基于物联网的农业生产基地现场管理与质量追溯系统

孙奕敏 王玙璠 艾浩军

（1.中国人民武装警察部队山东总队训练基地，山东 济南 250000；2.武汉大学计算机学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

我国拥有数十亿人口，属于农业大国，农产品历来是政府关注的重要问题。近年来，农产品质量安全问题受到了前所未有的高度重视。2007年8月17日，中华人民共和国国务院办公厅宣布成立国务院产品质量和农产品安全领导小组。各个省市配合中央政府的工作，分别成立了省、市产品质量和农产品安全领导小组。2007年初，上海市产品质量和农产品安全领导小组12J 出台一系列政府监督、控制政策。2007年10月，该小组启动“上海市产品质量和农产品安全专项整治”，在产品和农产品生产、加工、流通和消费所有节点宣传活动的内容。

农产品质量安全问题不仅关系到公众的身体健康，而且对农业发展、农民增收、农业贸易和农业现代化建设具有重大影响，成为新时期我国农产品生产和供给急需解决的一个重要课题。要达到提高农产品优质生产和消费安全目标，就要解决和实现对农产品“从生产到餐桌”的全程质量监控，治本之策是要建立完善的农产品质量安全体系。

近年来，农产品农药残留、兽药残留和其他有毒有害物质超标造成的餐桌污染和引发的中毒事件时有发生。解决“餐桌污染”问题，除了保护农业产地环境和完善农产品市场准入外，建立农产品质量安全信息系统，加快农产品质量安全信息的有效传播，是解决“餐桌污染”信息不对称问题的重要途径之一。

1 农产品质量管控的要点

为确保有机农业产品满足有机农产品的标准，保障食品安全必须从以下两个方面着手。

1.1 过程管控

为了保证食用农副产品质量安全信息平台提供消费者查询信息的可靠性，对于加入平台的企业要求使用专门的生产管理系统，采集农产品生产全过程数据。对农产品产前的水、气、土等环境检测数据记录，产中生产过程控制、饲料/肥料的使用、农药/兽药等的使用，产后对产品的药物/重金属残留等记录。实现对农产品供应链的全过程监控和管理。

1.2 供应链溯源

供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分、包装、来源等特征，也应当能够向前追踪产品成分、包装和产品的的每一项活动。要设计一个具有对整个价值链可追溯性的供应链，企业必须创建流程和基础架构来收集、集成、分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息，贯穿于整个供应链的各个阶段（从农场到餐桌）。它将企业的技术解决方案整合起来，使物理供应链（商品的运动轨迹）和信息供应链（数据的收集、存储、组织、分析和访问控制）能够相互集成。有了这样的供应链可视性，企业就能保护和推广品牌、主动地吸引其他客户并降低安全事故的影响。

2 系统技术体系

物联网的农业生产基地现场管理与质量追溯系统涉及的技术体系包括以无线传感网为基础的环境检测技术，以视频内容分析为基础的视频摘要自动生成技术，以RFID、二维码标签为基础的产品溯源技术。

2.1 基于无线传感网的环境监测技术

通过无线网络，利用短程通信与远程通信技术相结合，采用Zigbee 组网，Zigbee 到IP 通过传感网关接入到场区信息网，将传感器采集的环境数据，包括温度、湿度、敏感气体、菊酯类农药浓度等信息收集起来，形成无线传感网络，实现对有机会蔬菜基地的监测。有机蔬菜生产场地和加工车间的传感网如图1 所示。

图1 有机蔬菜基地传感网

2.2 视频监控日志与摘要的自动生成技术

在有机蔬菜生产场地内的关键监控点部署摄像头，实现虚实结合可视化操作，采集视频证据数据，利用视频内容分析技术，分割感兴趣目标，提取视频特征，提取典型的视频事件，通过高级语义进行表达，自动生成事件的视频摘要和视频日志，将人从海量的视频数据中解放出来，提高视频监控的可用性，提高检索效率，降低存贮成本，同时便于日后查找和产品溯源。

2.3 组合RFID、条码和二维码的产品溯源技术

通过RFID、条码和二维码的组合识别码提供的信息，RFID 具有容量大、寿命长、自动识别等特点可用于大行包装的标示，用于记录生产产地、生产单位、生产过程、农药化肥使用情况等信息，如图2 所示。而条码和二维码成本低，能记录同一类商品的信息，可广泛应用于单个商品的标识，如图3 所示。同时二维码可便于手机进行查询。当产品发生安全性等事故时，通过追溯信息系统可迅速回溯过程及查明原因所在，正确而迅速地回收产品，防止产品事故的再发生，也可确认业者的责任，从而有效促进对生产和流通过程的重视，保障农产品质量安全。

图2 带有RFID 标签的果蔬箱

图3 带有条码的小包装果蔬

3 系统建设内容

3.1 系统基本结构

根据目前国内的实际情况，提出建设物联网有机农业的思路，系统建设内容主要包括建设基础信息网、生产过程日志与档案系统、有机农产品标签跟踪系统、有机产品销售系统和系统管理平台。智慧农业系统的结构可以采用物联网应用的一般结构，如图4 所示。

图4 智慧农业系统基本结构

3.2 建设基础信息网

3.2.1 场区信息网

场区信息网既要承载场区内的生态环境信息、视频信息和一般办公用途信息。同时还能接入互联网，实现内网与互联网（外网）的互联互通，这对场区的信息网建设提出了新的要求。一方面，办公楼要接入电信运营商宽带，另一方面，各基地要通过无线接入点（Wi-Fi AP）将信息传递到办公楼，实现信息互通。

需要考虑场区内各功能区的地理位置分布，在场区内部署局域网，各区之间通过网线连接，形成无线局域网，无线局域网采用IEEE 802.11n 标准，标准速度达到150Mbps。按此方式组网的场区信息网，主干道的无线网络理论速度是300Mbps，实际运行可以达到150Mbps的速度，能满足场区信息化的要求。如图5 所示。

图5 场区信息网示意图

3.2.2 无线传感网

场区无线传感网要承载场区内的种植基地、养殖基地和沼气池的生态环境信息，包括温度、湿度、照度和敏感气体浓度等，将这些信息通过无线自组网络传递到ZigBee 网关，采用IEEE 802.15.4 标准，再由LAN 局域网传送到控制台服务器进行分析，实现传感网与互联网的互联互通。

场区内无线网络部署方案如图6 所示。

图6 场区无线传感网络结构图

在种植基地和养殖基地内都布置了大量传感器，这些传感器采用自组织的方式形成无线传感网进行信息传递与发送，最后通过一个无线传感网关搜集所有的传感节点信息，再将这些信息统一发送到控制台服务器进行处理。这种无中心的分布式控制网络，不需要类似基站或者访问服务点这样的中心控制设备，即不需要利用现有的网络基础设施同样能提供一种通信支撑环境。在任何时间、任何地点不需要现有的信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。

3.2.3 无线视频监控网

视频监控的目的有两个，一是对生产过程监管，二是生产过程的展示。为保证设备的兼容性，所有摄像头均内置编码设备，即采用网络摄像机，并且尽量选用支持以太网供电（POE）的设备。

组网方式见图7：

图7 场区无线监控网络结构图

在场区的种植基地、养殖基地和沼气池的重要监控点布置摄像设备，通过无线网络将实况录像发送至控制台服务器，服务器对这些视频数据进行处理和分析后，再通过光纤接入的大宽带上传至互联网，提供在线展现，让人们在家也能实时观看场区内的情况。

3.3 生产过程日志与档案系统

服务器对视频数据进行的处理和分析包括对冗余信息的剔除、将有用的信息保存。由于场区内视频信息量非常大，只靠人工处理这些信息变得不可能，因此可以引进计算机视觉的技术，通过有效的算法对智能处理这些视频，提取出人们感兴趣的视频摘要，对每天的生产情况提取视频日志，这样建成的日常视频档案可以有效地对场区进行科学地管理。

无线传感网与无线视频监控网并不是独立的，它们应当相互依存，将某个监测点的生态环境信息和视频监控信息应该绑定在一起，做到“虚实结合”，当查询产区内某一点的信息时，相关的环境与视频信息就都能同时显示出来，使得有机农产品的生产全过程可视化。

将无线传感网和视频监控网采集到的信息结合统一起来，构成生产过程日志与档案，构建管理这些信息的系统，可以作为后续质量安全管控的有力支持。

3.4 有机产品标签跟踪系统

蔬菜供应链和大多数农产品供应链一样，也包括生产、加工、仓储、运输和销售等几个环节，提交有机蔬菜供应链效率的关键也是如何协调几个环节及如何提高每个环节的效率。如图8 所示。

图8 新鲜蔬菜供应链

从蔬菜供应链整体可以看到，通过使用RFID 和条码、二维码的组合标签技术，能够方便地把整个供应链中各个环节的信息读入公共数据库，各个环节也可以便捷地增加相应环节的数据。消费者和相关主管部门也可以通过通信网络和终端进行查询与追溯。根据现有商业模式的使用习惯和使用成本，可以整箱使用RFID 标签，内部小盒装使用条码或者二维码。

标签上要记录的信息包括：

（1）生产阶段的信息，包括品号、产地、电话、化肥明细、种植时间等。

（2）加工阶段的信息：小盒贴上条码，大盒贴上RFID 标签，二维条码直接保存了产地、收割时间等重要信息，也能透过二维码访问中心数据库。

（3）仓储阶段记录的信息，包括入库时间、入库区位、货架货位和出库时间等。

（4）运输阶段的信息：GPS+RFID 标签，包括上车时间、途中温度状况、路线信息、下车时间等。

这些信息分别记录在RFID、条码和二维码标签上，根据这三种标签各自不同的特点和功能，采用不同的方式来标识包装，记录了有机农产品生产过程和供应链全程的信息，能够有效进行质量管理，既节约了成本又能在出现问题时方便消费者追踪溯源。二维条码包装过程和记录的信息如图9 所示。

图9 二维条码包装过程何记录信息

通过RFID、条码和二维码的组合识别码提供的生产产地、生产单位、生产过程、农药化肥使用情况等信息，当产品发生安全性等事故时，通过有机蔬菜标签跟踪系统可迅速回溯过程及查明原因所在，正确而迅速地回收产品，防止产品事故的再发生，也可确认相关的责任，从而有效促进对生产和流通过程的重视，保障农产品质量安全。

3.5 有机产品销售系统

记录销售阶段的信息，包括进入店面时间、销售时间、总量统计、过期数量等。该系统软件还需要与超市的营业网点的进销存系统对接。

最终消费用户可以使用自助式信息查询机，查询到小包蔬菜的所有信息。如图10 所示。

图10 蔬菜信息查询

该系统的成功投入使用可以促进有机蔬菜的透明化跟踪，提高销售量，让消费者“买的放心，吃的安心”。这样物联网不仅应用在农业生产与运输，也能应用于有机农产品的销售等服务当中，对物联网产业链的发展也起到积极地推动作用。

3.6 系统管理平台

可以通过局域网综合管理场区视频，查询生态环境信息，有机农产品跟踪信息。建立互联网网站，按照农产品的生产流程设计一个循环农业的体验平台，在互联网上展示农产品的生产全过程。为有机农业的发展提供了绝好的契机，不论是生产、运输还是销售全程供应链都实现可视化、透明化监控，有利于规范我国农产品生产和贸易行为，指导农产品生产并引导消费，保障农产品的有效供给和消费安全，增强我国农产品在国内外市场上的竞争力，实现农业增效、农民增收和农业可持续发展。

信息发布系统需要公开农产品生产过程信息和供应链管控信息，以保证食品安全，它提供多途径的便民查询，如通过12316 便民平台，拨打热线电话查询；手机短信查询；通过手机拍摄二维码图片，再上传到网上查询；甚至利用卖场的直接读取设备，如触摸屏等查询该农产品的生产和供应链信息，对生产经营者形成有效的社会监督。

4 小结

要达到提高农产品优质生产和消费安全目标，就要解决和实现对农产品“从田头到餐桌”的全程质量监控，治本之策是要建立完善的农产品质量安全体系。通过信息化的手段，对农产品质量安全进行“数字化”管理，在生产过程中，可通过物联网进行环境监控，除可覆盖农业大棚，还可在畜牧养殖、水产养殖、生产环境监测、仓储环境监测等场景进行应用。通过多种传感器实现信息的收集与传递，农牧业生产各环节都可以控制，并且食品可以溯源。智慧农业通过过程管控和供应链溯源，从而有效保证食品质量安全，让人们吃的放心，吃的健康，吃的新鲜，完成从田间迅速到餐桌的快捷过程，通过物联网我们可以实现这一远景目标。

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