面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能管理與追溯的物聯(lián)網(wǎng)應用研究

牛沖麗++王濤

摘 要：研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期管理與追溯的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從綠色化種植、加工、存儲、物流、營銷到消費者的全生命周期繁雜信息的實時動態(tài)遠程采集與分析，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從田頭到餐桌的全過程、全方位可溯源的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、可視化管理，提高農(nóng)產(chǎn)品流通效率與安全管理水平。同時，分析該系統(tǒng)涉及的低功耗多功能融合傳感器、大規(guī)模傳感網(wǎng)路由與定位、遠程環(huán)境感知與控制等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；管理與追溯；多功能融合傳感器

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)[1，2]技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在廣泛用于社會的各個領(lǐng)域。我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型時期，全面實踐這一新技術(shù)體系的轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡信息化技術(shù)將發(fā)揮獨特而重要的作用，也為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機遇。充分利用智能化信息管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)[3-5]，同樣成為當今各個發(fā)達國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點之一。

目前我國對于農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管水平落后[6]，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、流通和消費等環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)管體系尚未形成，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全構(gòu)成了較大隱患。利用物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)，可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息“從農(nóng)場到餐桌”的全程透明化，不僅有助于提高消費者對農(nóng)產(chǎn)品安全消費的信心，同時并將帶動物聯(lián)網(wǎng)應用在農(nóng)業(yè)應用的潛在市場。

本文研究利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從綠色化種植、加工、存儲、物流、營銷到消費者的全生命周期繁雜信息的實時動態(tài)遠程采集，構(gòu)建面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期管理與追溯的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從田頭到餐桌的全過程、全方位可溯源的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、可視化管理，加速綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展，大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)產(chǎn)品流通效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策水平，建立健全農(nóng)產(chǎn)品良好生產(chǎn)規(guī)范、質(zhì)量安全監(jiān)督管理體系及產(chǎn)品可追溯制度。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)信息進行采集、傳輸、交換、匯總，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期的跟蹤追溯、實時監(jiān)控、風險預警、有效監(jiān)管、查詢服務。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期進行全程監(jiān)測、信息采集與智能管理，并對消費者提供農(nóng)產(chǎn)品安全信息追溯服務，各階段信息采集內(nèi)容為：

農(nóng)作物種植過程：通過在農(nóng)田中構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)控農(nóng)作物生長環(huán)境與過程，包括土壤、空氣、灌溉水、光照等環(huán)境因素，農(nóng)田蟲害、肥分、農(nóng)作物成熟度等信息，以及農(nóng)作物種植、施肥、用藥、采摘等過程，進一步，基于農(nóng)作物種植管理專家支撐系統(tǒng)實現(xiàn)其精細化管理。

農(nóng)作物加工過程：主要是利用多功能融合傳感器以及RFID技術(shù)，對來自各個種植基地的農(nóng)作物進行加工處理，來源信息與加工后包裝信息進行關(guān)聯(lián)，并完成配送到下游的信息記錄，為農(nóng)產(chǎn)品日后進行安全溯源提供依據(jù)。

農(nóng)作物倉儲過程：在倉儲環(huán)境通過RFID實現(xiàn)農(nóng)作物快速入倉、出倉、盤點、查貨等操作，提高企業(yè)物流與配送效率，同時，實現(xiàn)農(nóng)作物倉儲環(huán)境的實時監(jiān)測與控制，保證產(chǎn)品存儲質(zhì)量。

物流運輸過程：在物流環(huán)境通過RFID標簽以及物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)控制產(chǎn)品質(zhì)量及物流跟蹤。其中，RFID與傳感器需適應高溫、低溫、潮濕等環(huán)境，能在快速移動條件下批量讀取等特種要求，并與周轉(zhuǎn)箱有機結(jié)合成一整體，能在生產(chǎn)、加工、貯運和批轉(zhuǎn)等各環(huán)節(jié)中穩(wěn)定、循環(huán)、高效使用。

零售過程：在終端銷售商環(huán)節(jié)，將根據(jù)該食品的加工工藝、建議食用期以及其在流通過程中所記錄的環(huán)境參數(shù)和對應時間為銷售商提供供貨順序的咨詢建議，為生產(chǎn)商提供銷路分析報告。在終端銷售通過信息服務平臺提供農(nóng)作物全程信息為消費者提供食品質(zhì)量安全報告。

本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖1，共包括四個部分。

全生命周期感知節(jié)點覆蓋：底層感知網(wǎng)絡是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯物聯(lián)網(wǎng)的前提基礎和重要保障。針對農(nóng)作物的全生命周期，利用多功能融合傳感器與RFID技術(shù)，實現(xiàn)感知節(jié)點的全面覆蓋與優(yōu)化配置，感知的信息包括：種植生產(chǎn)過程中土壤、空氣、灌溉水、肥分、光照、蟲害、成熟度等信息，加工環(huán)境與工藝指標信息、倉儲信息、物流信息等，并利用RFID對每一批農(nóng)作物全生命周期的生產(chǎn)信息進行標識。

對象感知：負責傳感器信息注冊與異構(gòu)傳感器群管理，包括新RFID與傳感器節(jié)點的加入、節(jié)點損壞與退出等管理。同時，提供傳感器數(shù)據(jù)獲取功能封裝服務與數(shù)據(jù)獲取服務調(diào)用，以及異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的交換標準。

海量數(shù)據(jù)處理：通過多源數(shù)據(jù)關(guān)系定義、復雜事件檢測與處理、建立信息整合規(guī)則、數(shù)據(jù)挖掘與分析、數(shù)據(jù)信息增值處理實現(xiàn)多源感知數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中增值，最終整合并轉(zhuǎn)換為可直接為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化服務的標準信息。

智能管理與信息服務：利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期的多源信息，通過提供農(nóng)作物種植過程精細化與可視化管理、農(nóng)產(chǎn)品加工過程監(jiān)控與管理、供應鏈物流信息化與可視化管理、銷售信息管理、安全追溯信息服務、以及與其他系統(tǒng)集成服務等實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期信息透明、過程實時感知和動態(tài)優(yōu)化控制與管理。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用B/S 結(jié)構(gòu)進行設計，用戶通過瀏覽器訪問農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯系統(tǒng)，訪問必須通過合法用戶進行登錄，對于不同權(quán)限的用戶訪問的權(quán)限不同。數(shù)據(jù)中心、應用系統(tǒng)服務器、備份服務器、門戶系統(tǒng)均設置在公司中心機房，用戶通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)訪問農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯系統(tǒng)應用服務器。

2 系統(tǒng)模塊分析

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)作物種植過程數(shù)字化化與可視化管理

影響農(nóng)作物種植的幾個關(guān)鍵因素主要包括：土壤環(huán)境、水環(huán)境、空氣環(huán)境、肥分、光照、蟲害等，利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，使用多功能融合傳感器精確監(jiān)測這些因素，以各種終端作為載體實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過先進的技術(shù)將農(nóng)業(yè)專家知識與計算機結(jié)合，并通過信息化調(diào)節(jié)來進行干預和調(diào)控，引導農(nóng)作物高效成長，提高生產(chǎn)質(zhì)量?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)作物種植過程數(shù)字化與可視化管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該系統(tǒng)在農(nóng)作物種植區(qū)中部署無線傳感器網(wǎng)絡，利用視頻設備以及多功能融合傳感器對農(nóng)作物生長環(huán)境與生長過程進行實時監(jiān)測，利用無線控制節(jié)點實現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境與生長過程的遠程干預與控制。另外，整個傳感器網(wǎng)絡由匯聚節(jié)點和感知/控制節(jié)點組成，在傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸方面，路由選擇模塊位于各個節(jié)點上，主要任務是通過一定的路由選擇算法進行路由選擇，從而為消息傳遞提供一個穩(wěn)定的線路，所有感知數(shù)據(jù)經(jīng)由多跳鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心負責對采集的數(shù)據(jù)進行智能分析，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的全景顯示，對局部區(qū)域的信息進行查看和管理，并根據(jù)田間環(huán)境情況下達反饋控制指令。該監(jiān)控中心還可以提供異步的消息通知功能，即在異常情況（比如局部火災、區(qū)域性缺水等）發(fā)生后，以鈴聲報警或電話報警的形式及時通知管理人員。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品倉儲物流信息化與可視化管理

農(nóng)產(chǎn)品倉儲物流過程包括水稻入庫、存儲、出庫、運輸、銷售等過程，各個環(huán)節(jié)的信息采集借助物聯(lián)網(wǎng)RFID與傳感器技術(shù)完成，采集的信息經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)綜合信息平臺。

圖3 農(nóng)作物種植過程數(shù)字化與可視化管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

2.2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品倉儲信息化管理

針對農(nóng)產(chǎn)品倉儲管理，從貨物卸貨入庫開始到倉庫內(nèi)的貨物盤點以及到貨物的出庫等都需利用RFID技術(shù)。一旦貨物卸貨，只要進入到倉庫，在信息中心馬上就會知道入庫的貨物信息；而叉車在移動貨物以及貨物上架的時候，可以通過地面上的標簽和貨架上的標簽得知貨物放置的位置是否正確；而一旦貨物出庫，通過門口的閱讀器可以知道貨物出庫的時間，什么貨物等信息。同時貨物在倉庫內(nèi)盤點也只要拿手持的閱讀器就可以在很短的時間內(nèi)完成。

2.2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品物流運輸信息化與可視化管理

考慮到農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中對溫度、濕度也有一定的要求，需要在運輸環(huán)節(jié)對車箱環(huán)境進行監(jiān)測。結(jié)合冷藏車運輸過程的以上特點，設計出一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的貨車遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)實行模塊化設計，由多點溫濕度采集模塊、門開關(guān)監(jiān)控裝置、RFID模塊、車內(nèi)監(jiān)控模塊、GPRS/GPS模塊、無線通信網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控中心組成，系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有的傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，達到實時準確的監(jiān)控目的。通過高性能的溫濕度傳感器構(gòu)成溫濕度采集模塊用于實時讀取車箱內(nèi)的溫度、濕度數(shù)據(jù)。為測得箱內(nèi)分布溫濕度數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實際需要在箱內(nèi)不同地方放置多個溫濕度采集模塊。門開關(guān)監(jiān)控裝置用于監(jiān)控箱門開關(guān)狀態(tài)，避免運輸過程中的貨物流失。溫濕度數(shù)據(jù)、門開關(guān)狀態(tài)和RFID信息都通過RS 485總線發(fā)送到駕駛艙內(nèi)監(jiān)控模塊顯示屏上，供駕駛艙內(nèi)隨車人員查看和管理，貨車位置由GPS或預先在沿途安裝的RFID數(shù)據(jù)采集點進行跟蹤，將返回的定位信息同溫濕度數(shù)據(jù)、門開關(guān)狀態(tài)及貨物信息通過GPRS網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)傳到遠程監(jiān)控中心，在遠程監(jiān)控中心終端上利用智能分析軟件實時顯示貨車箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)、門開關(guān)狀態(tài)和貨物信息，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個實時、智能的物聯(lián)網(wǎng)。

圖4 物流運輸過程信息化與可視化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品安全追溯信息服務

農(nóng)產(chǎn)品的跟蹤追溯是建立在水稻生產(chǎn)全生命周期信息采集系統(tǒng)的基礎之上的，消費者可以根據(jù)產(chǎn)品包裝上貼裝的標簽，借助電話、手機、自助查詢終端，了解農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、產(chǎn)地信息，以及其存儲、加工、物流記錄等信息。進一步，消費者可以查詢相應批次的綠色水稻種植、加工、存儲過程的視頻信息，一旦發(fā)現(xiàn)問題，還可以通過公共服務平臺進行投訴。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 多功能融合的新型傳感器技術(shù)

農(nóng)作物種植過程監(jiān)測參數(shù)多種多樣，開發(fā)相應的多功能融合傳感器，來同時測量多種土壤參數(shù)、多種空氣參數(shù)及其他。可將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片、芯片或開發(fā)板中，構(gòu)成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。

3.2 傳感器低功耗技術(shù)

節(jié)點攜帶的能量十分有限，而更換電池的方式來補充能源也是不現(xiàn)實的，因此，節(jié)點的低功耗設計是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。可從硬件和軟件兩個角度對節(jié)點進行低功耗設計。硬件方面：使用低功耗處理器或soc 芯片；設計低功耗的接口電路；選用發(fā)射功率可控和靈敏度高的低功耗收發(fā)器，根據(jù)節(jié)點部署位置、功能及傳輸距離，選用或設計高增益天線（如定向天線或陣列天線）。軟件方面：針對硬件資源有限、能量有限的特點，選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)來滿足低功耗的要求，可選擇加州大學Berkeley分校和Intel實驗室聯(lián)合設計的TinyOS操作系統(tǒng)。

3.3 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)作物種植過程監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡具有較大規(guī)模，需解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）路由協(xié)議。在基于分簇的層次型結(jié)構(gòu)上，利用無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)攜帶的檢測對象名稱、地理位置等有用信息作為啟發(fā)式信息，在簇頭之間快速生成傳輸路徑。

（2）網(wǎng)絡定位。為了對網(wǎng)絡節(jié)點進行管理和滿足其他如定位的需求，可對所有節(jié)點進行全局的編號。利用全局編號可以在監(jiān)控終端上查詢出指定區(qū)域的相關(guān)信息，同時在事件發(fā)生時給出事件的地理位置，在災情或異常發(fā)生時給出當前區(qū)域的范圍和擴展情況。

（3）時間同步。采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡節(jié)點的時間同步，所有節(jié)點按層次結(jié)構(gòu)進行邏輯分級，表示節(jié)點到根結(jié)點的距離，通過發(fā)送者-接收者方式，每個節(jié)點與上一級節(jié)點同步，從而達到所有節(jié)點與根結(jié)點時間同步。

3.4 遠程環(huán)境感知、檢測與控制技術(shù)

在農(nóng)業(yè)園區(qū)安裝無線傳感器與控制器，可對整個園區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行檢測與控制，從而及時掌握影響園區(qū)環(huán)境的一些參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化適時調(diào)控如灌溉系統(tǒng)、保濕系統(tǒng)等，確保農(nóng)作物有最好的生長環(huán)境，以提高產(chǎn)量保證質(zhì)量。首先，部署節(jié)點：在農(nóng)業(yè)園區(qū)部署各類型傳感器，這些節(jié)點無線自組織地形成一個層次型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。其次，開發(fā)監(jiān)控終端軟件，采用監(jiān)控主機主動查詢、傳感器節(jié)點事件觸發(fā)響應相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式，采用分層的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。最后，基于這個監(jiān)控終端向控制節(jié)點發(fā)出任務更改指令或?qū)Ω鱾€參數(shù)設定安全閾值，各個控制器節(jié)點接收到這個消息后，根據(jù)指令做出相應的動作或修改相應的參數(shù)。

4 結(jié) 語

本文研究并提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期智能管理與追溯系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)涵蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從種植、加工、儲藏、物流運輸、到銷售的全過程。通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)信息進行采集、傳輸、交換、匯總，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期的跟蹤追溯、實時監(jiān)控、風險預警、有效監(jiān)管和查詢服務。

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