基于物联网技术的农产品质量安全可视化溯源系统设计

2022-02-22赵小娟

物联网技术 2022年2期

赵小娟，叶云

（广东轻工职业技术学院轻化工技术学院，广东广州 510300）

0 引言

随着社会经济的发展、人民生活水平的提高，消费者越来越关注农产品的质量安全。推行农产品标准化生产与管理，规范农产品生产档案记录，建立农产品生产全过程质量追溯制度，是提高农产品生产管理水平、控制农产品质量、保障消费安全的重要手段。目前，欧盟、美国、日本等在农产品质量安全追溯方面的制度和体系建设已趋于成熟。近年，我国也制定了各项政策措施支持、指导农产品追溯体系建设。2016年，农业部颁布《关于加快推进农产品质量安全追溯体系建设的意见》，确定了追溯体系建设的目标、指导原则、保障条件，并统一加强了对各地相关工作的指导。“十三五”规划纲要也提出，要建立全程可追溯、互联共享的农产品质量安全信息平台，健全从农田到餐桌的农产品质量安全监管体系。

现阶段，关于物联网技术应用在农产品质量安全追溯系统中的文献也比较多，如阳琼芳构建了基于物联网的茶叶质量溯源系统架构，并集成有传感器、射频识别（RFID）、二维码等物联网溯源路径；张凤英在果蔬方面进行了质量追溯系统设计并实现了从蔬菜种植到销售全过程的农产品信息追溯；陈莹基于物联网体系架构，进行了基于种子身份证的小麦溯源防伪及预警研究；鲍晓成从猪肉供应链的角度出发，利用物联网技术构建了猪肉供应链可追溯系统模型，进行了猪肉供应链的可追溯体系研究；白红武、张丽、周正贵、蒋凯亚等也基于物联网技术实现了农产品质量安全的追溯研究。

总体来看，随着农产品质量安全追溯工作的开展、推进，全国各地在农产品质量追溯体系建设中取得了很大成绩，但在实践中仍存在一些问题：农产品追溯系统的信息获取主要靠人工录入，无法实现数据自动上传；追溯信息覆盖不全面，生产、加工环节信息有缺失；产品溯源信息单一，多数以生产过程的文字图片、记录为主。

本文基于当前农产品质量安全追溯过程中存在的问题，提出基于物联网技术的农产品可视化溯源系统设计和实现思路。以期能够实现农产品质量安全溯源信息的可视化展示，有效解决农业企业生产管理和农产品追溯过程中存在的问题。

1 材料与方法

1.1 物联网技术

“物联网”于1999年被提出，是指通过传感器等设备，将物体与网络相连接，通过信息传播媒介进行信息交互和通信，实现智能化识别和管理的技术。包含如下关键技术：

（1）传感器技术是物联网应用中的关键技术，可以感知周围环境或者特殊物质，通过传感器把模拟信号转化为数字信号送至计算机处理；

（2）RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术的综合技术，在自动识别、物品物流管理方面有广阔的应用前景。

1.2 农产品物联网

为保障农产品质量安全，实现农产品生产的全过程可追溯、高效管理和追踪农产品生产全过程，结合互联网、传感器、物联网、云服务等技术，设计建设集企业信息管理、生产管理、投入品管理、环境监测等功能于一体的农产品质量安全可视化溯源系统。通过系统的建设，帮助农产品生产企业建立标准化安全生产体系，建立农产品质量安全溯源体系，实现农产品从种植到采收加工全过程的标准化、信息化管理，形成农产品“从田间到餐桌” 全过程（生产、运输、销售等环节）可追溯电子档案，通过数据的采集传输，实现物品与信息的迅速转换、处理和反馈，构成农产品物联网。帮助政府监管部门及企业在农产品安全事故发生时，及时追回问题产品，防止危害进一步扩大；消费者扫描二维码，查询农产品生产企业信息、种植加工全过程记录，实现透明消费。系统的应用能够有效提升农产品质量安全水平，提升农产品品牌形象，推进农业数字化、智能化发展。

1.3 系统总体结构设计

1.3.1 总体设计思路

利用物联网技术，通过部署的无线传感器、摄像机采集农作物生长环境参数、农事管理信息及采收信息，数据通过4G/NB-IoT/WiFi传输至云服务器，使用SQL Server 2008 R2进行数据存储。基于Web Service数据智能交互技术构建基准数据库和系统框架，以及APP/B/S（手机应用/浏览器/服务器）架构农产品质量可视化溯源系统。基于防伪二维码追溯编码与产品标识技术，实现生产、加工和流通溯源信息的精准识别；基于移动互联网溯源查询技术，通过二维码“扫一扫”，即可在手机端快速查看农产品溯源信息。

1.3.2 系统总体架构

根据农产品质量安全可视化溯源的业务需求，对系统的整体架构进行设计，总体框架分为感知层、传输层、数据层和应用层，如图1所示。

图1 农产品质量安全可视化溯源系统总体架构

（1）感知层：感知层主要包括用于获取环境监测数据、农作物生长视频图像、农作物虫害信息的传感器、摄像机等硬件设备，包括空气温湿度、光照强度、降雨量、风速、风向、CO浓度、土壤温湿度、土壤pH、土壤EC等传感器、虫情采集器及摄像机。

（2）传输层：传输层主要将硬件设备自动采集的数据及软件系统录入的信息上传至云服务器，主要包括WiFi、4G蜂窝网络、NB-IoT及有线宽带网络等形式。

（3）数据层：数据层是指系统涉及的数据按照一定分类构成的数据集，包括用于管理数据的元数据与目录库、属性数据。数据主要存储于阿里云服务器，其中视频数据存储于萤石云。

（4）应用层：应用层是农产品质量安全可视化溯源系统的Web端软件及手机APP应用程序。

2 系统的功能实现

农产品质量安全可视化溯源系统主要包含企业用户端和消费者查询端，企业端主要实现农产品生产管理、环境监测和生成溯源信息等功能，消费者端通过扫描产品二维码可以查询产品溯源信息。功能模块如图2所示。

图2 农产品质量安全可视化溯源系统功能结构

2.1 企业端

（1）企业管理

企业管理模块的主要功能是设置企业信息，登记企业负责人、联系方式、企业地址等，上传企业荣誉证书、资质文件、产地认证资料等。企业信息最终形成农产品生产主体的追溯信息。

（2）产品管理

产品管理主要对企业生产经营的农产品信息进行管理，包括编辑和查询产品名称、产品图片、生长周期及理论产量等。

（3）地块管理

地块管理模块主要针对农产品种植地块进行管理，划分企业种植基地的土地，登记地块编号、地块名称、土地特性，标记每个地块的农作物及环境监测设备、视频监控设备。

（4）投入品管理

投入品管理模块主要用于管理农产品生产过程中种子、农药、肥料等投入品，编辑和查询投入品名称、供应商、生产许可、登记证、主要成分、安全间隔期、有效期等信息，并建立农药黑名单，杜绝禁用农药的使用。

（5）库存管理

库存管理具有投入品、农机具及农产品等库存管理功能，记录种子、肥料、农药等投入品和农机具采购入库及出库使用情况，记录农产品采收入库和销售出库的数据，查询和盘点投入品、农机具及农产品库存情况。

（6）生产记录

生产记录模块主要用于记录农产品从种植开始到采收加工全过程的农事操作信息，内容包括作业事项、作业时间、投入品名称、投入品用量、作业负责人等数据。生产记录形成了农产品的生产、加工各环节的追溯信息。

（7）环境监测

通过在农产品生产环境（大田/棚舍）中安装小型气象站、土壤传感器、虫情监测传感器等物联网监测设备，实时监测农产品种植生产过程中的空气温湿度、光照强度、降雨量、风速、风向、CO浓度、土壤温湿度、土壤pH值、土壤EC值等指标。环境监测数据可在系统上实现实时查询和历史统计，一方面用于指导生产，另一方面可形成农产品生长过程中的环境数据曲线可视化追溯记录。

生产环境监测数据界面如图3所示。