基于物聯網技術的農產品質量安全可視化溯源系統設計

趙小娟，葉 云

（廣東輕工職業技術學院 輕化工技術學院，廣東 廣州 510300）

0 引 言

隨著社會經濟的發展、人民生活水平的提高，消費者越來越關注農產品的質量安全。推行農產品標準化生產與管理，規范農產品生產檔案記錄，建立農產品生產全過程質量追溯制度，是提高農產品生產管理水平、控制農產品質量、保障消費安全的重要手段。目前，歐盟、美國、日本等在農產品質量安全追溯方面的制度和體系建設已趨于成熟。近年，我國也制定了各項政策措施支持、指導農產品追溯體系建設。2016年，農業部頒布《關于加快推進農產品質量安全追溯體系建設的意見》，確定了追溯體系建設的目標、指導原則、保障條件，并統一加強了對各地相關工作的指導。“十三五”規劃綱要也提出，要建立全程可追溯、互聯共享的農產品質量安全信息平臺，健全從農田到餐桌的農產品質量安全監管體系。

現階段，關于物聯網技術應用在農產品質量安全追溯系統中的文獻也比較多，如陽瓊芳構建了基于物聯網的茶葉質量溯源系統架構，并集成有傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼等物聯網溯源路徑；張鳳英在果蔬方面進行了質量追溯系統設計并實現了從蔬菜種植到銷售全過程的農產品信息追溯；陳瑩基于物聯網體系架構，進行了基于種子身份證的小麥溯源防偽及預警研究；鮑曉成從豬肉供應鏈的角度出發，利用物聯網技術構建了豬肉供應鏈可追溯系統模型，進行了豬肉供應鏈的可追溯體系研究；白紅武、張麗、周正貴、蔣凱亞等也基于物聯網技術實現了農產品質量安全的追溯研究。

總體來看，隨著農產品質量安全追溯工作的開展、推進，全國各地在農產品質量追溯體系建設中取得了很大成績，但在實踐中仍存在一些問題：農產品追溯系統的信息獲取主要靠人工錄入，無法實現數據自動上傳；追溯信息覆蓋不全面，生產、加工環節信息有缺失；產品溯源信息單一，多數以生產過程的文字圖片、記錄為主。

本文基于當前農產品質量安全追溯過程中存在的問題，提出基于物聯網技術的農產品可視化溯源系統設計和實現思路。以期能夠實現農產品質量安全溯源信息的可視化展示，有效解決農業企業生產管理和農產品追溯過程中存在的問題。

1 材料與方法

1.1 物聯網技術

“物聯網”于1999年被提出，是指通過傳感器等設備，將物體與網絡相連接，通過信息傳播媒介進行信息交互和通信，實現智能化識別和管理的技術。包含如下關鍵技術：

（1）傳感器技術是物聯網應用中的關鍵技術，可以感知周圍環境或者特殊物質，通過傳感器把模擬信號轉化為數字信號送至計算機處理；

（2）RFID技術是融合了無線射頻技術和嵌入式技術的綜合技術，在自動識別、物品物流管理方面有廣闊的應用前景。

1.2 農產品物聯網

為保障農產品質量安全，實現農產品生產的全過程可追溯、高效管理和追蹤農產品生產全過程，結合互聯網、傳感器、物聯網、云服務等技術，設計建設集企業信息管理、生產管理、投入品管理、環境監測等功能于一體的農產品質量安全可視化溯源系統。通過系統的建設，幫助農產品生產企業建立標準化安全生產體系，建立農產品質量安全溯源體系，實現農產品從種植到采收加工全過程的標準化、信息化管理，形成農產品“從田間到餐桌” 全過程（生產、運輸、銷售等環節）可追溯電子檔案，通過數據的采集傳輸，實現物品與信息的迅速轉換、處理和反饋，構成農產品物聯網。幫助政府監管部門及企業在農產品安全事故發生時，及時追回問題產品，防止危害進一步擴大；消費者掃描二維碼，查詢農產品生產企業信息、種植加工全過程記錄，實現透明消費。系統的應用能夠有效提升農產品質量安全水平，提升農產品品牌形象，推進農業數字化、智能化發展。

1.3 系統總體結構設計

1.3.1 總體設計思路

利用物聯網技術，通過部署的無線傳感器、攝像機采集農作物生長環境參數、農事管理信息及采收信息，數據通過4G/NB-IoT/WiFi傳輸至云服務器，使用SQL Server 2008 R2進行數據存儲。基于Web Service數據智能交互技術構建基準數據庫和系統框架，以及APP/B/S（手機應用/瀏覽器/服務器）架構農產品質量可視化溯源系統。基于防偽二維碼追溯編碼與產品標識技術，實現生產、加工和流通溯源信息的精準識別；基于移動互聯網溯源查詢技術，通過二維碼“掃一掃”，即可在手機端快速查看農產品溯源信息。

1.3.2 系統總體架構

根據農產品質量安全可視化溯源的業務需求，對系統的整體架構進行設計，總體框架分為感知層、傳輸層、數據層和應用層，如圖1所示。

圖1 農產品質量安全可視化溯源系統總體架構

（1）感知層：感知層主要包括用于獲取環境監測數據、農作物生長視頻圖像、農作物蟲害信息的傳感器、攝像機等硬件設備，包括空氣溫濕度、光照強度、降雨量、風速、風向、CO濃度、土壤溫濕度、土壤pH、土壤EC等傳感器、蟲情采集器及攝像機。

（2）傳輸層：傳輸層主要將硬件設備自動采集的數據及軟件系統錄入的信息上傳至云服務器，主要包括WiFi、4G蜂窩網絡、NB-IoT及有線寬帶網絡等形式。

（3）數據層：數據層是指系統涉及的數據按照一定分類構成的數據集，包括用于管理數據的元數據與目錄庫、屬性數據。數據主要存儲于阿里云服務器，其中視頻數據存儲于螢石云。

（4）應用層：應用層是農產品質量安全可視化溯源系統的Web端軟件及手機APP應用程序。

2 系統的功能實現

農產品質量安全可視化溯源系統主要包含企業用戶端和消費者查詢端，企業端主要實現農產品生產管理、環境監測和生成溯源信息等功能，消費者端通過掃描產品二維碼可以查詢產品溯源信息。功能模塊如圖2所示。

圖2 農產品質量安全可視化溯源系統功能結構

2.1 企業端

（1）企業管理

企業管理模塊的主要功能是設置企業信息，登記企業負責人、聯系方式、企業地址等，上傳企業榮譽證書、資質文件、產地認證資料等。企業信息最終形成農產品生產主體的追溯信息。

（2）產品管理

產品管理主要對企業生產經營的農產品信息進行管理，包括編輯和查詢產品名稱、產品圖片、生長周期及理論產量等。

（3）地塊管理

地塊管理模塊主要針對農產品種植地塊進行管理，劃分企業種植基地的土地，登記地塊編號、地塊名稱、土地特性，標記每個地塊的農作物及環境監測設備、視頻監控設備。

（4）投入品管理

投入品管理模塊主要用于管理農產品生產過程中種子、農藥、肥料等投入品，編輯和查詢投入品名稱、供應商、生產許可、登記證、主要成分、安全間隔期、有效期等信息，并建立農藥黑名單，杜絕禁用農藥的使用。

（5）庫存管理

庫存管理具有投入品、農機具及農產品等庫存管理功能，記錄種子、肥料、農藥等投入品和農機具采購入庫及出庫使用情況，記錄農產品采收入庫和銷售出庫的數據，查詢和盤點投入品、農機具及農產品庫存情況。

（6）生產記錄

生產記錄模塊主要用于記錄農產品從種植開始到采收加工全過程的農事操作信息，內容包括作業事項、作業時間、投入品名稱、投入品用量、作業負責人等數據。生產記錄形成了農產品的生產、加工各環節的追溯信息。

（7）環境監測

通過在農產品生產環境（大田/棚舍）中安裝小型氣象站、土壤傳感器、蟲情監測傳感器等物聯網監測設備，實時監測農產品種植生產過程中的空氣溫濕度、光照強度、降雨量、風速、風向、CO濃度、土壤溫濕度、土壤pH值、土壤EC值等指標。環境監測數據可在系統上實現實時查詢和歷史統計，一方面用于指導生產，另一方面可形成農產品生長過程中的環境數據曲線可視化追溯記錄。

生產環境監測數據界面如圖3所示。

圖3 生產環境監測數據界面

（8）視頻監控

可通過農產品生產區域安裝的高清攝像機實現在系統上實時查看農產品生長情況的目標，并生成農產品生長過程、農事操作圖像和視頻等可視化追溯記錄。

（9）產品賦碼

產品賦碼模塊主要實現農產品批次和溯源二維碼的管理。農產品出廠時，設置農產品的生產批次，關聯農事生產記錄、環境監測記錄、視頻監控數據，并登記檢測報告、銷售去向等信息，通過該模塊生成溯源二維碼，打印、張貼于產品包裝上，供消費者查詢。

（10）溯源分析

溯源分析模塊主要用于查詢產品二維碼被掃描次數、掃描發生的區域分布等情況，統計分析產品終端銷售流向及銷售數據。溯源二維碼查詢數據分析如圖4所示。

圖4 溯源二維碼查詢數據分析

2.2 消費者端

消費者端的主要功能是手機掃描農產品的溯源二維碼，查詢農產品生產企業信息、生產加工記錄、藥肥施用情況、生長過程環境監測數據、生長過程視頻圖像以及檢測報告等信息，展示頁面如圖5所示。

圖5 溯源信息展示頁面

3 結 語

本文提出并實現了基于物聯網技術的農產品質量安全可視化溯源系統，結合農業企業的業務需求，對農產品生產過程中的農事操作、投入品、農產品、環境數據等內容進行系統化管理，實現了農產品質量安全溯源信息的可視化展示，有效解決了農業企業生產管理和農產品追溯中存在的問題。目前該系統具備以下特點：

（1）系統使用APP/B/S架構，操作簡單、方便升級。支持用戶通過手機APP、平板電腦客戶端進行系統訪問，用戶在田間也可隨時進行信息查看和數據錄入操作。

（2）系統開發集成了多種成熟框架，采用分層理念開發，保證了系統的兼容性、可擴展性，可根據用戶需要定制功能模塊，也可擴展新增其他個性化的功能模塊，滿足不同用戶的需求。

（3）系統在設計上充分調研了農業生產、追溯業務需求，系統適應性廣，能夠滿足企業、合作社、家庭農場等各類農產品生產企業和組織的使用需求，支持各品類農產品的生產管理模式和質量安全追溯功能的實現。

（4）本系統通過集成物聯網設備和技術，自動采集農產品生產環境數據和視頻圖像信息，并生成溯源記錄，數據真實、客觀，可信度高，相對傳統追溯系統的設計具有先進性和可靠性。