一种智慧茶产业物联网平台设计与实现

谭裴，叶敏，薛伟

（中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司，合肥 230041）

1 引言

安徽省作为全国茶园主要省份之一，近年来，随着人们对茶叶需求的逐年增加，茶产业经济得到了高速发展，茶叶种植的规模也迅速扩大，茶产业已成为安徽省的支柱产业之一。

目前，茶产品企业种植加工方式落后，生产效率不高，生产与营销尚未形成联动机制。大数据[1]、云计算[2]、物联网[3]等新技术的兴起为传统的茶产业升级和发展提供了重要机遇，通过新技术建设茶产业物联网服务平台对于改造传统生产模式、带动茶产业发展、提升地方经济、促进集成商自身转型等方面都有重要的意义。

为此，本文设计并实现一种智慧茶产业物联网平台，通过引入物联网、云计算和大数据等技术，实现种植、加工、仓储、物流等贯穿茶产品全生命周期的一体化物联网解决方案，并建设基于SOA (Service-Oriented Architecture，面向服务的架构)架构的统一平台，基于云计算和大数据实现企业数据分析和挖掘，提升相关企业的生产水平和市场营销能力。

2 关键技术和方案介绍

2.1 大数据技术

大数据是指难以在短期时间内用一般数据挖掘工具和传统数据库等技术对数据内容进行采集、存储、管理和分析的数据集合。大数据特征在于数据种类繁多、数据体量巨大、价值密度低、流动速度快。大数据的相关技术中，比较具有代表性的是以MapReduce[4]和Hadoop[5]为代表的非关系数据分析技术，凭借其适用于大规模并行处理、非结构处理和简单易用等优势，在互联网搜索等大数据分析技术领域取得重大成就，成为主流技术。MapReduce框架是谷歌公司提出的用来进行并行处理和生成大数据的模型，是一种线性的、可伸缩的编程模型，对非结构化、半结构化的数据处理非常有效。而Hadoop是MapReduce的开源实现，由于其开源和易用的特性，成为大数据处理的主流技术，其核心功能是提供一个稳定的共享存储和分析系统，存储由HDFS[6](Hadoop分布式文件系统)实现，分析由MapReduce实现。大数据技术并不是一种简单的数据分析技术，而是一系列技术的集合，包括了数据挖掘、对比分析、存储等多方面的技术。

2.2 基于SOA架构的云服务技术

SOA架构是一种软件体系架构，基于SOA架构下，软件的功能被定义为一系列相互独立的服务，这些服务具有对外的输入输出接口，在业务流程确定情况下，只需要对各个独立的服务按照一定顺序进行组装调用即可形成相应的业务功能。SOA架构考虑了服务的可重用性、松耦合、规范化等特性。云计算是建立在一系列进行虚拟化并相互连接的计算机群组之上，云计算具有并行计算和分布式计算特性，通过将存储和计算资源进行虚拟化并根据事先约定的协议将资源以服务的形式提供给消费者。云计算可理解为基于SOA架构的一种扩展和深入应用，基于SOA的云计算技术架构是可以满足在Internet环境下多项功能业务的需要，通过将各个对外提供的服务进行组装，从而形成预定的功能，最终提供统一的云服务的技术架构。

2.3 物联网技术

物联网是通过传感器设备，按照事先规定相关协议，将世界上的任何物品与网络相连接并进行信息交互，从而实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。茶产业物联网平台应用的物联网技术包括传感器网络技术、二维码技术及智能终端技术等。

传感器网络[7-9]是由一定数量的传感器节点通过位置规划部署到监测地域，并利用无线或有线介质将传感器节点进行组织成网络，各个传感器节点将监测的数据利用自组织网络传输到汇聚节点，并进行数据的压缩、融合处理，利用通信网络提交给后台管理服务器。茶产业物联网平台是利用传感器网络收集茶叶的生长、加工、仓储、运输等一系列过程中的环境状况数据，及时进行监控和管理。

二维码技术是条形码技术的一种。二维码使用二维方向上分布的黑白相间的图形来记录数据信息的符号技术，二维码技术具有存储数据大，可靠性高、使用方便等技术特点，较大程度上提升了条形码技术的应用水平。利用二维码技术可以为每一件物品生成唯一标识，从而对物品进行统一管理。

智能终端设备是搭载智能操作系统的终端设备。利用智能终端设备可以方便管理者收集录入管理数据，再通过移动通信网络将数据传输给后台服务器进行管理。茶产业物联网平台利用二维码技术与智能终端技术实现了茶产品标识、茶产品数据采集以及相关数据管理等功能。

3 系统设计与实现

3.1 系统总体实现方案

本文搭建基于云计算技术的公共茶产业物联网综合服务平台，组建近端的数据采集所需传输网络，向茶产业链上的企业客户提供贯穿种植栽培、加工、仓储、物流和销售等环节一体化的解决方案。其建设方案主要包括两个部分：第一部分，茶企业基础设施建设；第二部分，云计算综合服务平台建设。

第一部分，茶企业物联网基础设施建设。通过物联网系统的部署实施，茶园的温度、湿度、视频等数据信息得到了实时采集，土壤和空气状况的变化以及茶园病虫害等情况得到有效监控，并结合远程诊断确定防治最佳时期，制定精准施药时间和方案，最终为现代农业综合信息监测、环境控制以及智能管理提供科学依据，提高劳动生产率，提升茶叶产品产量和质量。利用互联网络资源，实现茶产业基础设施建设。网络与云计算综合服务平台物联网建设内容将依据国家物联网技术标准规范建设，采用的二维码标识技术将与国家的物联网标识管理公共服务平台兼容。

第二部分：云计算综合服务平台建设。本部分又包括应用软件开发和云计算平台硬件建设。其中，应用软件开发的建设，采用SOA面向服务的平台架构，通过SOA体系架构解决服务的重用和异构环境互联，提高架构灵活性和系统响应速度，支持各功能模块定制化服务，支持茶产业物联网应用，可平滑扩展支持多种农产品物联网应用，便于茶产业和相关农产品产业企业快速无缝接入；云计算平台硬件的建设，通过租赁运营商云平台基础设施的方式，构建云计算综合服务平台。

茶产业物联网平台将以某集团基地为应用落地，从2014-2016年在某集团建设2万亩标准化生态茶叶基地，建设方案包括智慧茶园综合管理平台，智能配送平台、渠道管理平台、智能追溯平台和电子商务平台。利用物联网技术建立茶产品安全追溯系统，为茶产品增加二维码或RFID(Radio Frequency Identification， 无线射频识别)标签，建立对茶产品的种植、采摘、加工、仓储、配送和销售的全过程跟踪和监控，实现“从茶园到茶品”的全过程质量管理和追溯体系。

3.2 网络架构

设计整个茶产业物联网的传感层和网络层架构如图1所示。

图1 茶产业物联网网络架构图

在集团总部中心建设云服务中心，中心内部通过LAN互联，实现视频监控、服务器和等设备的互联，对于中心仓库处使用部署Wi-Fi热点，接入扫描终端。茶园基地通过一条100 Mbit/s专线上连至中心，其中视频监控设备通过光网络上联，环境采集设备通过GPRS无线通信信道上联。加工厂通过一条50 Mbit/s专线上联至集团中心，加工厂内的视频监控采用有线连接，环境监控装置采用无线GPRS信道上联。渠道商处通过现有的ADSL网络连接，部署视频监控和扫描终端，对其销售过程和数量进行监控。物流环节中的传感监控设备通过GPRS信道传送实施环境监控信息；消费者通过二维码扫描通过互联网连接公司平台，获取产品真伪和生产过程等信息。

3.3 平台架构设计

本平台采用感知层、网络层、数据服务层、应用层和访问层的五层架构体系。技术功能架构图如图2所示。

传感层：由传感器、控制器、采控器、视频监控、边缘网关等部分组成，数据采集、通信和协同信息处理等功能。该层作用为感知获取茶园环境中发生的物理事件和数据信息，并通过边缘网关上传，并接受应用平台指令，由汇聚点通过执行器或其他智能终端对感知结果做出反应，实现智能控制(如喷灌等)。

网络层：将来自感知互动层的各类信息通过多种网络传输到应用服务层，为感知层和应用层提供可靠的数据传输的基础。该层以无线蜂窝通信和有线传输网络为主。

数据服务层：数据层实现茶业物联网平台中基础数据、汇总数据和信息子层数据的存储和管理功能。

应用层：是将物联网技术与行业专业系统相结合，实现广泛的物物互联的应用。实现对茶业的种植、生产、加工、运输与销售的全过程跟踪和监控，实现“从茶园到茶品”的全过程质量管理体系，包括：智慧茶园综合管理平台、智能配送平台、渠道管理平台和智能溯源平台等。应用层在系统功能架构上进行了适度的解耦，提升了基础功能复用能力。

图2 技术功能架构图

访问层：访问层提供Web、手机客户端等多种展示方式。

3.4 系统平台功能

系统平台主界面如图3所示。平台主要分为基础平台、智能决策中心、生产过程管理系统、仓储管理系统、溯源平台、茶园管家系统等，各子系统具体功能描述如下。

基础平台：提供统一的用户认证、管理、平台子系统权限配置、接入企业配置等功能，主要为平台的数据配置中心。

智能决策中心：实现各子系统的协调工作，完成子系统之间数据收集、交互等工作，并根据数据进行大数据分析，产生出相关指令向各子系统进行下发操作。

生产管理系统：对茶叶生产、加工过程中的数据信息进行收集和管理，根据生产指令进行加工生产工作。

仓储管理系统：对茶叶产品进行仓储管理，包括货物的进出库管理、移库管理、仓库盘查管理等工作。

溯源平台：为消费者提供茶叶生产加工的溯源过程，同时为企业管理者进行茶叶质量的追溯功能。

茶叶管家系统：对茶园、加工厂、仓储中的传感器以及摄像设备进行统一管理，包括设备配置、数据收集、数据展示等功能。

4 系统应用效果分析

茶产业物联网平台可为茶产业企业带来了一定的经济收益。

（1）提高茶园亩产收益，实现企业增收。通过茶产业物联网进行实时采集、分析预测和科学管理等，提高农业生产的科学性、主动性，改变传统农业用大量施肥、用药提高产量的方式，消除传统农业造成的资源浪费和环境污染等不良影响，从而提高茶园亩产的经济效益。

（2）提高茶叶加工企业产品收益，促使企业做大做强。通过构建基于物联网的茶园环境远程监控系统，改变传统的信息采集模式，实现农作物生产信息的实时检测与控制，并在专家知识库辅助下，实现农业生产过程的智能化、科学化管理。完整的茶叶溯源过程展示提升了客户对茶企业的认同感，为茶产品在市场上赢得更好的声誉，从而提高产品的销量，为企业带来更多的利润。

图3 物联网平台主界面

（3）信息化、标准化的物联网管理模式不仅可以有效降低茶叶加工企业的产品质量控制成本，还可以降低管理运营及人力资源成本等，大大提升企业竞争力。

本平台在某市的茶产业企业得到实践和应用，通过云平台、大数据等新技术的应用，也带来了较大的社会效益。

（1）云平台的推广，可同时服务多家茶产品企业，促进产业信息整合与共享，推动产业发展。

（2）改变了茶产业传统生产模式，提升了企业生产效率和企业形象。

（3）促进了集成商自身由传统的系统集成商向物联网服务商进行转型，为以系统集成商为主导的商业模式提供实践经验。

（4）茶业物联网平台的推广和应用，可为智慧农业在茶产业的实践应用提供探索。

5 结束语

综上，本文在传统茶产业中引入物联网、大数据和云计算等新技术，建设贯穿茶产品全生命周期的综合管理平台，可以有效改进原有产业生产模式和运作模式，提高生产的标准化、信息化水平，起到良好的效果，具有较高的应用价值。

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