基于可追溯的商品有机肥生产信息链的构建

丁晓东，吴 奕

（辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口 115009）

改革开放以来，我国畜禽养殖业得到了蓬勃发展，畜禽粪污的产生量也在逐年上升。我国畜禽养殖场分布不均衡且规模不一，畜禽粪便量大且难以集中、对环境污染的影响显著[1]。畜禽粪便含有丰富的氮磷钾元素，是优质的有机肥生产原材料。但未经处理直接还田会使农作物产量减少，质量下降[2]。因此需要一套科学有效的方法收集并生产高效的商品有机肥。

受信息资源所限，大多数种植户对商品有机肥了解甚少。而多数养殖户又需要与周边种植户、粪污经销商或商品有机肥生产企业合作处理畜禽粪污。受到劳动力缺乏、化肥替代性强、运输距离远等因素制约，这种合作并不稳定[3]。且目前市场上流通的商品有机肥质量参差不齐，种植户使用商品有机肥的积极性不高。

为了让种植户了解商品有机肥的制作流程，让养殖户参与商品有机肥的生产活动，本文将大数据运用于信息链的组织与管理，构建有机肥生产可追溯体系。通过连接畜禽粪污收集、运输、加工及流通等环节，使畜禽粪污得到资源化利用，让商品有机肥的加工过程可追溯化。在有效解决畜禽粪污污染的同时可以生产出更优质的农牧产品，为我国实施有机肥替代化肥行动提供一定的借鉴与参考。

1 商品有机肥生产可追溯信息链概述

畜禽粪污收集及处理、商品有机肥加工与信息传递、大数据信息处理是构成商品有机肥生产可追溯信息链的三大要素。通过物联网获取信息，并对各个部分的信息及数据进行采集及分析后，为种植户在购买有机肥的过程中提供相应的建议及信息。

1.1 畜禽粪污收集及处理部分

畜禽粪污收集及处理部分应用三分离一净化工艺[4]，通过畜禽粪污综合收集中心对粪污进行收集及处理。每个畜禽粪污综合收集中心覆盖约20到60 个畜禽养殖场，标准化管理每个养殖场，对其进行雨污分离、干湿分离、固液分离改造[5]。并根据养殖场的数量及位置建设一定数量的集粪池、相应规模的粪便堆积棚及密闭粪污管道，保证运输过程污染最小化。经过雨污分离及生态净化后的污水可用于生态净化塘或人工湿地。经过固液分离及干湿分离后的畜禽粪污可送至有机肥加工企业。

1.2 商品有机肥加工与信息传递部分

有机肥加工部分是对收集来的畜禽粪污进行加工处理，制成适用于不同作物的商品有机肥。信息传递部分是将加工后的商品有机肥贴上电子标签、录入有机肥信息资源管理数据库，方便农户查询及购买。

1.3 大数据信息处理部分

大数据信息处理部分对畜禽粪污的收集、处理、加工及销售过程起到信息获取、发布及传递的作用，是可追溯信息系统的核心。该信息系统包含畜禽粪污种类采集数据库及商品有机肥信息资源管理数据库。

畜禽粪污种类采集数据库，用来对畜禽粪污的具体信息进行采集，如重量、状态、采集类别、采集地点等。有机肥信息资源管理数据库，按全国、各省及各市县划分，商品有机肥购买者可根据地区、种植作物种类的不同选择不同类型的有机肥。

2 商品有机肥生产可追溯信息链的运行

可追溯信息系统的运行过程为：当养殖户积攒一定数量畜禽粪污后，有机肥加工企业通过畜禽粪污种类采集数据库的信息，将收集到的畜禽粪污作为有机肥加工的原材料进行处理，加工后的商品有机肥通过有机肥信息资源管理数据库将商品信息整合发布。通过数据库，整个信息系统的运行过程都能在网络中追溯到。种植户可以随时随地通过互联网查询购买适用于自己作物的有机肥产品。其具体运行过程通过以下几个子系统实现。

2.1 畜禽粪污处理系统的运行

畜禽粪污处理系统的运行依靠压力传感器及有害气体检测传感器实现。传感器[6]具有记忆、学习、思维、推理和判断等功能。压力传感器安装在收集池的底部，实时检测粪便重量并上传到畜禽粪污种类采集数据库。粪便收集人员可以根据畜禽粪污种类采集数据库提供的信息判断是否需要采集，并根据养殖户的分布制定收集计划表，实现清运计划统一调配，安排到户，及时管理。有害气体检测传感器主要用来检测畜禽粪污收集池产生的氨气及硫化氢等有害气体是否泄漏。养殖户根据报警灯做好防护措施，以防有害气体泄漏污染环境。畜禽粪污种类采集数据库中还包括废粪种类及采集地区。通过区分不同种类畜禽粪便，有机肥加工企业可以分类加工不同功效的商品有机肥。地区即粪便具体产生的地点，按行政区域划分。各地区成立粪便收集集散中心，划分收集片区。各片区确定粪污收集责任人，并根据不同地点就近安排粪污收集车辆。畜禽粪污处理流程如图1所示。

图1 畜禽粪污处理流程图

2.2 有机肥加工系统的运行

有机肥加工系统是把收集来的畜禽粪污加工成商品有机肥。经过无公害化处理后的畜禽粪污被运到有机肥加工企业，经原料预混合后根据不同的类别进入不同的发酵池。通过一次及二次好氧发酵，烘干、粉碎、配料混合造粒后，冷却筛选，对合格的产品进行包装，不合格的产品返回造粒机继续造粒[7]。合格的产品出库后，将商品有机肥信息录入有机肥信息资源管理数据库。数据库内容包括商品有机肥的名称、针对不同作物的功能、库存数、出厂日期、产地及售价。

2.3 有机肥信息管理系统的运行

有机肥信息管理系统主要包括有机肥成分一体化管理系统及有机肥信息可追溯系统两部分。

2.3.1 有机肥成分一体化管理系统 商品有机肥出库后会被统一贴上二维码标签。二维码具有信息容量大，编码范围广，保密、防伪性能好，译码可靠性高，修正错误能力强且不依赖特定的条形码设备等特点[8]。在运输、存储、管理、追溯过程中任何人都可以通过扫描二维码，了解商品有机肥的成分、产出量、适用作物、价格及生产地。该系统可以有效满足种植户的信息需求，缩短信息处理时间，保证和追踪产品质量。

2.3.2 有机肥信息可追溯系统 该部分通过有机肥信息资源管理数据库实现各类信息的获取及发布，便于用户与数据库系统之间地良好互动。数据库内容包括有机肥的信息、价格、销售、运输等动态信息，同时通过网络及时地传送信息。种植户可以通过互联网随时随地的查看到这些数据，以供市场预测和生产决策。数据库通过采集出库商品有机肥信息，来实现可追溯全国联网的信息管理系统。数据库录入的信息通过二维码的方式标注在商品有机肥外包装。任何人都可以扫码查看有机肥电子档案。除此之外，养殖户们还可以通过手机终端、电脑、定制软件客户端等信息平台及时获得掌握商品有机肥信息[9]。既方便有机肥加工企业分类管理，又方便种植户选购合适的商品有机肥。

2.4 有机肥信息查询模块的运行

有机肥信息查询通过在线商城实现，类似于一个可移动电子商务平台[10]。种植户随时随地都可以通过网络购买商品有机肥。

2.4.1 有机肥价格及数量查询 进入“商城”后种植户了解商城的基本概况、简介，各种商品有机肥信息。种植户根据不同作物、不同的使用功能进行搜索，系统会根据所在地区自动匹配最近的商品有机肥加工企业。所有商品有机肥都可以在“商城”中查询到种类、功能、数量、出厂日期及价格等具体信息。在完成登录或者首次注册后，种植户可对有关商品有机肥的详细信息进行查询，并可以将中意的商品有机肥放入网站的“购物车”。“购物车”实际是一个商品有机肥的“临时寄存处”，种植户能够随时修改“购物车”中商品有机肥的数量、种类，或直接删除当前所选的商品。

2.4.2 有机肥购买及物流查询 在种植户购买成功后，系统显示提交成功并提供订单编号等信息，本系统支持在线支付和货到付款等支付方式。支付完成后，种植户可随时查询订单进展及物流情况。种植户可选择到店购买或自取、邮寄等方式。有机肥加工企业可与各大快递公司或农村淘宝合作。

3 商品有机肥生产可追溯信息系统的设计

系统主要分为硬件及软件两个部分。硬件部分主要是用于畜禽粪便收集池中各项数据采集的物联网终端信息采集部分，其具体采集的数据包括：粪便的重量、空气的温湿度，有害气体（氨气、硫化氢等）的浓度。软件部分主要是对采集出来的数据进行分析及整个商品有机肥生产系统运行过程中的信息管理，如粪污收集管理、粪污运输管理、商品有机肥加工管理、商品有机肥查询、购买及销售管理。

3.1 硬件设计

硬件部分主要包括物联网信息采集、无线数据传输终端。硬件部分的核心模块是MSC1210 单片机、各种传感器、GPRS 无线传输模块以及各类通信接口等，硬件部分框图如图2所示。

图2 硬件部分框图

3.2 软件设计

软件主要分为两大类：一是使用MSC1210 单片机将采集到的数据进行汇总和分析，二是使用.net 开发出来的信息管理系统。整个系统分为：粪便重量管理，有害气体检测管理，粪便运输管理，有机肥生产管理，有机肥库存管理，有机肥物流管理，销售管理几个部分（如图3 所示）。软件功能主要包括以下方面：

图3 总体功能框图

3.2.1 粪便重量管理 将单片机采集到的粪便重量实时传输到信息管理系统，用来判断是否需要进行运输及生产有机肥。

3.2.2 有害气体检测与净化 将单片机采集到的空气中有害气体占比传输到信息管理系统，以判断存储粪便的装置是否发生泄漏，减小对周围环境的污染，同时对有害气体进行净化。

3.2.3 粪便运输管理 为提高可追溯能力及运输效率，当粪便重量达到运输要求时，系统会指派运输车辆进行运输，运输车上的GPS 会显示车辆的实时状态以及实时位置。

3.2.4 有机肥生产管理 将商品有机肥的生产过程细化并进行具体步骤显示，同时预计生产所需时间和完成时间，方便进行下轮生产安排。

3.2.5 有机肥库存管理 将生产出来的商品有机肥按照不同地区的需求进行入库处理，有利于突发情况的商品有机肥转运工作。

3.2.6 有机肥物流管理 当种植户进行线上购买后，工作人员通过查看信息管理系统的物流信息，调运距离最短的仓库进行配送。

3.2.7 销售管理 通过电商模式进行销售，培养专业的销售客服解答种植户的疑问，建立完善的售后服务团队。

4 关键技术

4.1 信息采集技术

本套系统采用的MSC1210 内核，不仅能耗低，且在一定程度上克服了市面上采集系统执行指令速度慢，RAM 和FLASH 容量小等缺点。核心板通过光纤接口与相应的传感器进行通信，并将采集到的信息通过GPRS传输到信息管理系统。光纤通信抗干扰能力更强，而且相对于常规通信稳定性及性价比更高。

传感器包括检测粪便重量的压力传感器WH311，空气温湿度传感器DHT11，硫化氢浓度传感器H2S-AE，二氧化碳浓度传感器CDM7160。系统通过10 min 一次的数据采集频率，来保证采集数据的准确性。如果连续5次的采集数据出现异常，信息管理系统会发出警报，以便专业人士第一时间进行现场维修，最大限度地减少环境污染的损失。

4.2 信息传输技术

在整套系统当中，采集的数据信息是通过GPRS 进行无线传输，如图4 所示。核心板准备传输数据时，首先将设备信息从RAM 内存中读取出来，通过串行接口向GPRS终端传输数据；然后经过处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站；第三步，分组数据经GSM基站的SGSN封装后，发送到GPRS 骨干网；第四步，在GPRS 网关支持节点GGSN，对SGSN 分组数据进行相应的处理后，再发送至数据管理中心；最后，数据管理中心解析数据包，确认数据的完整性。

图4 GPRS DTU流程图

4.3 数据管理中心

数据管理中心作为整套系统的重中之重，对稳定性和及时性的要求极高。通过使用液冷的方式让数据库的使用温度在可控范围之内，保证系统数据1 ms 刷新一次。同时有专业性人才每周进行系统硬件保养及软件维护。商品有机肥生产监控系统截面如图5所示，分别为系统登录界面及运行界面。

图5 登录界面

5 有机肥生产可追溯信息链的对策及建议

5.1 加强系统各个环节的资金扶持，政策保障及补贴

畜牧业本身风险较高，利润低。为节约成本，大多数的养殖户不会对畜禽粪污采取集中堆放或治污措施。在信息系统建设过程中，畜禽粪污收集池、畜禽粪污发酵池、数据库的构建及前期运营都需要大量资金投入，养殖户没有足够的资金投入该系统。政府应通过一定的补贴及奖励政策来鼓励积极响应有机肥生产可追溯信息系统的养殖户及种植户。对规模化建设及收集、处理中心及粪污资源化利用设施的养殖户给予一定的资金扶持，尤其加大规模化养殖场资金及技术扶持力度。同时对参与该系统的有机肥生产企业也给予一定政策补贴。

5.2 加强政府引导与宣传，大力推广商品有机肥的使用

部分养殖户因不了解商品有机肥的生产过程，消极对待畜禽粪污处理；而种植户由于没有亲眼目睹生产过程，对商品有机肥的接受程度也不高。政府要通过电视、报纸、网络等新媒体扩大宣传有机肥生产可追溯信息系统的理念，让养殖户意识到在发展畜牧业的同时更应注意环境的保护，让种植户充分了解有机肥替代化肥的好处，为养殖户找到畜禽废污处理的好方法，推进有机肥生产可追溯信息系统的落实。

5.3 加强技术保障与服务体系建设，建立完备的信息资源管理系统网站

养殖场内部管理粗放，处理设备及资金的投入不足，降低了粪便利用率。且部分有机肥加工企业产业化程度不高，技术保障与服务体系不完善，无法提供适用于不同作物的有机肥技术保障与服务体系。为保证商品有机肥高效可行，适用于各类农作物，方便种植户查询，需要建立更完善的有机肥信息资源管理系统网站。将收集来的畜禽粪污进行分类处理后，根据不同的作物和土壤进行诊断使用，推行配方施肥、测土施肥等新方法，推广精准施肥等新技术，将微量元素与有机肥混合使用，从而达到提高肥料利用率，减少环境污染的目的。