基于物聯網技術的設施蔬菜質量安全控制體系研究與應用

張京社，閻世江

（1.山西省農業科學院農產品貯藏保鮮研究所，山西 太原 030031；2.山西省農業科學院蔬菜研究所，山西 太原 030031）

我國是世界上最大的蔬菜生產國和消費國，蔬菜產業已成為我國農業和農村經濟的支柱產業。隨著經濟的發展和人們生活水平的不斷提高，消費者對蔬菜質量安全問題越來越關注[1]，但由于生產者的文化程度低、監管不到位等原因使有關蔬菜質量的負面事件屢屢發生。針對目前蔬菜生產中存在的安全問題，努力建立蔬菜產品生產與管理過程中的質量安全標準體系、檢測監控體系、安全生產技術保障體系，有利于食物結構的調整，改善人民生活，保障人民身體健康和生命安全[2]；有利于農業產業結構調整，促進農業產業化、現代化和食品安全衛生化的進程。實踐證明，在監管中其難點在于蔬菜生產的過程較長，涉及的環節較多，傳統的監管體系實用性不強，無法檢測其整個過程，因此急需一種新的控制體系，基于物聯網技術的設施蔬菜質量安全控制體系應運而生。物聯網最早出現在美國，通俗地講是指在“互聯網”的基礎上進行物與物之間的信息交換，早期的技術僅有射頻識別、無線數據通信等，目前可以通過紅外感應器、GPS、激光掃描器等將物品連接，進行信息交換。經過多年的發展，物聯網已開始在蔬菜生產中應用。所謂設施蔬菜質量安全控制體系，包含蔬菜生產、經營、管理和相關信息服務等，它利用各類傳感設備，采集相關信息，通過無線網絡、移動通信無線網和互聯網傳輸，在智能化操作終端顯示，實現了蔬菜產前、產中、產后的全過程監控，對蔬菜標準化生產、蔬菜質量安全監管、保障食品安全、設施蔬菜產業升級[3-4]都具有十分重要的意義。目前國外的相關研究較多，而我國的研究才剛剛起步，多停留在理論研究階段，實際應用的較少。為此本文從該體系的應用現狀及實例等方面進行論述，希望對蔬菜質量安全的健康發展有所幫助。

1 物聯網技術在蔬菜質量安全控制中的應用現狀

2011年，國家啟動物聯網示范工程，最早從上海、天津、安徽開始[5]，目前已取得了階段性的成果。北京市利用物聯網管理農業用水，監控環境[6]。江蘇省利用物聯網管理設施農業、禽畜養殖等[7]。天津市利用物聯網管理1 000棟節能溫室。山東濟南市推進農業物聯網建設，在大田作物、設施農業生產、流通等領域進行廣泛應用[8]。

隨著基于物聯網技術的設施蔬菜質量安全控制體系研究的深入開展，越來越多的企業與科研院所聯合開展農業物聯網研發，大批農業物聯網平臺應運而生，如北京市的BJ-CABBAGIS[6]，壽光市蔬菜生產數字平臺[7]，江蘇省農業物聯網平臺[8]，吉林農業大學與現代農業生產企業吉林省金塔（實業）股份有限公司聯合開發的設施蔬菜安全生產技術體系[9]，濟南正莊現代農業園創立的現代農業信息化系統平臺，實現了生產全過程管理[10]。

2 應用實例

山西省農業科學院蔬菜研究所與山西浩輝科技有限公司合作開發出蔬菜安全生產管理平臺，平臺情況如下。

2.1 系統總體方案

該平臺通過在溫室內的傳感器監測大氣溫度、濕度等環境參數，將數據傳回計算機，工作人員可以隨時查看，并通過內嵌的專家決策系統進行溫室生產管理；也可以將數據進行較詳細的分析，最后得到溫室管理的方案。系統結構如圖1所示。

2.2 通信系統設計

這部分包括局域網網關、移動通信系統和互聯網系統。智能網關是終端采集器的終端控制器的匯聚節點，通過ZigBee無線網絡將終端采集器和終端控制器組成一個局域網。智能網關通過移動通信網絡與服務器連接。

2.3 智能控制子系統

智能控制系統主要包括任務計劃、預警預報。專家制定種植任務計劃，設定各環境參數的閾值，超出閾值的范圍后自動報警，提醒工作人員整改。

圖1 系統結構

圖2 主頁

2.3.1 顯示器

顯示溫室實況、各環境參數。

2.3.2 可編程控制器

是整個控制系統的“大腦”。負責數據的采集存儲、系統的報警監控等。

2.3.3 無線電接收裝置

采集、接收各傳感器采集并發回的數據。

2.3.4 預警預報

主要根據溫室環境參數的安全閾值來啟動報警系統。

2.4 智能管理系統

打開瀏覽器后在地址欄輸入：http://1615gx 5518.51mypc.cn/SY/Index.aspx，即可訪問（圖2）。該系統分為9大模塊，分別為主要設計人、系統簡介、溫室實況、病蟲害預警、種植管理、農事管理、種植作業、系統設置、退出系統。

2.4.1 主要設計人

該模塊介紹該平臺的主要設計人員（圖3）。

2.4.2 溫室實況

該模塊主要是由主機下達查詢命令，由主設備進行各傳感器和控制設備的當前狀態收集并傳送給主機，然后由Web程序顯示給用戶（圖4）。系統把所有溫室列到表格中，如果用戶想了解某一溫室的詳細參數如溫度、相對濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫度、土壤濕度和工作狀態，則可以直接查看具體信息。專家之前已繪制了最佳環境因子圖，如超出最佳范圍，就會自動報警，提醒管理人員進行整改。

圖3 主要設計人

圖4 溫室實況

在溫室中安裝了帶有Web功能的攝像頭，這樣在系統中只需要設置相應的IP就可以在網頁中顯示畫面。通過影像用戶不需要實地考察就能大致觀察到溫室內部的情況，當一個人控制許多個溫室時監控管理就變得非常重要。一般使用網絡攝像頭直接與系統總路由器相連接，在功能上可以獨立于硬件系統，不會由于硬件或中間部件故障影響監控功能。

2.4.3 病蟲害預警

該模塊根據視頻圖像發生的變化，探頭會自動對比，并配合人工實地觀察、取樣化驗，作出判斷，調查蔬菜是否發生病蟲害，并有針對性地提出防治方案（圖5）。

2.4.4 種植管理

該模塊需要由種植專家幫助完成。在該系統中制定種植計劃時，種植專家要根據自己的種植管理經驗和以往平臺的系統記錄，按不同的蔬菜生長階段制定不同的栽培管理措施。設施蔬菜栽培管理措施主要包括灌溉、施肥、植株調整、病蟲防治、授粉、收獲等。管理專家下達各項指令，由操作人員查看。種植管理頁面見圖6。

2.4.5 農事管理

該模塊一般由操作人員完成。待種植專家在“種植管理”系統中下達指令，操作人員在此系統中進行查看，并按指令完成作業，如在蔬菜生長的各階段完成灌溉、施肥、植株調整、病蟲防治、授粉、收獲等。完成后主機自動記錄（圖7）。

圖5 病蟲害預警

圖6 種植管理

2.4.6 種植作業

在前述的“農事管理”中，操作人員完成指令后并錄入，系統就顯示已完成的作業內容，可供管理者進行查看。該系統可進一步進行拓展，與后續開發的溯源系統[9]聯網使用（圖8）。

圖7 農事管理

圖8 種植作業

2.4.7 系統設置

此模塊為種植基地的日常管理，由Web服務器顯示相關頁面，然后由用戶輸入Web服務器和中間部件的IP和端口即可，雖然此模塊在實現上比較簡單，但IP地址正確的設置才能使整個系統正常工作（圖9）。

2.5 應用效果

該平臺在山西沁州綠農業科技有限公司和山西省農業科學院東陽基地進行示范，平臺運行3年，效果比較令人滿意，已經在山西省進行示范推廣[11]。目前在山西沁州綠農業科技有限公司的蔬菜生產園區生產的產品，消費者都可以通過手機、電腦、PAD等設備掃描二維碼，查看有關蔬菜生產整個過程的全部信息，尤其是有關在蔬菜發生病蟲害后使用的農藥種類、數量等信息。據統計，該平臺在沁州綠公司蔬菜生產基地、東陽基地應用以來，取得了良好的成效，可減少用工30%，節約生產成本15%，減少5%的貯運過程中的損失，提高銷售收入30%。沁州綠公司的蔬菜產品已通過國家有機食品認證，20 hm2（300畝）示范園區增加收入300萬元，并輻射帶動周邊133.3 hm2（2 000畝）設施蔬菜生產，增加經濟效益2 000萬元。該系統得到用戶的一致好評，應用的前景十分廣闊。

圖9 系統設置

3 展望

3.1 蔬菜生產數據庫的建立需要長期積累

該項技術屬于交叉科學，雖然物聯網技術已經廣泛應用于設施蔬菜生產，但是實用的模塊內容缺乏，即蔬菜生產管理數據庫遠遠不夠，這就需要農業科研人員長期的努力，結合當地實際情況建立標準化技術，才能真正推廣應用；另外，軟件后臺的開發還需要計算機科研人員與農業科研人員進一步合作。

3.2 公益性科研成果需要政府可持續性財政支持

該技術可用于政府對設施蔬菜質量安全監管；幫助生產者進行設施蔬菜標準化生產，促進產業升級；有利于消費者對蔬菜進行安全追溯；有利于促進科研人員由學術化向實用化轉型。該項技術屬于公益性科研成果，其應用前景廣闊，經濟社會意義明顯。考慮到目前在蔬菜生產基地建立溯源管理系統的投資較大，而農戶又限于自身文化水平，缺乏長遠的目光，為此在現階段建立溯源系統仍然需要政府的投入，由政府購買相應的服務。作為政府應加大這方面的投入，確保人們吃到放心菜[12]。

必須堅持“市場+政府+技術”的方式，以“互聯網+”為抓手，聯合農業龍頭企業、農民合作社、農戶，建立綜合的物聯網管理體系、精準化農業生產體系、平臺化農產品流通體系，推進農業物聯網的市場化發展，保障農產品質量安全[13]。