安全[10]。

5）用戶管理與權限控制。平臺對用戶進行嚴格的身份認證和權限管理，確保不同用戶只能訪問和操作其權限范圍內的數據和功能。通過嚴格的用戶管理和控制權限，平臺確保數據的安全可靠[11]。

2.3" 上機位工作過程

啟動程序后，進行初始化操作，進行系統配置、網絡連接。設置平臺的基本參數，網絡連接確保上位機能夠與其進行通信；上位機借助物聯網實時獲取農產品數據。接收到數據后，上位機將原始數據轉化為結構化數據，便于后續的應用。

上位機工作的具體流程如圖4所示。

2.4" 單片機工作過程

單片機作為重要的底層硬件，作用十分關鍵。負責收集、處理來自傳感器的數據，并根據云平臺發送的指令執行相應的操作。單片機工作流程如圖5所示。

下面詳細介紹單片機在物聯網農產品全鏈路云平臺中的工作過程[12]：

1）初始化階段。上電后，設置單片機的工作模式、配置輸入輸出端口、初始化定時器、中斷等。單片機還會與云平臺建立Wi-Fi連接，確保數據能夠正常傳輸。

2）數據采集階段。單片機實時接收傳感器傳輸的農產品數據。將采集到的數據進行處理以提高數據的實時和準確。

3）數據傳輸階段。單片機將農產品信息傳輸給平臺。在傳輸過程中，單片機會遵循通信協議和數據格式，保證數據的完整和安全。

4）指令執行階段。當單片機接收到平臺發送的指令時，它會根據指令的內容和類型執行相應的操作。執行時，單片機會實時將執行結果反饋給云平臺，以便用戶對平臺進行實時管理。

3" 系統架構思路

物聯網全鏈路溯源云平臺的設計旨在實現從農產品生產到銷售全過程的數字化、信息化和智能化管理。平臺總體架構采用分層設計，包括感知層、傳輸層、數據層、應用層和用戶層，如圖6所示。各層之間通過標準接口進行數據交互和通信，實現系統的模塊化、可擴展性和高效性。

3.1" 感知層

感知層主要由部署在農產品生產、加工、倉儲和運輸等環節的各類傳感器組成。傳感器實時采集農產品的環境數據和狀態信息，如溫濕度、光照、土壤濕度、二氧化碳濃度等。這些數據通過無線通信模塊（如LoRa、ZigBee或NB-IoT）傳輸到傳輸層。

3.2" 傳輸層

傳輸層負責感知層與數據層之間的數據傳輸。通過無線通信技術（如Wi-Fi、4G/5G）和有線通信技術（如以太網），確保數據能夠穩定、快速、可靠地傳輸到數據中心。傳輸層還需要考慮數據傳輸的安全性，通過加密技術保障數據在傳輸過程中的安全。

3.3" 數據層

數據層是整個系統的核心，負責數據的存儲、處理和管理。該層利用云計算和大數據技術，構建了一個高效的分布式存儲系統和數據處理平臺。數據層主要包括以下幾個子系統：

1）數據存儲子系統。使用分布式數據庫（如HBase、Cassandra）存儲海量數據，確保數據的高可用性和持久性。

2）數據處理子系統。采用Hadoop、Spark等大數據處理框架，對采集到的數據進行清洗、分析和挖掘，提取有價值的信息。

3）數據管理子系統。提供數據的訪問、查詢和管理功能，支持多種數據接口和標準協議。

3.4" 應用層

應用層基于數據層提供的服務，開發各種業務應用。主要包括農產品溯源管理、質量安全追溯、智能決策支持等功能模塊：

1）農產品溯源管理。通過溯源系統，記錄并展示農產品從生產到銷售的全生命周期信息，包括生產批次、加工信息、倉儲和物流信息等。

2）質量安全追溯。實時監控農產品的質量和安全狀況，確保消費者能夠獲得安全、可信的農產品。

3）智能決策支持。利用大數據分析和人工智能技術，為農業生產提供智能決策支持，如生產計劃優化、病蟲害預警、環境調控等。

3.5" 用戶層

用戶層是系統與最終用戶交互的界面，主要包括生產者、管理者和消費者三類用戶。用戶層提供多種訪問方式，如網頁端、移動端應用，滿足不同用戶的需求。具體為：

1）生產者。可以通過平臺實時監控生產環境，管理農產品信息，獲取生產指導。

2）管理者。能夠查看全鏈路數據，進行質量控制和風險管理，優化生產流程。

3）消費者。可以查詢農產品的溯源信息，確保購買的產品安全可靠。

4" 開發環境

4.1" 上機位環境

上位機開發環境如表1所示。

4.2" 單片機環境

單片機環境如表2所示。

4.3" 硬件配置

硬件配置如表3所示。

5" 界面實現

登錄是平臺的首要功能，如圖7所示，過程如下：登錄界面輸入用戶名和密碼，進行登錄，請求會被發送到后端處理。在接收到請求后，執行一系列的安全驗證。如果找到了對應的用戶記錄且密碼驗證通過，后端服務器會生成一個標識，并將其發送回客戶端。客戶端在接收到標識后，允許用戶進入平臺。

6" 系統測試

6.1" 系統測試的目的與意義

系統測試的目的與意義在于確保所開發的云平臺在實際應用環境中能夠穩定、可靠、高效地運行，并滿足平臺的功能需求和非功能需求[13]。

系統測試目的如下：

1）驗證功能正確性：系統測試目的是驗證平臺是否按照設計需求實現預定的功能，確保每個功能都能夠按照預期運行。

2）發現缺陷：通過系統測試，可以盡早發現系統中存在的缺陷，以便能夠及時修復，提高平臺的質量。

3）確保系統安全性：經過全面的安全評估，我們可以確認系統的安全防護是否達到預期的標準，確保其足夠穩健可靠。

系統測試意義如下：

1）提高軟件質量：系統測試可以確保平臺的質量，通過測試發現潛在缺陷，修復潛在缺陷可以提高平臺的質量。

2）降低維護成本：在平臺發布前發現并修復缺陷，避免后期出現故障從而造成的損失。

3）滿足用戶需求：通過測試，滿足不同用戶的需求，增強用戶對平臺信任度。

6.2" 系統功能測試

本節將深入探討物聯網農產品全鏈路云平臺內各個功能模塊的詳盡測試過程。這些測試旨在確保每一個模塊都能高效、準確地執行其預定功能，從而滿足用戶的具體需求，并進一步強化整個系統的穩定性和可靠性。

6.2.1" 用戶登錄測試

驗證系統安全性方面，用戶登錄測試占據了核心地位，主要目的在于核實系統認證機制的嚴密性。選取管理者、生產者和消費者等不同角色的賬號進行測試。經過嚴格的測試，系統能夠精準地識別并有效拒絕非法的登錄嘗試，大大提升了系統的安全防護能力，為用戶提供了更為安全可靠的使用環境。測試用例如表4所示。

6.2.2" 個人信息測試

個人信息的測試重點在于個人信息的編輯功能，確保用戶能夠查看和更新個人資料，并能準確保存更新后的信息。測試用例如表5所示。

6.2.3" 農產品信息測試

農產品信息測試重點在于農產品信息的新增與修改功能，測試確保用戶能夠查看和更新農產品信息，且能夠準確地保存并顯示更新后的信息。

測試用例如表6所示。

7" 結" 論

本研究成功設計并實現了一個功能完善、操作便捷、安全可靠的物聯網農產品全鏈路云平臺。該平臺通過整合多個功能模塊和物聯網設備，實現了農產品數據的實時采集和管理，并利用大數據技術提高了數據處理的透明度和便捷性。平臺的云功能實現確保了其高度實用性，且經過系統測試驗證了其可靠性和安全性，充分滿足用戶需求。通過直觀的用戶界面設計，用戶可快速訪問和監控數據，極大提高了操作便利性和數據的安全保障。

此外，平臺的設計還特別強調了從生產到銷售各環節的數據透明性，使得農產品供應鏈的每個環節都得到了充分的可視化和監控，從而提升了整個產業鏈的運作效率和品質保證。在操作便捷性和安全性方面，平臺同樣表現出色。簡潔直觀的操作界面使得用戶能夠輕松上手，快速完成所需操作，極大地提高了工作效率。同時，平臺在數據傳輸、存儲和處理等關鍵環節采用了多重安全防護措施，確保用戶信息的安全性和隱私性，為用戶提供了可靠的數據保障。

展望未來，隨著農業市場需求的持續變化，平臺將繼續拓展功能并優化性能，不斷引入更先進的物聯網技術和設備，提高跨平臺兼容性，并強化安全措施，以應對更廣泛的用戶需求和潛在的安全挑戰。平臺的持續發展和技術升級將確保為用戶提供一致的、優質的體驗，同時推動農業信息化向更高層次發展。

參考文獻：

[1] FRIHA O，FERRAG M A，SHU L，et al. Internet of Things for the Future of Smart Agriculture： A Comprehensive Survey of Emerging Technologies [J].IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica，2021，8（4）：718-752.

[2] PANDEY A K，MUKHERJEE A. A Review on Advances in IoT-based Technologies for Smart Agricultural System [J].Internet of Things and Analytics for Agriculture，2021，3：29-44.

[3] 曹浩浩.基于區塊鏈與物聯網融合的糧食供應鏈溯源系統研究與實現 [D].鄭州：河南工業大學，2023.

[4] 梁曉賀，周愛蓮，謝能付，等.區塊鏈與現代農業產業鏈融合：優勢、制約與對策[J/OL].中國農業科技導報，2024：1-12[2024-05-27].https：//doi.org/10.13304/j.nykjdb. 2023.0706.

[5] 張雅倩，劉江平，陳晨.應用Hyperledger Fabric和物聯網技術的農產品溯源系統設計 [J].山西農業大學學報：自然科學版，2022，42（6）：12-23.

[6] BOURSIANIS A D，PAPADOPOULOU M S，DIAMANTOULAKIS P，et al. Internet of Things （IoT） and Agricultural Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） in Smart Farming： A Comprehensive Review [J/OL].Internet of Things，2022，18：100187[2024-06-20].https：//doi.org/10.1016/j.iot.2020.100187.

[7] FAROOQ M S，RIAZ S，ABID A，et al. Role of IoT Technology in Agriculture： A Systematic Literature Review [J/OL].Electronics，2020，9（2）：319[2024-06-23].https：//doi.org/10.3390/electronics9020319.

[8] DHANARAJU M，CHENNIAPPAN P，RAMALINGAM K，et al. Smart Farming： Internet of Things （IoT）-Based Sustainable Agriculture [J/OL].Agriculture，2022，12（10）：1745[2024-06-23].https：//doi.org/10.3390/agriculture12101745.

[9] 曹磊穎.基于區塊鏈技術的食用農產品溯源系統 [D].南昌：南昌大學，2022.

[10] 田碩，解丹丹，尤其浩，等.基于大數據的進口農產品溯源系統設計與實現 [J].中國農業信息，2020，32（1）：39-45.

[11] 韓彬，冷冬梅，徐毓謙，等.肉品冷鏈物流監控技術研究進展 [J/OL].食品工業科技，2024：1-17（2024-07-12）.https：//doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2024030448.

[12] 唐恒睿.基于區塊鏈和嵌入式的農產品多鏈追溯系統的研究與開發 [D].鎮江：江蘇大學，2024.

[13] 陳璽名.區塊鏈技術與農業生態產品供應鏈治理的耦合研究 [D].哈爾濱：東北林業大學，2023.