基于物联网的茶叶质量溯源系统架构及技术路径

阳琼芳　江立庚

摘 要：以广西农垦茶业集团为研究对象，基于农业部农垦农产品质量溯源体系及农业物联网系统架构，设计出基于物联网的茶叶质量溯源系统架构，并集成传感网技术、视频识别（RFID）技术、二维码技术等物联网技术研究溯源系统实现的技术路径。

关键词：物联网 茶叶质量溯源系统 系统架构 技术路径

中国是茶叶的原产地， 是世界上最早发现和利用茶叶的国家，已有5 000多年的悠久历史，现在世界各国引种的茶树，使用的栽培管理方法，加工工艺，乃至茶叶的品饮，应用等等，莫不源于中国[1]。由于我国茶叶具有生产地域广阔、加工作坊分散、流通环节复杂等特点，加之种植户、茶企业对茶叶种植过程投入品及生产加工过程控制不严，出现了茶叶农药残留超标、重金属含量超标、有害微生物残留等问题，导致茶叶质量安全危机频繁发生，严重影响了中国茶业品牌声誉，中国茶叶出口也面临着不可避免的，更多的“绿色的、技术性壁垒”。

以广西农垦茶叶集团为研究对象，基于农业部农垦农产品质量溯源体系，开展了基于物联网技术的茶叶质量溯源系统建设研究，建立了符合茶叶溯源特点的高效、智能化的质量溯源系统，实现茶业产业链的全程溯源。

1 农业物联网系统架构及关键技术

1.1 农业物联网的系统架构

物联网的概念早在1999年就已经提出，并迅速在农业中推广应用。农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用。农业物联网系统架构分为感知层、网络层、处理与应用层3个层次，如图1所示。

感知层主要包括各类传感器、射频识别技术（RFID）、全球定位系统（GPS）及二维码等，负责采集各种农业相关信息（包括光、温度、湿度等），实现对“物”的相关信息的识别和采集；网络层负责将感知层采集的各种农业相关信息，通过有线或无线方式传输到处理与应用层；处理与应用层主要包括各类农业信息处理系统，如设施园艺系统、农产品物流系统等，通过系统应用实现农业产前、前中、前后精细化管理，促进农业的高产、优质、高效、生态、安全[2]。

1.2 农业物联网关键技术

农业物联网的关键技术主要包括传感器、RFID、二维码、无线传感网等。传感器是农业物联网的核心，主要用于采集各个农业要素信息，包括农作物生长环境的光、温、水、肥、气等参数。RFID技术利用无线射频传输技术来检索和存储数据并自动识别目标对象，被广泛用于农产品溯源的领域。二维码技术是利用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录溯源农产品追溯信息，并通过光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理[3]。无线传感网技术是传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理技术的技术综合应用，主要用于实时监测网络覆盖区域的各类监测对象的信息[4]。

2 基于物联网的茶叶质量溯源系统架构

2.1 系统总体思路

依据2009年农业部发布《农产品质量安全追溯操作规程茶叶》（NY/T 1763-2009）以及农业部农垦局实施农产品质量溯源的规范要求，结合广西农垦茶业集团的生产实际，围绕茶叶生产、加工、销售的种植、采摘、加工、包装、物流、销售等环节，设计溯源关键控制点及信息采集标准，引入RFID技术、GPS技术、二维码技术等物联网应用技术，开发基于茶叶生产、加工、销售全过程的茶叶溯源系统，提高茶叶溯源精准度及可信度。

2.2 系统架构

本系统基于农业部农垦农产品质量溯源体系，引入RFID技术、二维码技术等物联网技术开发新型企业追溯信息采集系统。系统的框架如图2所示，主要由茶园采集端、茶厂采集端、网站及智能手机等查询端、溯源数据分析处理等部分构成。

研究系统属于农业物联网系统，系统架构应划分为感知层、传输层、处理与应用层。感知层主要应用物联网技术实现茶叶生产、加工、销售等溯源信息采集，传输层通过传感网、联通或电信等运营商专线、3G或4G网络等实现茶叶溯源信息传输，处理与应用层包括溯源数据汇总分析、溯源查询等功能，实现与系统用户的交互。

3 基于物联网的茶叶质量溯源系统的技术路径

茶叶质量溯源系统按照“可追溯性”的原理，把茶叶从大田管理、采摘、加工、仓储、包装、储运、销售等各个环节质量安全关键信息，全过程进行有效的采集和监控，并通过网络技术、RFID技术等确保产业链上各个环节的信息传递与共享，从而形成了较为成熟的茶叶产品质量溯源系统的技术路径。

3.1 确定茶叶追溯的目标

确定了茶叶的追溯精度、深度及规模，实际上就可以确定茶叶的追溯目标。

3.1.1 确定追溯精度

追溯精度也叫追溯单元，它是指一件独立包装的上市农产品从市场溯源到种植环节、养殖环节所能界定的最小产品范围或追溯单元的动态组合。它可以按照责任主体或农产品实体来确定，也可以采用主体与实体相结合方式确定。例如，常见的责任主体有职工、农户、生产队、作业组、基地等，常见的农产品实体有地块、连片地块、池塘、栋舍、批次、猪牛羊个体等。

3.1.2 确定追溯深度

追溯深度是指任何一件产品在从源头到市场链条中能够有效跟踪管理产品质量安全信息的末端环节。追溯深度的基本要求是企业销售产品时要记录经销商或分销商信息，终极目标是能够延伸到直接面向消费者的零售环节。企业主要按照追溯产品销售渠道，确定追溯深度。一般茶业企业依据其产品销售渠道，可以把追溯深度确定为初级分销商或代理商。

3.1.3 确定追溯规模及产品种类

茶叶的追溯规模主要指茶园种植面积及数量。为了更好地实现全国垦区农产品质量监管，农业部农垦局进一步加强了农产品追溯项目管理，2015年项目申报中规定茶园追溯面积不少于66.7 hm2或追溯茶叶年加工量不少于200 t。茶叶的追溯还要求对加工产品的包装规格、包装材质、包装形态（罐装、箱装、袋装等）进行明确，同时测算出年包装量[5]。

3.2 确定茶叶质量溯源关键控制点

为控制茶叶的品质，茶叶生产企业在茶叶生产、加工过程中，根据生产流程并应用危害分析，设定茶叶质量的关键控制点，从而有效控制茶叶质量的危害来源。根据茶叶生产流程特点，把茶叶种植与采摘、茶叶加工、茶叶成品包装作为关键点进行强化管理。

茶叶的种植与采摘环节主要控制农药残留、化学肥料使用不当、采茶机产生燃料污染物等污染问题。茶叶加工环节主要控制生产设备带来有害物质污染、微生物含量、重金属指标超标等质量问题。茶叶成品包装环节主要控制包装袋卫生或者除氧剂、保鲜剂使用不当等质量问题。

3.3 茶叶质量溯源信息采集

茶树养护、采摘、验收、运输、生产加工、存储、包装、销售等环节中，基地技术人员、车间技术人员、保管员等利用电脑或手持RFID读写器等工具，将茶叶生产、加工、营销信息录入系统。

3.4 建立溯源信息网络并上传信息

茶叶溯源系统借助有线网、无线网及互联网络等建立支撑系统运行的信息网络。茶园生产、茶叶加工、茶叶营销等环节因采集信息各异，场地不同，采用不同的网络连接方式。茶园生产信息通过无线网络或3G网络实时采集并上传到茶企业溯源信息服务器，茶叶加工、包装等信息采集通过厂区布设有线网络及无线网络上传茶企业信息中心，茶叶销售环节通过互联网络将溯源信息上传企业溯源服务器，以实现溯源信息的查询。

3.5 建立电子化生产档案

按照农产品质量安全法、无公害农产品生产规程要求，参照国家信息分类编码标准，对茶企业有关设施、机构、人员、场所等进行编码管理，定制茶叶溯源系统的各项子功能，可以针对企业需求实施茶叶溯源系统。基于系统运行，对各追溯环节进行生产信息设计并及时采集，形成茶企业电子化生产档案，为茶叶溯源提供全程信息检索。

3.6 形成追溯标识

基于物联网的茶叶溯源系统，主要应用2类标签作为产品的标识，即RFID标签和二维码标签，可为企业生产、管理人员及消费者提供便捷的查询方式。

3.6.1 RFID标签

RFID标签相当于茶叶产品的身份ID，安装在茶叶礼盒实体中。根据茶叶产品包装的特性，选用超高频的RFID被动式标签。标签主要分为3个不同区段，即RESERVE区、TID区、EPC区。TID区共8字节，用于存储RFID标签独一无二的序列号，主要用于防伪；EPC区32字节，主要存储茶叶质量追溯编码。茶叶追溯编码主要考虑产地、种类、等级、包装、生产日期等作为特征编码。例如某产品的追溯编码“2002 08 72 03 0403 1004 03 9”对应信息如表1所示。

3.6.2 二维码标签

二维码作为新型的追溯标签常用于溯源产品包装盒上，应用人们常用的智能手机就可以扫描二维码，检索溯源信息。考虑茶叶包装、销售过程中容易污损的特点，二维码标签制作常用QR码，属于矩阵式二维码。QR码编码及标签通过系统的二维码打印控制软件，将20位数字的追溯码、茶企业信息、产品信息、溯源网站信息等进行编码生成QR码后，打印出标签并粘贴在茶叶包装外表，如图3所示是2013年生产的八桂红有机红茶产品的溯源QR码。

图3 八桂红茶叶QR码

4 结语

文章基于农业物联网系统架构设计全新茶叶质量溯源系统，应用传感网技术、RFID技术、二维码技术等物联网技术建立了符合茶叶溯源特点的高效、智能化的质量溯源系统，克服了原有基于条型码的溯源系统存在的效率较低、采集信息不够丰富等问题，有效地提高溯源的效率及可信度，对名优茶叶产品的质量提升，品牌影响力扩大有重大的意义。

参考文献

[1] 姜含春，赵红鹰，葛伟. 中国茶产业现状及发展趋势分析[J]. 中国农业资源与区划，2009（3）：23-28.

[2] 刘小虎，汪 兴，吴 蒙，等. 茶叶物联网系统的设计与实现[J]. 安徽农业科学，2014，42（16）：

5305-5308.

[3] 盛利民，魏雪涛. 二维码在农产品溯源中的应用[J]. 现代农业科技，2013（18）：330，332.

[4] 苏业健. 无线传感网技术综述[J]. 信息通

信，2012（6）：275.

[5] 李云，唐永宁. 茶叶产品质量追溯系统基本架构与技术路径初探[J]. 广西热带农业，2009

（6）：26-28.