物联网技术在烟草农业、工业产业链的应用研究

杨宏 韩世豪

中国电子技术标准化研究院 北京 100007

1 物联网概述

物联网技术就是指物件与物件之间实现网络沟通其不同于人与人在互联网上的沟通它可以让使用者通过互联网获悉物件的使用情况[1]。主要解决物与人、物与物、人与人之间互联互通问题，其专业定义为：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，利用产品电子代码(EPC)把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，物以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其层次结构分为三层，自下而上依次是感知层、网络层和应用层。物联网主要需要的多种关键技术如传感器技术、射频识别技术、二维码技术、通信技术、云计算技术等贯穿并覆盖了这三层架构。

1.1 感知层

感知层是信息采集的关键层级，用于识别物体及采集数据，包括下面两个部分：感应器件和感应器组成的网络（如传感网络、RFID网络）。感应器件是RFID标签和读写器/各类传感器/摄像头/GPS/二维码标签或传感器器件。

1.2 网络层

网络层用于完成信息传递和处理，网络层包括下面两部分。接入单元:接入单元是连接感知层的网关设备，它汇聚从感知层获得的数据，并将数据发送到接入网络；接入网络：包括5G4G3G网络、宽带网等，通过接入网络，能将数据最终传入互联网。

1.3 应用层

应用层位于物联网三层结构中的最上层，其结合云计算及人工智能技术，在云平台上对对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对不同设备的实时控制、科学管理和精准决策。应用层主包括下面三部分：物联网中间件、物联网应用。

2 传统产业链问题分析

2.1 传统烟草农业

传统烟草农业生产技术手段落后，主要是依靠人力、各种手工工具进行生产和简单管理。主要存在的问题如下：

（1）采用粗放型种植模式种植烟叶，农业科技含量、装备水平相对滞后，导致烟叶生产效率低下。

（2）主要依赖人工控制烟叶种植过程，难以对过程进行监督和控制，导致生产出来的烟叶的总量和品质很难得到保证。

（3）传统的烟叶灌溉方式不利于及时、定量、有效地满足烟叶生长发育对水分的需求，容易造成土壤理化性状的破坏、水资源利用率低且浪费严重等问题。

（4）依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技术维持着简单再生产，导致烟草农业生产率低下，烟叶产量增长缓慢，烟叶品质得不到保证，整个烟草农业的大环境得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了烟草农业技术的进步以及生产工具的创新。

（5）传统人工操作的烟叶烘烤模式，需要依靠烘烤师的经验，而且不能保证烟草质量。

2.2 传统烟草工业

由于以上四点原因，传统烟草农业的自身发展陷入恶性循环之中。同时我国的烟草工业生产、加工环节中还存在一些问题，如烟叶收购、加工、仓储、运输等环节都存在很多不足，主要存在问题如下：

在卷烟生产过程中传统的生产方式，会出现产品质量不达标、产品分级困难和生产效率低等诸多问题；这些问题都将对烟草工业的健康发展产生极大影响。

传统的烟叶仓储管理缺乏先进科学的仓储管理，由于缺乏科学监控存环境温湿度技术手段和烟叶养护技术导致烟叶库耗偏高，仓库分区分类管理落实不到位。

（4）在运输环节不进行全程跟踪和监控，在产品的分拣和包装环节烦琐和容易出现错误。

3 烟草物联网概述

物联网技术在烟草农业和工业上推广应用形成了烟草物联网，并给出了上述问题的解决思路以及方案。烟草物联网的定义是：借助射频识别(RFID)、传感技术、全球卫星定位系统(RFID)、地理信息系统(GIS)、遥感技术（RS）等物联网技术采集获取烟草产业链上的相关数据信息，通过低功耗广域网、互联网、无线网等网络资源进行信息传输与交互，运用云计算及人工智能等技术对各类数据信息进行分析处理，从而实现智能化决策和控制的一种网络体系，包含了以种植、加工、采购、生产、销售、配送、营销、服务、管理为业务主体的烟草产业链的各个环节[2]。

4 典型应用研究

烟草行业正式提到“物联网”是在2010年。国家烟草专卖局在全行业局长经理座谈会上，明确提出了建设烟草行业物联网的目标和“全面覆盖、全面感知、全程控制、全面提升”的总体要求。最初物联网技术在烟草行业主要应用在烟草产品的商流环节，实现烟草制品的产品追溯及物流调控。而对于烟草的工业和农业并没有较为广泛的应用。

随着智能制造、智慧农业的发展趋势，国家颁布多项政策推动新一代信息技术与先进制造技术、种植技术融合。打造具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。加速烟草工业及农业数字化转型升级。物联网技术开始逐步赋能烟草行业产业链各环节，对烟草农业环节提升烟叶种植效率、质量，降低成本、劳动力消耗，和烟草工业环节提质增效，降低工厂运营成本起到了很好的作用[3-5]。接下来我将分别举例介绍物联网在烟草农业环节和烟草工业环节的典型应用案例。

4.1 烟草农业物联网应用

物联网在农业方面主要应用在科学育苗、种植环境全要素精准采集、精准灌溉、精准施肥、农情监测、智能烘烤等方面，下面我将展开讨论研究。

（1）科学育苗。育苗期间的施肥、喷洒农药、蓄水、剪叶等措施需要大量、频繁的人工参与，开放的环境和人为活动是苗床病毒侵染和传播的主要因素，尽可能减少人为参与是降低烟苗发病率的关键途径。利用各种传感器和无线网络等对大棚环境参数进行智能化监控同时对大棚环境参数采用自动化调控技术。该技术适于基础条件较好的设施大棚，例如玻璃温室、连栋温室等。即利用自动化设施进行环境控制、实施智能化实时监控、确定动态调控决策方案，通过对采取数据的统计分析，合理及时地调控育苗大棚内部光照强度、空气湿度、温度、CO2浓度、通风状况、营养液供给等各种环境参数，并对施肥和灌溉实现动态决策与调控、及时处理数据信息和应对紧急状态等。

（2）种植环境全要素精准采集。物联网在烟草种植规划上的应用主要体现在，通过遍布于田间的大量的传感器节点，将种植环境有关数据（如土壤养分、水分、空气湿度、湿度、CO2浓度等）信息反馈回数据中也，与GIS（农业地理信息系统）、ES（农业专家系统）、GPS系统建立的地理空间数据相连接，进而建成了更加完善、具体和详细的烟草生产环境数据、土壤数据种植面积和轮作情况等数据库。根据建立的数据库内部烟草大面积生产环境参数、种植面积、土壤数据、轮作情况等数据，针对不同地区和土壤类型，以及用户的种植面积，因地因时制宜的提供烟草种植规划和大面积生产技术指导，对于建立以烟草为主要农作物的耕作模式和优化不同作物布局，最大限度地提高土地利用率和土地生产。

（3）精准灌溉。我国烟草种植区域中丘陵山地较多，地势上的差异增大了灌溉难度，在大水漫灌下高地势的养分和土壤随水流失，造成高地势地薄脱肥，低地势贪青晚熟的恶性循环，物联网技术和滴灌设备相结合是一种节水、高效的灌溉方式，适宜于各种地势。根据烟草不同生长时期的根系深度，在田间不同空间位置、不同土壤深度埋置温湿度传感器，实时监测烟田土壤墒情信息，利用遥感技术，监测烟株含水量，安装田间小气象站预测降雨量，根据烟株大田需水模型，在控制系统分时期、分耕层设置阈值，结合传感器的实测信息进行智能判断与决策，通过滴灌管主管和支管上安装的压力计、流量计和控制阀进行自动灌溉，同时，根据传感器的定位信息对烟田进行管理分区，实现精准、适时、适量、合理灌溉；也可与水肥一体化设备结合，从而实现因时、因地、因品种用水用肥的自动控制，提高水肥利用效率。

（4）精准施肥。在田间安装农情测报系统，融合土壤养分传感器，实时、动态、准确、连续的监测烟田生态环境信息和土壤养分信息，利用遥感技术（RS） 获取烟株生理生态信息，并通过 GPS 获取传感器定位信息，构建大田网关节点，集成无线传感网络，将信息远程、快速、无损地传输至服务器终端，对海量数据进行融合、处理，根据烟草生长模型进行云计算，结合专家决策系统进行决策，利用GIS平台生成决策处方图，由服务器将决策信息发送至智能控制终端，实现烟草机械的智能调度，根据决策处方图进行变量施肥，减少肥料浪费，降低农业面源污染。该系统要求烟草器械本身也是一个智能控制体系，包括与大田一致的定位系统，兼容的信号传输系统，肥料施用量自动控制系统。

（5）农情监测。气候、病虫害严重威胁着我国烟草生产，是制约烟叶产量和经济价值的重要因子[6]，气候及烟草病虫害的早期预报在烟叶种植过程中显得至关重要，部署气象、墒情、虫情监测站，利用传感器及物联网技术，及时掌握生产环境信息和病虫害发生情况，为生产决策提供量化依据。并通过无线通信方式部署虚拟现实系统，可以随时识别病虫害相关信息。

（6）智能烘烤。智能烤房群可以让烘烤师实时监测多个烤房的情况，目前我国烘烤房已经从传统燃煤烤房向新能源烤房过渡，新能源烤房更方便人为精准控制，也更利于物联网技术的应用。同时烤房群均配备基于通信网络的烘烤智能监测设备，对烘烤温度，烟叶温湿度等要素进行准确监控，为科学烘烤提供量化依据，在专家知识库的基础上构建智能烘烤模型及烟草烘烤曲线，为烟叶烘烤师提供辅助性决策。将多个烤房群数据进行互联，统一采集，在云平台上可以实现同时监测和控制。

4.2 烟草工业物联网应用

物联网在工业方面主要应用卷接工艺、产品包装、仓储管理等方面，下面我将展开讨论研究。

（1） 卷接工艺。卷接机组是卷烟工业企业用于生产过滤嘴卷烟的专用设备，卷烟机、滤嘴接装机以及烟支装盘机联合组成卷接机。我国目前已自主推出各种型号的高速、高质、高效卷接机并融入了如变频调速、光电检测、质量控制、积木化结构设计、视频显示等先进技术应用，发展迅速、水平先进。现代卷接机不但在设计和原理上进行了重大改进，而且通过运用物联网技术，配备了完整的烟支重量、烟支漏气、烟支空头等检测系统，甚至还配备了光学在线烟支检查系统，可检测并剔除有污垢、油渍和孔洞的烟支。同时卷接机采用了微机监控与操作系统，可方便地进行人机对话，具有故障显示、采集和累计生产数据等功能。与过去的烟草设备相比，高技术含量设备确保烟草商品质量，降低了烟支卷制过程中原料成本，大幅度提离了烟支卷制生产效率。

（2）产品包装。产品包装是卷烟生产过程中的重要一环，随着物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术深入应用。目前国内自主研发的包装机运用物联网技术，不仅将实现了运行全数据远程采集和分析等功能，开发了生产过程实时检测，机器故障远程诊断等系统。极大地推动了包装机高速度、高质量、高可靠性、高灵活性、智能化发展，生产产品各项指标优于国外同类产品，经济指标也达到了国际先进水平。

（3）仓储管理。在仓储管理中应用物联网技术可有效解决卷烟出库、入库、存放、盘点过程中的识别问题，将卷烟和托盘上的RFID电子标签进行关联，同时叉车上的RFID读取机，对整盘卷烟的识别，提高物流作业效率，也减少因搬运而导致的损坏。此外，通过与仓储管理系统的结合，可实现托盘货位管理和卷烟的批次管理，当卷烟入库时，系统自动记录其入库时间、存放货位等信息，当卷烟出库时，系统会自动按照进货时间实现卷烟的先进先出库存管理，从而实现对卷烟从入库开始的自动识别、定位、输送、存储、出库等全部作业过程的可视化管理，提升烟草仓库的自动化管理水平。对存库的烟草成品运用温湿度传感器、RFID和GIS等可实时监控烟草成品动态，防止储存过程中出现霉变等质量问题。其中智能仓储管理系统能同时提供强大的上架、补货、拣选、波次和盘点策略，最大限度地保障储存物品的准确无误；当仓库接到作业指令后，系统将自动生成执行方案；系统在满足不同客户收发货要求的基础上，对仓库作业动线进行优化，减少叉车和作业人员工作量，解决作业过程中遇到的难题，优化库存货物布局，最大限度地发挥仓库的储存能力，同时又能保证各项作业井然有序地进行；应用库存日志，完整记录每一个系统动作、作业环节和库存动态变化情况，在仓储管理过程中出现问题是能够找出原因，从而有利于整个仓储系统的建设和完善。

5 结束语

目前，在烟草行业领域已经形成了从建设烟叶种植基地单元，规模化烟叶生产到烟叶收购、打叶复烤、辅料生产、设备制造、卷烟生产、市场营销、物流配送等系列完整成熟的烟草纵向产业链，实现了利用纵向产业链控制卷烟产品的原料种植—加工—包装—销售等环节，保证了烟草制品的产品质量安全，通过品牌建设和完善的营销推广体系提供多元化卷烟消费服务，极大地提升了产品价值，有效满足了消费者不同程度的卷烟消费需求。

通过对物联网在烟草农业以及工业的研究发现，目前更应该站在全产业链的角度将烟草各个行业协同发展，这也符合物联网的发展需求。在整个烟草物联网体系架构中做到标准化、规范化。同时，有针对性地对烟草行业的生产模式和运营管理进行物联网技术的应用，将技术的研发和运用放置于真实的生产场景之中，以此实现烟草农业和烟草工业全产业链的数字化建设。最后为使物联网技术在农业和工业得到更好的应用和发展，本文提出了以下三点发展建议。

第一，要借助烟草物联网提升数据资源管理能力，数据采集管理是烟草数据资源管理的基础，借助物联网构建行业统一的数据采集平台，研制行业统一的数据采集标准，提高采集软件的复用率，规范统一源数据标识，形成清洁有效的数据池，是做好数据采集管理的有效途径。

第二，要加速实现烟草全产业链数据的互联互通，通过建立烟草行业工业互联网标识解析体系，提供统一的编码标识服务、标识解析服务和标识数据共享服务，为烟草产业链各企业、各环节的数据互联互通提供基础支撑。

第三，要加速推进物联网与大数据、云计算、人工智能等新兴技术的融合，针对烟草行业各环节的实际痛点和需求，从实际的应用场景出发，整合分散资源，搭建统一的工业物联网，农业物联网云平台。开发各类智能化应用。推动行业整体高质量、数字化、智能化发展。