基于物联网技术的设施蔬菜质量安全控制体系研究与应用

张京社，阎世江

（1.山西省农业科学院农产品贮藏保鲜研究所，山西 太原 030031；2.山西省农业科学院蔬菜研究所，山西 太原 030031）

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国，蔬菜产业已成为我国农业和农村经济的支柱产业。随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，消费者对蔬菜质量安全问题越来越关注[1]，但由于生产者的文化程度低、监管不到位等原因使有关蔬菜质量的负面事件屡屡发生。针对目前蔬菜生产中存在的安全问题，努力建立蔬菜产品生产与管理过程中的质量安全标准体系、检测监控体系、安全生产技术保障体系，有利于食物结构的调整，改善人民生活，保障人民身体健康和生命安全[2]；有利于农业产业结构调整，促进农业产业化、现代化和食品安全卫生化的进程。实践证明，在监管中其难点在于蔬菜生产的过程较长，涉及的环节较多，传统的监管体系实用性不强，无法检测其整个过程，因此急需一种新的控制体系，基于物联网技术的设施蔬菜质量安全控制体系应运而生。物联网最早出现在美国，通俗地讲是指在“互联网”的基础上进行物与物之间的信息交换，早期的技术仅有射频识别、无线数据通信等，目前可以通过红外感应器、GPS、激光扫描器等将物品连接，进行信息交换。经过多年的发展，物联网已开始在蔬菜生产中应用。所谓设施蔬菜质量安全控制体系，包含蔬菜生产、经营、管理和相关信息服务等，它利用各类传感设备，采集相关信息，通过无线网络、移动通信无线网和互联网传输，在智能化操作终端显示，实现了蔬菜产前、产中、产后的全过程监控，对蔬菜标准化生产、蔬菜质量安全监管、保障食品安全、设施蔬菜产业升级[3-4]都具有十分重要的意义。目前国外的相关研究较多，而我国的研究才刚刚起步，多停留在理论研究阶段，实际应用的较少。为此本文从该体系的应用现状及实例等方面进行论述，希望对蔬菜质量安全的健康发展有所帮助。

1 物联网技术在蔬菜质量安全控制中的应用现状

2011年，国家启动物联网示范工程，最早从上海、天津、安徽开始[5]，目前已取得了阶段性的成果。北京市利用物联网管理农业用水，监控环境[6]。江苏省利用物联网管理设施农业、禽畜养殖等[7]。天津市利用物联网管理1 000栋节能温室。山东济南市推进农业物联网建设，在大田作物、设施农业生产、流通等领域进行广泛应用[8]。

随着基于物联网技术的设施蔬菜质量安全控制体系研究的深入开展，越来越多的企业与科研院所联合开展农业物联网研发，大批农业物联网平台应运而生，如北京市的BJ-CABBAGIS[6]，寿光市蔬菜生产数字平台[7]，江苏省农业物联网平台[8]，吉林农业大学与现代农业生产企业吉林省金塔（实业）股份有限公司联合开发的设施蔬菜安全生产技术体系[9]，济南正庄现代农业园创立的现代农业信息化系统平台，实现了生产全过程管理[10]。

2 应用实例

山西省农业科学院蔬菜研究所与山西浩辉科技有限公司合作开发出蔬菜安全生产管理平台，平台情况如下。

2.1 系统总体方案

该平台通过在温室内的传感器监测大气温度、湿度等环境参数，将数据传回计算机，工作人员可以随时查看，并通过内嵌的专家决策系统进行温室生产管理；也可以将数据进行较详细的分析，最后得到温室管理的方案。系统结构如图1所示。

2.2 通信系统设计

这部分包括局域网网关、移动通信系统和互联网系统。智能网关是终端采集器的终端控制器的汇聚节点，通过ZigBee无线网络将终端采集器和终端控制器组成一个局域网。智能网关通过移动通信网络与服务器连接。

2.3 智能控制子系统

智能控制系统主要包括任务计划、预警预报。专家制定种植任务计划，设定各环境参数的阈值，超出阈值的范围后自动报警，提醒工作人员整改。

图1 系统结构

图2 主页

2.3.1 显示器

显示温室实况、各环境参数。

2.3.2 可编程控制器

是整个控制系统的“大脑”。负责数据的采集存储、系统的报警监控等。

2.3.3 无线电接收装置

采集、接收各传感器采集并发回的数据。

2.3.4 预警预报

主要根据温室环境参数的安全阈值来启动报警系统。

2.4 智能管理系统

打开浏览器后在地址栏输入：http://1615gx 5518.51mypc.cn/SY/Index.aspx，即可访问（图2）。该系统分为9大模块，分别为主要设计人、系统简介、温室实况、病虫害预警、种植管理、农事管理、种植作业、系统设置、退出系统。

2.4.1 主要设计人

该模块介绍该平台的主要设计人员（图3）。

2.4.2 温室实况

该模块主要是由主机下达查询命令，由主设备进行各传感器和控制设备的当前状态收集并传送给主机，然后由Web程序显示给用户（图4）。系统把所有温室列到表格中，如果用户想了解某一温室的详细参数如温度、相对湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温度、土壤湿度和工作状态，则可以直接查看具体信息。专家之前已绘制了最佳环境因子图，如超出最佳范围，就会自动报警，提醒管理人员进行整改。

图3 主要设计人

图4 温室实况

在温室中安装了带有Web功能的摄像头，这样在系统中只需要设置相应的IP就可以在网页中显示画面。通过影像用户不需要实地考察就能大致观察到温室内部的情况，当一个人控制许多个温室时监控管理就变得非常重要。一般使用网络摄像头直接与系统总路由器相连接，在功能上可以独立于硬件系统，不会由于硬件或中间部件故障影响监控功能。

2.4.3 病虫害预警

该模块根据视频图像发生的变化，探头会自动对比，并配合人工实地观察、取样化验，作出判断，调查蔬菜是否发生病虫害，并有针对性地提出防治方案（图5）。

2.4.4 种植管理

该模块需要由种植专家帮助完成。在该系统中制定种植计划时，种植专家要根据自己的种植管理经验和以往平台的系统记录，按不同的蔬菜生长阶段制定不同的栽培管理措施。设施蔬菜栽培管理措施主要包括灌溉、施肥、植株调整、病虫防治、授粉、收获等。管理专家下达各项指令，由操作人员查看。种植管理页面见图6。

2.4.5 农事管理

该模块一般由操作人员完成。待种植专家在“种植管理”系统中下达指令，操作人员在此系统中进行查看，并按指令完成作业，如在蔬菜生长的各阶段完成灌溉、施肥、植株调整、病虫防治、授粉、收获等。完成后主机自动记录（图7）。

图5 病虫害预警

图6 种植管理

2.4.6 种植作业

在前述的“农事管理”中，操作人员完成指令后并录入，系统就显示已完成的作业内容，可供管理者进行查看。该系统可进一步进行拓展，与后续开发的溯源系统[9]联网使用（图8）。

图7 农事管理

图8 种植作业

2.4.7 系统设置

此模块为种植基地的日常管理，由Web服务器显示相关页面，然后由用户输入Web服务器和中间部件的IP和端口即可，虽然此模块在实现上比较简单，但IP地址正确的设置才能使整个系统正常工作（图9）。

2.5 应用效果

该平台在山西沁州绿农业科技有限公司和山西省农业科学院东阳基地进行示范，平台运行3年，效果比较令人满意，已经在山西省进行示范推广[11]。目前在山西沁州绿农业科技有限公司的蔬菜生产园区生产的产品，消费者都可以通过手机、电脑、PAD等设备扫描二维码，查看有关蔬菜生产整个过程的全部信息，尤其是有关在蔬菜发生病虫害后使用的农药种类、数量等信息。据统计，该平台在沁州绿公司蔬菜生产基地、东阳基地应用以来，取得了良好的成效，可减少用工30%，节约生产成本15%，减少5%的贮运过程中的损失，提高销售收入30%。沁州绿公司的蔬菜产品已通过国家有机食品认证，20 hm2（300亩）示范园区增加收入300万元，并辐射带动周边133.3 hm2（2 000亩）设施蔬菜生产，增加经济效益2 000万元。该系统得到用户的一致好评，应用的前景十分广阔。

图9 系统设置

3 展望

3.1 蔬菜生产数据库的建立需要长期积累

该项技术属于交叉科学，虽然物联网技术已经广泛应用于设施蔬菜生产，但是实用的模块内容缺乏，即蔬菜生产管理数据库远远不够，这就需要农业科研人员长期的努力，结合当地实际情况建立标准化技术，才能真正推广应用；另外，软件后台的开发还需要计算机科研人员与农业科研人员进一步合作。

3.2 公益性科研成果需要政府可持续性财政支持

该技术可用于政府对设施蔬菜质量安全监管；帮助生产者进行设施蔬菜标准化生产，促进产业升级；有利于消费者对蔬菜进行安全追溯；有利于促进科研人员由学术化向实用化转型。该项技术属于公益性科研成果，其应用前景广阔，经济社会意义明显。考虑到目前在蔬菜生产基地建立溯源管理系统的投资较大，而农户又限于自身文化水平，缺乏长远的目光，为此在现阶段建立溯源系统仍然需要政府的投入，由政府购买相应的服务。作为政府应加大这方面的投入，确保人们吃到放心菜[12]。

必须坚持“市场+政府+技术”的方式，以“互联网+”为抓手，联合农业龙头企业、农民合作社、农户，建立综合的物联网管理体系、精准化农业生产体系、平台化农产品流通体系，推进农业物联网的市场化发展，保障农产品质量安全[13]。