基于传感器网络技术在农产品质量安全追溯中应用的研究

周 鹏

航天信息江苏有限公司 (南京 210000)

传统的农业生产模式存在土地资源浪费、生态环境恶化、农耕文化流失等问题。我国农业正处于传统农业向现代农业的转型时期，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。发展智慧农业是提高农业资源利用效率、改善农村环境、传承农耕文化的重要举措。要建设智慧农业，就要依托物联网等先进的科学技术，大力推进农业科技创新，研究多功能、智慧化、能推动农业生产力发展的农业科技成果，并及时地将科技成果转化为农业生产所需的技术产品，应用于农业生产的整个过程。同时，发挥“互联网+”的优势，以物联 O2O 的产业运营模式，构建智慧农业管控服务交易平台，实现互联网线上线下多向互动的生产、经营、管理和服务，实现一二三产业深度融合，大幅度提高农业及其相关产业的综合效益，创造出巨大的经济效益。传感器网络技术是目前物联网发展的重要应用，结合传感器网络技术我们对农产品质量安全追溯中相关应用进行研究。

1 系统原理

基于传感器网络技术的农产品质量安全追溯由物联网型主机、无线采集器、无线控制器(或无线采集控制器、网关、无线中继器)、链接管道及其配套设施(如电磁阀、水泵等)、系统基站、本地监控终端(或智能基站终端一体机)、固定端远程监控终端、移动端远程监控终端、WSN网络传感节点嵌入式软件、WSN网络控制节点嵌入式软件、WSN网络自组重构嵌入式软件、固定端监控数据管理软件和移动端监控数据管理软件等组成。

系统工作原理为：监控区域各采集器、控制主机等WSN节点及其它采用有线和无线通信方式的采集器，采集环境中pH值和EC值、土壤基质温度、土壤基质水分、土壤基质EC值、土壤基质盐分和土壤基质肥力等参数，与WSN控制器、WSN网关、WSN系统基站等，采用433 MHz频段多跳路由无线自组网技术等有线和无线通信方式，将各参数数据路由传输到系统基站和本地监控终端(或智能基站终端一体机)。系统基站和本地监控终端(或智能基站终端一体机)通过对所采集上传的参数数据进行分析、计算和存储等处理，并与本地及远程固定及移动监控终端进行上行通信交互，同时根据控制要求下行指令控制主机的控制单元、水泵、电磁阀等执行设备协调工作。本地及远程固定及移动监控终端又可通过数据和指令监控作物的生长，达到精准高效及实时方便监控的目标要求。

上述系统采用的无线传感器网络较传统的有线和无线信号传输相比，具有分布性强、组网能力强、可扩展性强、鲁棒性强、施工维修方便、运营维护成本低廉、系统升级简单、性价比高等优点，并且信号传输的可靠性和稳定性完全能够满足用户的实际使用要求。同时，在系统中使用的无线传感器网络的无线通信频段为 433 MHz 通信频段，而不采用 2.4 GHz 通信频段。

目前，国内外大部分作物现场环境实时在线/离线标量信息采集在采用无线通信的情况下，诸多采用 2G/3G/4G 等的公网无线通信或 2.4GHz 通信频段的 ZIGBEE 协议方案。2G/3G/4G 等的公网无线通信由于存在运行成本高以及野外工作封装要求高，并由于公网运行干扰影响大等不利因素，在除特殊场合不使用该通信方案。2.4GHz 通信频段的 ZIGBEE 协议方案与 433 MHz 通信频段的无线传感器网络方案相比，存在如无线信号绕射性差、动态可重构性弱、系统鲁棒性差、组网能力差、性价比低级成本高等诸多的缺陷，因此在许多应用场合，包括作物栽培场合，2.4GHz 通信频段的 ZIGBEE 协议方案不是一个最佳的解决方案。

2 系统概述

将融合非实时性与实时性、静态与动态、视频与标量、专家性与普通性、技术性与商业性的多数据模态运行模式，通过传感器网络技术有效解决在传统农业物联网系统中获取信息在实时性、动态性、透明性、客观性、全面性、方便性以及快速性和精准性等方面存在的诸多的问题。农产品质量安全追溯离不开物联网系统底层传感器网络感知所具有的溯源信息的高度实时性、动态性、透明性、客观性、全面性、方便性以及快速性和精准性的数据优势，离不开多模态数据融合的优势。实际上基于传感器网络技术的农产品质量安全追溯不仅仅是可以为农产品质量安全溯源服务，更为重要的是它在有效解决我们提出的颠覆传统的农产品质量安全溯源的同时，也建立了高效安全的作物栽培及畜禽养殖的生产性系统，以及建立了具有颠覆传统的商业服务和盈利价值的商业模式的无公害、绿色和有机作物栽培及畜禽养殖物联网系统。

传感器网络技术将农产品质量安全溯源体系、高效安全的作物栽培及畜禽养殖物联网生产体系、具有商业服务和盈利价值的商业模式的无公害、绿色和有机作物栽培及畜禽养殖物联网体系三者融为一体，相辅相成，而其中最重要的技术权重点应该是基于O2O模式的最重要的特点应该是广大消费者最为关注的货真价实的健康、安全的无公害、绿色和有机农产品。而就目前国内、省内现状而言，只是采用传统的离线的、非实时数据等的传统的农产品质量安全溯源、认证体系来提高广大消费者对农产品的健康性、安全性的可信度几乎是不可能的。实际上，上述具有颠覆传统的三者融为一体的基于物联O2O模式的无公害、绿色和有机作物栽培及畜禽养殖物联网系统，就其中我们在本方案中要解决的农产品质量安全溯源体系而言，其成本就显得不高了，特别是如果我们将消费者定位在中高端群体，其市场的接受度就更高了。

传感器网络技术可用于建立新型的基于O2O模式的无公害、绿色和有机农产品物联网系统运营的商业模式，可以使得物联网设备制造和系统集成商、物联网系统运行商、科研院所专家、无公害和绿色及有机作物栽培及畜禽养殖生产及服务基地、政府管理部门、消费者都运营于作物栽培及畜禽养殖生产、服务交易、休闲观光、健康养生、监督管理、科普展示、咨询消费和盈利共赢的体系中，并瞄准无公害和绿色及有机农产品的中高端消费群体，构建作物栽培及畜禽养殖企业、农民和政府仅承受少量的或成本价的买单费，而主要的买单者通过中高端酒店、大型超市、度假村、休闲中心、中高端别墅区等转移到广大消费群体中。同时，由于具有生产基地物理世界的互联网(包括移动互联)再现、互联网(包括移动互联)电子商务，以及农产品质量溯源的安全、健康、养生、方便、快捷、品高、廉惠的新型的消费和生活服务的物联网体系，使得无公害和绿色及有机农产品生产及服务基地的无公害和绿色及有机农产品售价不降反升，而广大消费群体买到的无公害和绿色及有机农产品售价不升反降，其重要的原因一是因为通过互联网(包括移动互联)电子商务完全或几乎完全取消了中间的经销商环节而成为O2O的互联网(包括移动互联)直销，并通过生产基地物理世界的互联网(包括移动互联)再现以及农产品质量安全溯源，使得广大消费群体能真真正正体会并享受到无公害和绿色及有机农产品安全、健康的实惠和保障。

3 系统展望

在本文探讨的应用中，无公害和绿色及有机农产品生产及服务基地可以通过农产品、服务交易、休闲观光、健康养生等途径收益；物联网设备制造和系统集成商、物联网系统运营商可以通过设备供应和系统集成等，特别是服务等途径收益；科研院所专家、农产品电子商务运营商、农产品物流配送商主要是通过服务收益；广大消费者通过买到比传统商业模式(这里主要是销售模式)更廉价更可靠(货真价实)的无公害和绿色及有机农产品、享受安全健康的实惠和保障收益；政府管理部门通过税收受益。这样做，涉及这个运行体系的各方面都有足够的积极性来保证和带动系统的持续运营。由此可见，基于传感器网络技术可颠覆传统的基于物联O2O模式的无公害、绿色和有机作物栽培及畜禽养殖物联网的农产品质量安全溯源是最为重要、最为关键的技术权重点和商业卖点。这件事情做好了，广大消费者对真正货真价实的农产品的健康性、安全性的可信度就会大为提高，其物联网体系中涉及到的运营各方才会产生实实在在的收益，并带动系统的持续运营。