茶葉物聯網系統的設計分析與研究

卓先德（瀘州職業技術學院信息工程系，四川瀘州646005）

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茶葉物聯網系統的設計分析與研究

卓先德
（瀘州職業技術學院信息工程系，四川瀘州646005）

摘要：茶葉是我國南方重要的經濟作物，為了管理好茶葉質量，避免茶葉出現飲用安全問題，則不但要嚴格執行相應的監管體系、法律法規、技術標準，同時需要設計功能相對完善的物聯網管理系統。本文分析了物聯網總體架構設計形式，包括感知層設計、傳輸層與數據庫設計、應用層設計，同時探討了系統功能的實現過程，包括茶葉種植中物聯網功能的實現，茶葉生產銷售中物聯網功能的實現，茶葉溯源查詢中物聯網功能的實現。

關鍵詞：物聯網；茶葉；設計；系統；實現

飲茶可提神解渴、清除有害自由基及抗氧化等，還能陶冶情操，因此我國的飲茶之風長盛不衰，茶葉生產也具有廣闊的市場前景。茶葉中的礦物元素及有機成分由多種因素決定，包括種植、加工工藝及運輸儲藏條件等，為了使生產出的茶葉具有更高的品質及占領更多的市場份額，則應注重優化從種植到銷售的各個環節，建立起高效產業鏈[1]。在建立產業鏈時可以將物聯網作為依托，將網絡與茶葉產品連接起來，提高茶葉生產與銷售的自動化、現代化管理水平。本文分析了茶葉物聯網的設計與實現形式，以供參考。

圖1　茶葉物聯網設計

1　架構設計分析

為了適應茶葉的生產特點，可以采用以下架構設計形式。

針對茶葉經濟的特點，在設計物聯網總體架構時可采用以下方案：（1）無線傳感簇團。無線傳感簇團為感知層。感知層中的設備包括視頻設備、條形碼、二維碼、RFID、傳感器。視頻設備的主要功能包括采集視頻流，同時對視頻流進行編碼與壓縮處理，以確保視頻可以在網絡中順利傳輸。條形碼、二維碼及RFID具有追蹤溯源的作用，同時能管理茶葉種植、生產、倉儲及銷售環節，以全面控制茶葉質量。傳感器的主要作用為全面監測茶葉種植環境，包括監測光照參數、土壤的酸堿度及溫濕度、空氣濕度及溫度等[2]。（2）遙測節點。遙測節點主要為傳輸層及數據庫。傳輸層包括3G網絡、電信網絡、數據專線及VPN專網，其主要功能在于傳輸感知層中的控制信息、數據及視頻流等。傳輸層與數據庫之間的連接通道為VPN專網，在感知層中的數據通過傳輸層傳送到數據庫之后，數據庫可將各類數據或視頻流等劃分為基本信息、溯源信息、視頻信息與環境監測信息。（3）網絡服務層與各基站。服務層主要為應用層。應用層是物聯網中的重要構成部分，應用層中的應用子模塊包括GAP控制模塊、門店管理模塊、物流追蹤模塊、生產加工模塊、茶葉種植模塊及溯源查詢模塊等[3]。設計應用層時需要將茶葉的市場消費情況作為依據，并盡量確保茶葉的種植環節、生產環節、采購環節、銷售環節及追溯環節能夠實現一體化，進而保證茶葉經濟可以依托物聯網實現產業化、智能化發展。

2　物聯網功能的分析研究

2.1茶葉種植中物聯網功能的實現

利用物聯網實時測量茶園中的環境因素，包括土壤PH值、土壤濕度、光照度及溫濕度等，是保證茶葉正常生長與提高茶葉品質的重要措施。同時可以利用物聯網建立茶葉種植信息庫，利用數據信息庫指導茶葉種植過程中的噴藥、施肥、灌溉等操作，并設置一系列信息提醒，包括灌溉信息、病蟲害信息、采摘信息等。（1）傳感器是監測種植環境的主要設備，可采用抗干擾性能良好的JZH型傳感器監測環境溫度、濕度，JZH型傳感器在物聯網中的傳輸協議為2.4G Zigbee協議，基于該傳輸協議的傳感器同時具有采集信息以及傳輸信息的功能，且傳感器具有較強的組網能力，在物聯網中設置的網絡ID共為67834個。在JZH型傳感器檢測到對應節點的溫濕度情況時，無線Zigbee技術可直接將溫濕度信息上傳到環境監測數據庫當中。監測光照強度時選用了ZD型傳感器，該傳感器中安裝了高靈敏度光敏元件，且測量光照度的區間較大，在獲得光照數據后能夠以多種形式向傳輸層及數據庫上傳信息。ZD型傳感器將光照強度傳輸到數據庫后，應用層中的專家診斷模塊可以根據光照強度調節傳感器完成遮光、照明等動作，由此補償光照強度，確保茶葉生長環境實現最優化。此外，用于監測土壤的傳感器，可在PH值與水分超出茶樹適宜生長范圍的情況下，及時在物聯網中發出預警信息，管理員能夠根據預警信息提前做好灌溉等相關工作。（2）物聯網中的施肥系統與灌溉系統。專家診斷模塊可以根據土壤成分的分析結果制定科學化的施肥方案，合理控制配方肥與農家肥的施肥量，進而改善土壤的營養狀況。此外，可采用300PH型無線自動電磁閥控制灌溉系統。電磁閥可以根據物聯網中茶葉需水量、土壤水分的分析結果及灌溉程序完成自動灌溉，灌溉控制方式為電磁閥的通斷動作。應用電磁閥不但可以全面灌溉茶園，同時能有效節約種植過程中的灌溉用水。

2.2茶葉生產銷售中物聯網功能的實現

可利用物聯網管理茶葉的分合堆環節及包裝環節（生產加工）、運輸環節（物流追蹤）及銷售環節（門店管理）。（1）生產加工。分堆指的是按照茶葉等級劃分標準分開堆放茶青，合堆指的是合并處理等級相同的茶青。在進行分堆時，可采用手持RFID讀取茶青容器編號，隨后利用電子秤對分堆的各等級茶青進行稱重，在稱重后將茶青裝入到其他容器中，隨后利用RFID讀取分堆后茶青容器的編號。在沒有執行RFID擦除指令之前，手持REID傳入物聯網的數據為追加寫入數據，RFID編號與茶青來源相對應；為了提高數據傳輸速率，RFID向上位機傳輸數據時，應同時傳輸子堆編號、父堆編號、分堆人員的工作編號、工藝編號及時間信息，在上位機接收到數據后，可在子堆與父堆之間建立對應關系，以優化數據存儲結構。在包裝環節，可利用物聯網采集視頻記錄、包裝數量、包裝日期、包裝品種、包裝重量、包裝時間及車間等相關信息；同時分析田間茶葉、加工廠中茶葉的實際數量、茶葉收購成本、鮮葉收購時間段、付款及欠款等相關信息。（2）物流追蹤。保存運輸茶葉的濕度與溫度均有特殊要求，在一般情況下應采用冷鏈運輸方式。如向直營店或專賣店供應的茶葉數量較少，則可以利用飛機空運冷藏箱。冷藏箱上帶有RFID標簽，在直營店、專賣店接收到冷藏箱后，便可以采用閱讀器直接讀取標簽中的ID號，在讀取ID號之后應及時將其發送給上位機。將RFID閱讀器安裝于存儲冷柜的上方，以確保能夠利用RFID閱讀器直接讀取存放區域內的茶葉信息。在讀取溫度信息后，需要及時發送到物聯網系統的管理中心。（3）門店管理。在門店管理工作中可利用物聯網全面統籌產品展示、門店庫存及銷售記錄等方面的工作。可以采用系統平臺展示茶葉產品及產品詳細信息，門店庫存管理指的是應用系統平臺錄入茶葉單價、等級、數量等方面的信息，保證門店中的管理人員或銷售人員可以及時利用庫存信息計算銷售量，門店中的庫存信息應以表格形式展示。在銷售記錄管理方面，可以采用物聯網的系統平臺管理茶葉銷售數量、等級與品名等方面的銷售信息，管理人員與銷售人員可以利用系統平臺查詢茶葉銷售單價、銷售起始日期及截止日期等。

2.3茶葉溯源查詢中物聯網功能的實現

溯源查詢是控制茶葉產品質量的有效方法，為了確保物聯網中的溯源查詢功能可以起到提高茶葉質量與品質的作用，在應用物聯網的過程中應注意把握好以下幾個關鍵點。（1）應及時采集全面的溯源信息，溯源信息應包括茶樹栽培信息、茶葉采摘及驗收信息、茶葉生產加工與運輸信息、茶葉包裝及存儲信息、茶葉銷售信息等，在采集信息時直接使用手持RFID即可，以保證登錄系統平臺后可以直接查詢生產信息、加工信息及營銷信息等。為了保證溯源信息能夠及時傳輸到物聯網當中，則需要借助互聯網、無線網及有線網，在實際工作中應根據場地條件合理選用連接系統的網絡。對于茶園中的生產信息，則采用3G網絡或無線網絡完成采集與傳輸工作，對于茶葉加工信息與包裝信息，則利用無線網絡或有線網絡上傳到系統平臺中。此外，可利用互聯網上傳茶葉銷售信息。（2）在采集好溯源信息后，可根據相關的法律法規對溯源信息進行分類編碼，在編碼的過程中需要參照標準化分類編碼系統，以將茶葉生產場所、人員、機構及設施等納入到編碼體系當中。同時根據系統運行要求及時采集生產信息，以確保能夠在溯源查詢中獲得全面的信息。（3）目前常用的溯源標志包括二維碼與RFID標簽。RFID標簽由EPC區段、TID區段及RESERVE區段組成，EPC區段共有32個字節，用于追溯茶葉存儲質量，TID區段為REID標簽中的序列號，用于防偽，RESERVE區段為企業代碼與生產日期等基本信息。二維碼屬于一種新型溯源查詢標簽，利用智能手機掃描包裝盒上的二維碼便可以直接查詢溯源信息。為避免在包裝及銷售時造成二維碼出現污損問題，可采用矩陣式QR二維碼。掃描QR二維碼可查詢溯源網信息、產品信息、茶葉生產企業信息及20位追溯碼。

3　結束語

綜上所述，物聯網的出現及普及為茶葉經濟的發展提供了良好的契機。為了降低生產投入與提高產量及經濟效益，促進茶葉經濟實現進一步發展，則應重視在茶葉的種植、生產及銷售等環節中應用物聯網的自動化管理技術、計算機系統平臺管理技術、無線通信傳輸技術、傳感器管理技術及GIS技術。

參考文獻

[1]李得偉,尹浩東.基于物聯網設備檢測數據的城市軌道交通車站站臺多維度實時客流密集度指數預測方法研究[J].鐵道學報,2014(3):9-13.

[2]李成淵,蔣勛.物聯網關鍵技術在國內外發展現狀的詞頻分析研究--基于Engineering Index（2006～2014）[J].西南民族大學學報（人文社科版）,2015(6):232-235.

[3]撒文奇,張社榮,張連明.基于物聯網的大型地下洞室群施工期動態安全評價與預警方法研究[J].巖石力學與工程學報,2014(11):2301-2313.

作者簡介：卓先德（1972-），男，軟件工程碩士，系主任，主要從事IT專業開發、企業信息化應用、信息安全和多媒體技術應用研究。