面向农业生产智能管理与追溯的物联网应用研究

牛冲丽++王涛

摘 要：研究利用物联网技术，构建面向农业生产全生命周期管理与追溯的物联网系统，通过对农业生产从绿色化种植、加工、存储、物流、营销到消费者的全生命周期繁杂信息的实时动态远程采集与分析，实现农产品从田头到餐桌的全过程、全方位可溯源的数字化、网络化、可视化管理，提高农产品流通效率与安全管理水平。同时，分析该系统涉及的低功耗多功能融合传感器、大规模传感网路由与定位、远程环境感知与控制等物联网关键技术。

关键词：物联网；农业生产；管理与追溯；多功能融合传感器

中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

随着物联网[1，2]技术的快速发展，物联网技术正在广泛用于社会的各个领域。我国农业正处于传统农业向现代农业的转型时期，全面实践这一新技术体系的转变，网络信息化技术将发挥独特而重要的作用，也为现代农业发展提供了前所未有的机遇。充分利用智能化信息管理技术发展现代化农业[3-5]，同样成为当今各个发达国家农业发展的热点之一。

目前我国对于农产品监管水平落后[6]，农产品生产、加工、流通和消费等环节的全过程监管体系尚未形成，对农产品质量安全构成了较大隐患。利用物联网应用技术，可以实现农产品信息“从农场到餐桌”的全程透明化，不仅有助于提高消费者对农产品安全消费的信心，同时并将带动物联网应用在农业应用的潜在市场。

本文研究利用物联网感知技术，对农业生产从绿色化种植、加工、存储、物流、营销到消费者的全生命周期繁杂信息的实时动态远程采集，构建面向农业生产全生命周期管理与追溯的物联网系统，实现农产品从田头到餐桌的全过程、全方位可溯源的数字化、网络化、可视化管理，加速绿色农业发展，大幅提高农业生产与农产品流通效率，提高农业生产管理和经营决策水平，建立健全农产品良好生产规范、质量安全监督管理体系及产品可追溯制度。

1 系统体系架构

构建农业生产全生命周期智能管理与追溯物联网系统，利用物联网技术，对农业生产各环节信息进行采集、传输、交换、汇总，实现农业生产全生命周期的跟踪追溯、实时监控、风险预警、有效监管、查询服务。

利用物联网技术，对农业生产全生命周期进行全程监测、信息采集与智能管理，并对消费者提供农产品安全信息追溯服务，各阶段信息采集内容为：

农作物种植过程：通过在农田中构建传感器网络，实时监控农作物生长环境与过程，包括土壤、空气、灌溉水、光照等环境因素，农田虫害、肥分、农作物成熟度等信息，以及农作物种植、施肥、用药、采摘等过程，进一步，基于农作物种植管理专家支撑系统实现其精细化管理。

农作物加工过程：主要是利用多功能融合传感器以及RFID技术，对来自各个种植基地的农作物进行加工处理，来源信息与加工后包装信息进行关联，并完成配送到下游的信息记录，为农产品日后进行安全溯源提供依据。

农作物仓储过程：在仓储环境通过RFID实现农作物快速入仓、出仓、盘点、查货等操作，提高企业物流与配送效率，同时，实现农作物仓储环境的实时监测与控制，保证产品存储质量。

物流运输过程：在物流环境通过RFID标签以及物联网感知技术控制产品质量及物流跟踪。其中，RFID与传感器需适应高温、低温、潮湿等环境，能在快速移动条件下批量读取等特种要求，并与周转箱有机结合成一整体，能在生产、加工、贮运和批转等各环节中稳定、循环、高效使用。

零售过程：在终端销售商环节，将根据该食品的加工工艺、建议食用期以及其在流通过程中所记录的环境参数和对应时间为销售商提供供货顺序的咨询建议，为生产商提供销路分析报告。在终端销售通过信息服务平台提供农作物全程信息为消费者提供食品质量安全报告。

本系统体系结构见图1，共包括四个部分。

全生命周期感知节点覆盖：底层感知网络是农业生产全生命周期智能管理与追溯物联网的前提基础和重要保障。针对农作物的全生命周期，利用多功能融合传感器与RFID技术，实现感知节点的全面覆盖与优化配置，感知的信息包括：种植生产过程中土壤、空气、灌溉水、肥分、光照、虫害、成熟度等信息，加工环境与工艺指标信息、仓储信息、物流信息等，并利用RFID对每一批农作物全生命周期的生产信息进行标识。

对象感知：负责传感器信息注册与异构传感器群管理，包括新RFID与传感器节点的加入、节点损坏与退出等管理。同时，提供传感器数据获取功能封装服务与数据获取服务调用，以及异构数据之间的交换标准。

海量数据处理：通过多源数据关系定义、复杂事件检测与处理、建立信息整合规则、数据挖掘与分析、数据信息增值处理实现多源感知数据在农业生产环境中增值，最终整合并转换为可直接为农业生产优化服务的标准信息。

智能管理与信息服务：利用农业生产全生命周期的多源信息，通过提供农作物种植过程精细化与可视化管理、农产品加工过程监控与管理、供应链物流信息化与可视化管理、销售信息管理、安全追溯信息服务、以及与其他系统集成服务等实现农业生产全生命周期信息透明、过程实时感知和动态优化控制与管理。

农业生产全生命周期智能管理与追溯系统网络架构如图2所示。

系统采用B/S 结构进行设计，用户通过浏览器访问农业生产全生命周期智能管理与追溯系统，访问必须通过合法用户进行登录，对于不同权限的用户访问的权限不同。数据中心、应用系统服务器、备份服务器、门户系统均设置在公司中心机房，用户通过局域网或因特网访问农业生产全生命周期智能管理与追溯系统应用服务器。

2 系统模块分析

2.1 基于物联网技术的农作物种植过程数字化化与可视化管理

影响农作物种植的几个关键因素主要包括：土壤环境、水环境、空气环境、肥分、光照、虫害等，利用物联网感知技术，使用多功能融合传感器精确监测这些因素，以各种终端作为载体实时查看监测数据，通过先进的技术将农业专家知识与计算机结合，并通过信息化调节来进行干预和调控，引导农作物高效成长，提高生产质量。基于物联网技术的农作物种植过程数字化与可视化管理系统网络结构如图3所示。

该系统在农作物种植区中部署无线传感器网络，利用视频设备以及多功能融合传感器对农作物生长环境与生长过程进行实时监测，利用无线控制节点实现农作物生长环境与生长过程的远程干预与控制。另外，整个传感器网络由汇聚节点和感知/控制节点组成，在传感器网络组网与数据传输方面，路由选择模块位于各个节点上，主要任务是通过一定的路由选择算法进行路由选择，从而为消息传递提供一个稳定的线路，所有感知数据经由多跳链路传输到监控中心。监控中心负责对采集的数据进行智能分析，实现监控区域的全景显示，对局部区域的信息进行查看和管理，并根据田间环境情况下达反馈控制指令。该监控中心还可以提供异步的消息通知功能，即在异常情况（比如局部火灾、区域性缺水等）发生后，以铃声报警或电话报警的形式及时通知管理人员。

2.2 基于物联网技术的农产品仓储物流信息化与可视化管理

农产品仓储物流过程包括水稻入库、存储、出库、运输、销售等过程，各个环节的信息采集借助物联网RFID与传感器技术完成，采集的信息经由互联网传输到物联网综合信息平台。

图3 农作物种植过程数字化与可视化管理系统网络结构

2.2.1 基于物联网技术的农产品仓储信息化管理

针对农产品仓储管理，从货物卸货入库开始到仓库内的货物盘点以及到货物的出库等都需利用RFID技术。一旦货物卸货，只要进入到仓库，在信息中心马上就会知道入库的货物信息；而叉车在移动货物以及货物上架的时候，可以通过地面上的标签和货架上的标签得知货物放置的位置是否正确；而一旦货物出库，通过门口的阅读器可以知道货物出库的时间，什么货物等信息。同时货物在仓库内盘点也只要拿手持的阅读器就可以在很短的时间内完成。

2.2.2 基于物联网技术的农产品物流运输信息化与可视化管理

考虑到农产品在运输过程中对温度、湿度也有一定的要求，需要在运输环节对车箱环境进行监测。结合冷藏车运输过程的以上特点，设计出一个基于物联网技术的货车远程智能监控系统，系统实行模块化设计，由多点温湿度采集模块、门开关监控装置、RFID模块、车内监控模块、GPRS/GPS模块、无线通信网络、远程监控中心组成，系统组成框图如图4所示。

系统结合现有的传感器技术和无线通信技术，达到实时准确的监控目的。通过高性能的温湿度传感器构成温湿度采集模块用于实时读取车箱内的温度、湿度数据。为测得箱内分布温湿度数据，可以根据实际需要在箱内不同地方放置多个温湿度采集模块。门开关监控装置用于监控箱门开关状态，避免运输过程中的货物流失。温湿度数据、门开关状态和RFID信息都通过RS 485总线发送到驾驶舱内监控模块显示屏上，供驾驶舱内随车人员查看和管理，货车位置由GPS或预先在沿途安装的RFID数据采集点进行跟踪，将返回的定位信息同温湿度数据、门开关状态及货物信息通过GPRS网络和互联网传到远程监控中心，在远程监控中心终端上利用智能分析软件实时显示货车箱内温湿度数据、门开关状态和货物信息，整个系统构成一个实时、智能的物联网。

图4 物流运输过程信息化与可视化管理系统结构图

2.3 基于物联网技术的农产品安全追溯信息服务

农产品的跟踪追溯是建立在水稻生产全生命周期信息采集系统的基础之上的，消费者可以根据产品包装上贴装的标签，借助电话、手机、自助查询终端，了解农产品的生产日期、产地信息，以及其存储、加工、物流记录等信息。进一步，消费者可以查询相应批次的绿色水稻种植、加工、存储过程的视频信息，一旦发现问题，还可以通过公共服务平台进行投诉。

3 关键技术分析

3.1 多功能融合的新型传感器技术

农作物种植过程监测参数多种多样，开发相应的多功能融合传感器，来同时测量多种土壤参数、多种空气参数及其他。可将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片、芯片或开发板中，构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。

3.2 传感器低功耗技术

节点携带的能量十分有限，而更换电池的方式来补充能源也是不现实的，因此，节点的低功耗设计是系统成败的关键因素。可从硬件和软件两个角度对节点进行低功耗设计。硬件方面：使用低功耗处理器或soc 芯片；设计低功耗的接口电路；选用发射功率可控和灵敏度高的低功耗收发器，根据节点部署位置、功能及传输距离，选用或设计高增益天线（如定向天线或阵列天线）。软件方面：针对硬件资源有限、能量有限的特点，选择合适的嵌入式操作系统来满足低功耗的要求，可选择加州大学Berkeley分校和Intel实验室联合设计的TinyOS操作系统。

3.3 大规模传感器网络关键技术

农作物种植过程监测无线传感器网络具有较大规模，需解决以下关键技术：

（1）路由协议。在基于分簇的层次型结构上，利用无线传感器网络传输数据携带的检测对象名称、地理位置等有用信息作为启发式信息，在簇头之间快速生成传输路径。

（2）网络定位。为了对网络节点进行管理和满足其他如定位的需求，可对所有节点进行全局的编号。利用全局编号可以在监控终端上查询出指定区域的相关信息，同时在事件发生时给出事件的地理位置，在灾情或异常发生时给出当前区域的范围和扩展情况。

（3）时间同步。采用层次结构实现整个网络节点的时间同步，所有节点按层次结构进行逻辑分级，表示节点到根结点的距离，通过发送者-接收者方式，每个节点与上一级节点同步，从而达到所有节点与根结点时间同步。

3.4 远程环境感知、检测与控制技术

在农业园区安装无线传感器与控制器，可对整个园区的生态环境进行检测与控制，从而及时掌握影响园区环境的一些参数，并根据参数变化适时调控如灌溉系统、保湿系统等，确保农作物有最好的生长环境，以提高产量保证质量。首先，部署节点：在农业园区部署各类型传感器，这些节点无线自组织地形成一个层次型网络结构。其次，开发监控终端软件，采用监控主机主动查询、传感器节点事件触发响应相结合的数据传输方式，采用分层的网络结构，提高数据传输的质量。最后，基于这个监控终端向控制节点发出任务更改指令或对各个参数设定安全阈值，各个控制器节点接收到这个消息后，根据指令做出相应的动作或修改相应的参数。

4 结 语

本文研究并提出基于物联网技术的农业生产全生命周期智能管理与追溯系统架构，该系统涵盖农业生产从种植、加工、储藏、物流运输、到销售的全过程。通过对农业生产各环节信息进行采集、传输、交换、汇总，实现农业生产全生命周期的跟踪追溯、实时监控、风险预警、有效监管和查询服务。

参考文献

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[2]沈苏彬，范曲立，宗平， 等. 物联网的体系结构与相关技术研究[J]. 南京邮电大学学报： 自然科学版， 2009， 29（6）：1-11.

[3] IBM商业价值研究院. 智慧地球赢在中国[EB/OL]. [2012-10-28]. http：//www.ibm.com/cn/services/bcs.iibv.

[4]孙忠富， 杜克明， 尹首一. 物联网发展趋势与农业应用展望[J].农业网络信息， 2010（5）：5-8.

[5]徐刚， 陈立平， 张瑞瑞， 等. 基于精准灌溉的农业物联网应用研究[J]. 计算机研究与发展， 2010， 47（Sl）：333-337.

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