基于物聯網的藜麥生長周期管理系統的設計與實現

胡雅婷，任旭陽，陳一水，趙佳樂，李 健

（吉林農業大學 信息技術學院，吉林 長春 130118）

0 引 言

藜麥原產于南美洲安第斯山區，距今已有7 000多年的種植歷史。藜麥中富含人體可吸收的蛋白質、不飽和脂肪酸等營養成分，且含人體必需的氨基酸成分。作為單一物種的藜麥，它可以滿足人體所需的基本營養成分，故有“超級谷物”等美譽，已受到聯合國糧農組織等國際組織的高度關注。同時，藜麥的生長適應性很強，可在干旱、嚴寒、多鹽等惡劣環境種植。藜麥在我國的種植歷史較短，上世紀80年代末由西藏自治區引入低海拔地區小范圍試種；經過三十年的發展，目前已在山西、青海、甘肅、吉林等地區種植，藜麥及其深加工和衍生產品具有巨大的發展前景和市場開發潛力。為保障藜麥生產的質量安全，實現種植過程的全程可控，應用物聯網技術構建藜麥生長周期管理系統是必要的，對藜麥種植、加工產業的發展具有重要意義。

我國食品溯源起始于20世紀90年代末，基于物聯網技術及信息管理系統，通過記錄農產品的種植和加工運輸信息，再到倉儲銷售過程中節點信息的存儲，實現從種植田到餐桌前的食品安全可追溯，供用戶查詢售后食品安全問題。種植環節產生的溯源信息不易采集而且信息量大、信息源繁雜，是食品溯源過程中需要重點解決的問題。物聯網技術是種植環節信息采集的關鍵技術，主要利用具體的設備和設施終端，包括具有“半智能”的數字控制系統、數字移動終端設備、微型傳感器、視頻監控系統等以及外部賦予智能，例如“智能物品和動植物”或“智能粉塵”等貼有物聯網標簽的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等。通過各種無線或有線的長距離或短距離通信網絡實現互聯（M2M）、應用集成以及基于云計算的操作模式。在內部網、專網或互聯網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全、可控、個性化的實時在線監控、位置溯源、調度指揮、計劃管理、遠程控制、決策支持和領導桌面等管理和服務功能，實現對“物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化。

1 系統總體設計

1.1 整體思路

基于物聯網技術，采集藜麥農事管理信息、生長環境參數及收割信息，應用WebService的數據智能交互技術，構建形成基準數據庫和系統框架，同時實現生長環境數據的自動采集、上傳，在數據庫的基礎上構建藜麥生長周期精準管理系統；基于防偽QR碼的追溯編碼與產品標識技術，在防偽認證的同時實現生長過程信息的精準識別；采用移動互聯的溯源查詢技術，通過終端設備的“二維碼掃描”功能及時瀏覽種植生長過程的完整信息；在藜麥生長精準管理系統的基礎上，進行數據服務并提供生長環境追溯服務接口，研發藜麥生長過程質量安全平臺并示范應用。系統總體流程如圖1所示。

圖1 總體流程示意圖

1.2 系統架構

本文搭建的基于計算機網絡的基本體系結構，其系統架構分為應用層、服務層、網絡層、數據層和物理層五層網絡結構。

應用層為藜麥追溯系統的其他應用程序提供接入端口，促進藜麥追溯系統的完善。服務層直接與用戶進行人機交互，管理各個環節收集的數據并在手機端和電腦端提供查詢等服務，是用戶使用的主體部分。網絡層作為信息收集、信息傳遞的主要途徑，包括在底層采集農事管理數據的傳感器網絡、連接單片機和云服務平臺的無線傳感網絡。數據層是整個系統架構中的核心部分，主要收集藜麥關鍵種植過程中的數據，實現供用戶查詢的最終目的。物理層是整個生長周期系統的底層硬件支撐，擔任采集處理數據的重任，包括監測現場環境的傳感器和攝像頭、數據傳輸和處理的單片機、短距離無線通信模塊、路由器網關和服務器以及與二維碼標簽相關的打印機、掃碼槍等設備。系統體系架構如圖2所示。

圖2 系統體系架構

2 生長信息數據模型設計

2.1 生長數據電子目錄

藜麥的生長周期涉及種植、生長管理和收割干燥三個環節。根據藜麥的實際種植流程，系統的數據模型設計從種植環節開始。

單片機上傳種植數據的同時系統在后臺生成帶有生產批次號的虛擬標簽，標簽包括藜麥種子信息和種植棚室信息。在作物的生長管理環節，布置在種植棚室的傳感網絡實時采集棚室內的環境信息，將初始數據匯總至單片機后進行處理，并通過無線通信模塊上傳，后臺管理系統將這一階段的數據進行備份，生成生長批次號，并與生產批次號互相綁定。視頻監控模塊作為輔助模塊監控田間的農事管理操作。在傳感器和單片機等硬件設施工作時，生產管理員登錄藜麥生長周期管理系統并將多種農事操作同步上傳。在藜麥收割干燥環節，生產管理員登錄系統將收割干燥的數據進行上傳，系統接收數據生成管理批次號，與生長批次號互相綁定。各個環節產生的批次號將整個生長周期信息串聯起來，不斷補充虛擬標簽的內容。管理系統將收集到的數據進行整合并在藜麥入庫時打印電子標簽。

2.2 生長過程數據模型

藜麥生長周期管理系統利用傳感網實時采集作物生長環境信息，包括二氧化碳濃度、光照強度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤有機質含量等信息，匯總并傳輸至單片機，經過單片機處理后統一通過無線傳感網絡上傳至云端并保存至數據庫。應用物聯網設備實時監測種植棚室的農事管理信息包括施肥施藥信息（種類、數量、方式、時間、人員）、棚室信息、定植日期、澆水時間和次數、長勢信息。與此同時，生產管理人員定時錄入灌溉日期和次數、定植日期、長勢信息、施肥施藥信息（種類、數量、方式、時間、人員）等，并記錄藜麥的收割信息，包括收割日期、收割棚室和收割數量。通過數據庫將全過程收集到的信息整合生成唯一的QR碼，同時在手機端可快速查看生長過程的詳細信息。藜麥生長周期管理系統收集的詳細信息如圖3所示。

圖3 藜麥生長周期管理系統信息收集過程

3 系統實現

3.1 硬件設計

3.1.1 傳感器

藜麥種植過程使用的傳感器有二氧化碳傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器。空氣溫濕度傳感器放置在離地表一定高度測量空氣溫濕度，土壤溫濕度傳感器放置于土壤中檢測土壤的溫濕度。二氧化碳傳感器與空氣溫濕度傳感器安裝在同一位置測量空氣中二氧化碳濃度。光照強度傳感器安裝在與藜麥同一高度的位置上，測量藜麥生長環境的光照強度值。根據以上監測的數值及時調整作物生長環境參數，保證農作物的健康生長。

3.1.2 單片機和打印機

綜合對比多種類型單片機，根據復雜的農田環境系統選用STM32系列單片機作為硬件核心。STM32系列單片機具有低成本、高性能、低功耗、可裁剪等優點，集成的嵌入式閃存使其工作效率大幅提高。

本次設計使用STM32單片機作為信息接收以及中轉的工具。傳感器網絡采集到的數據首先傳輸到STM32單片機，數據經過芯片處理后通過無線通信模塊上傳保存到數據庫。視頻監控模塊作為擴展的輔助功能對生長過程進行全程監控。在作物收割干燥后，打印機連接藜麥生長周期管理平臺，根據數據庫的信息生成并打印本批次藜麥的生產二維碼。

3.2 軟件設計

3.2.1 界面設計

用戶在登錄界面注冊、登錄并進入系統主頁。系統主頁由五個子頁面構成，分別為二維碼查詢頁面、棚室環境信息頁面、藜麥常見病蟲害頁面、安全知識頁面以及農事管理信息頁面。其中，棚室環境信息頁面包含視頻監控子頁面；農事管理信息頁面擴展出農業氣象和周年防治子頁面。主界面如圖4所示。

圖4 系統主界面

點擊二維碼查詢進入查詢窗口并在搜索框輸入產品編碼單擊“查詢”可查看與其相對應的二維碼以及相關記錄；進入環境信息界面修改和查看環境信息，同時也可通過手機和電腦掌握藜麥生長的狀態；藜麥常見病蟲害頁面為用戶擴展病蟲害常見知識；安全知識頁面為用戶提供與藜麥相關的食品安全問題，同時也向用戶展示藜麥安全的儲存方法以及常見做法；農事管理界面針對農事管理詳細信息進行修改和查看，點擊“農業氣象”按鈕進入顯示氣象信息的農業氣象頁面，用戶點擊“周年防治歷”按鈕可以瀏覽當前年份當前季節容易發生的病害蟲害，提醒用戶及早做好預防工作。

3.2.2 系統功能模塊

結合改進Niblack算法，QR二維碼具有較高的魯棒性，可應用在復雜溯源環境中的QR碼識別。因此系統采用物聯網技術中QR碼作為信息載體，實現對藜麥生長全生命周期的監控。

整個系統包括藜麥種植管理和用戶操作管理兩個核心模塊。藜麥種植管理實現藜麥種植過程信息的錄入、管理以及生成。用戶操作管理模塊管理平臺用戶信息。使用MySQL數據庫作為系統的數據存儲平臺。

在核心功能模塊的基礎上，為了實現系統快速開發以及方便后期維護，將藜麥種植管理模塊拆分成二維碼管理、藜麥信息管理和生長環境管理子模塊。用戶操作管理分為用戶信息管理和運營信息管理子模塊。二維碼管理模塊對不同收獲批次生成的QR二維碼進行編輯、導出、打印和刪除；藜麥信息管理模塊管理植株的生長狀態、收獲和干燥記錄以及種子來源和品質等信息；生長環境模塊管理作物生長環境、病蟲害侵襲和氣象條件等信息；用戶管理模塊管理注冊用戶的使用權限；運營管理模塊管理農事運營信息和用戶使用日志。

3.2.3 系統后臺設計

本設計使用J2EE框架搭建藜麥生長周期管理系統。采用B/S結構進行前臺頁面開發，此設計中包含了Node.js、MongoDB、Express、AngularJS和 Nodejs-to-AngularJS套件。其中，利用基礎開發平臺Node.js編寫后端服務和服務器腳本；網站的數據通過MongoDB進行存儲和訪問；Express是Node.js的一個模塊，主要用于定義Web服務器；AngularJS是一種MVC架構，用于定義和控制瀏覽器中的視圖。AngularJS中的模型對象由JSON或Express對象組成，視圖為HTML/CSS，控制器為AngularJS的Express代碼。

在整個系統中，數據管理使用MySQL數據庫。藜麥生長周期系統的數據庫部分采用SQLServer2008開發，數據庫表的建立是數據模塊實現的基礎。系統將各個部分的數據庫表的內容都備份在“總數據庫”。實時監控系統采用短距離無線通信技術將單片機采集到的數據傳輸給管理終端，最終將采集到的數據錄入數據庫進行保存。這種設計方式使得在數據傳輸時，各個系統之間可以互不影響，保證數據的傳輸速度不會降低。同時，遠程的訪問可以不必逐層向下，而是直接訪問“總數據庫”即可。“總數據庫”中數據表見表1所列。

表1 數據庫中的數據表

在建立數據庫的過程中，除了對各個模塊的數據庫進行開發外，還對應著各個模塊分別建立了同步表，存儲在“總數據庫”內。

4 結 語

藜麥生長周期管理系統以藜麥的生長過程為研究目標，本系統基于物聯網技術以及Web技術設計實現的基于QR碼的藜麥生產溯源系統實現了藜麥生產信息的錄入、管理以及查詢，方便種植戶管理整個藜麥種植過程，在保證了產品質量的同時提升單位產量。利用準確完備的藜麥生長周期的全程數據，提高藜麥的生長管理效率，同時為保證藜麥的食品安全提供數據支撐。