基于物联网的藜麦生长周期管理系统的设计与实现

胡雅婷，任旭阳，陈一水，赵佳乐，李 健

（吉林农业大学 信息技术学院，吉林 长春 130118）

0 引 言

藜麦原产于南美洲安第斯山区，距今已有7 000多年的种植历史。藜麦中富含人体可吸收的蛋白质、不饱和脂肪酸等营养成分，且含人体必需的氨基酸成分。作为单一物种的藜麦，它可以满足人体所需的基本营养成分，故有“超级谷物”等美誉，已受到联合国粮农组织等国际组织的高度关注。同时，藜麦的生长适应性很强，可在干旱、严寒、多盐等恶劣环境种植。藜麦在我国的种植历史较短，上世纪80年代末由西藏自治区引入低海拔地区小范围试种；经过三十年的发展，目前已在山西、青海、甘肃、吉林等地区种植，藜麦及其深加工和衍生产品具有巨大的发展前景和市场开发潜力。为保障藜麦生产的质量安全，实现种植过程的全程可控，应用物联网技术构建藜麦生长周期管理系统是必要的，对藜麦种植、加工产业的发展具有重要意义。

我国食品溯源起始于20世纪90年代末，基于物联网技术及信息管理系统，通过记录农产品的种植和加工运输信息，再到仓储销售过程中节点信息的存储，实现从种植田到餐桌前的食品安全可追溯，供用户查询售后食品安全问题。种植环节产生的溯源信息不易采集而且信息量大、信息源繁杂，是食品溯源过程中需要重点解决的问题。物联网技术是种植环节信息采集的关键技术，主要利用具体的设备和设施终端，包括具有“半智能”的数字控制系统、数字移动终端设备、微型传感器、视频监控系统等以及外部赋予智能，例如“智能物品和动植物”或“智能粉尘”等贴有物联网标签的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等。通过各种无线或有线的长距离或短距离通信网络实现互联（M2M）、应用集成以及基于云计算的操作模式。在内部网、专网或互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全、可控、个性化的实时在线监控、位置溯源、调度指挥、计划管理、远程控制、决策支持和领导桌面等管理和服务功能，实现对“物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

1 系统总体设计

1.1 整体思路

基于物联网技术，采集藜麦农事管理信息、生长环境参数及收割信息，应用WebService的数据智能交互技术，构建形成基准数据库和系统框架，同时实现生长环境数据的自动采集、上传，在数据库的基础上构建藜麦生长周期精准管理系统；基于防伪QR码的追溯编码与产品标识技术，在防伪认证的同时实现生长过程信息的精准识别；采用移动互联的溯源查询技术，通过终端设备的“二维码扫描”功能及时浏览种植生长过程的完整信息；在藜麦生长精准管理系统的基础上，进行数据服务并提供生长环境追溯服务接口，研发藜麦生长过程质量安全平台并示范应用。系统总体流程如图1所示。

图1 总体流程示意图

1.2 系统架构

本文搭建的基于计算机网络的基本体系结构，其系统架构分为应用层、服务层、网络层、数据层和物理层五层网络结构。

应用层为藜麦追溯系统的其他应用程序提供接入端口，促进藜麦追溯系统的完善。服务层直接与用户进行人机交互，管理各个环节收集的数据并在手机端和电脑端提供查询等服务，是用户使用的主体部分。网络层作为信息收集、信息传递的主要途径，包括在底层采集农事管理数据的传感器网络、连接单片机和云服务平台的无线传感网络。数据层是整个系统架构中的核心部分，主要收集藜麦关键种植过程中的数据，实现供用户查询的最终目的。物理层是整个生长周期系统的底层硬件支撑，担任采集处理数据的重任，包括监测现场环境的传感器和摄像头、数据传输和处理的单片机、短距离无线通信模块、路由器网关和服务器以及与二维码标签相关的打印机、扫码枪等设备。系统体系架构如图2所示。

图2 系统体系架构

2 生长信息数据模型设计

2.1 生长数据电子目录

藜麦的生长周期涉及种植、生长管理和收割干燥三个环节。根据藜麦的实际种植流程，系统的数据模型设计从种植环节开始。

单片机上传种植数据的同时系统在后台生成带有生产批次号的虚拟标签，标签包括藜麦种子信息和种植棚室信息。在作物的生长管理环节，布置在种植棚室的传感网络实时采集棚室内的环境信息，将初始数据汇总至单片机后进行处理，并通过无线通信模块上传，后台管理系统将这一阶段的数据进行备份，生成生长批次号，并与生产批次号互相绑定。视频监控模块作为辅助模块监控田间的农事管理操作。在传感器和单片机等硬件设施工作时，生产管理员登录藜麦生长周期管理系统并将多种农事操作同步上传。在藜麦收割干燥环节，生产管理员登录系统将收割干燥的数据进行上传，系统接收数据生成管理批次号，与生长批次号互相绑定。各个环节产生的批次号将整个生长周期信息串联起来，不断补充虚拟标签的内容。管理系统将收集到的数据进行整合并在藜麦入库时打印电子标签。

2.2 生长过程数据模型

藜麦生长周期管理系统利用传感网实时采集作物生长环境信息，包括二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度、土壤温湿度、土壤有机质含量等信息，汇总并传输至单片机，经过单片机处理后统一通过无线传感网络上传至云端并保存至数据库。应用物联网设备实时监测种植棚室的农事管理信息包括施肥施药信息（种类、数量、方式、时间、人员）、棚室信息、定植日期、浇水时间和次数、长势信息。与此同时，生产管理人员定时录入灌溉日期和次数、定植日期、长势信息、施肥施药信息（种类、数量、方式、时间、人员）等，并记录藜麦的收割信息，包括收割日期、收割棚室和收割数量。通过数据库将全过程收集到的信息整合生成唯一的QR码，同时在手机端可快速查看生长过程的详细信息。藜麦生长周期管理系统收集的详细信息如图3所示。

图3 藜麦生长周期管理系统信息收集过程

3 系统实现

3.1 硬件设计

3.1.1 传感器

藜麦种植过程使用的传感器有二氧化碳传感器、空气温湿度传感器和土壤温湿度传感器。空气温湿度传感器放置在离地表一定高度测量空气温湿度，土壤温湿度传感器放置于土壤中检测土壤的温湿度。二氧化碳传感器与空气温湿度传感器安装在同一位置测量空气中二氧化碳浓度。光照强度传感器安装在与藜麦同一高度的位置上，测量藜麦生长环境的光照强度值。根据以上监测的数值及时调整作物生长环境参数，保证农作物的健康生长。

3.1.2 单片机和打印机

综合对比多种类型单片机，根据复杂的农田环境系统选用STM32系列单片机作为硬件核心。STM32系列单片机具有低成本、高性能、低功耗、可裁剪等优点，集成的嵌入式闪存使其工作效率大幅提高。

本次设计使用STM32单片机作为信息接收以及中转的工具。传感器网络采集到的数据首先传输到STM32单片机，数据经过芯片处理后通过无线通信模块上传保存到数据库。视频监控模块作为扩展的辅助功能对生长过程进行全程监控。在作物收割干燥后，打印机连接藜麦生长周期管理平台，根据数据库的信息生成并打印本批次藜麦的生产二维码。

3.2 软件设计

3.2.1 界面设计

用户在登录界面注册、登录并进入系统主页。系统主页由五个子页面构成，分别为二维码查询页面、棚室环境信息页面、藜麦常见病虫害页面、安全知识页面以及农事管理信息页面。其中，棚室环境信息页面包含视频监控子页面；农事管理信息页面扩展出农业气象和周年防治子页面。主界面如图4所示。

图4 系统主界面

点击二维码查询进入查询窗口并在搜索框输入产品编码单击“查询”可查看与其相对应的二维码以及相关记录；进入环境信息界面修改和查看环境信息，同时也可通过手机和电脑掌握藜麦生长的状态；藜麦常见病虫害页面为用户扩展病虫害常见知识；安全知识页面为用户提供与藜麦相关的食品安全问题，同时也向用户展示藜麦安全的储存方法以及常见做法；农事管理界面针对农事管理详细信息进行修改和查看，点击“农业气象”按钮进入显示气象信息的农业气象页面，用户点击“周年防治历”按钮可以浏览当前年份当前季节容易发生的病害虫害，提醒用户及早做好预防工作。

3.2.2 系统功能模块

结合改进Niblack算法，QR二维码具有较高的鲁棒性，可应用在复杂溯源环境中的QR码识别。因此系统采用物联网技术中QR码作为信息载体，实现对藜麦生长全生命周期的监控。

整个系统包括藜麦种植管理和用户操作管理两个核心模块。藜麦种植管理实现藜麦种植过程信息的录入、管理以及生成。用户操作管理模块管理平台用户信息。使用MySQL数据库作为系统的数据存储平台。

在核心功能模块的基础上，为了实现系统快速开发以及方便后期维护，将藜麦种植管理模块拆分成二维码管理、藜麦信息管理和生长环境管理子模块。用户操作管理分为用户信息管理和运营信息管理子模块。二维码管理模块对不同收获批次生成的QR二维码进行编辑、导出、打印和删除；藜麦信息管理模块管理植株的生长状态、收获和干燥记录以及种子来源和品质等信息；生长环境模块管理作物生长环境、病虫害侵袭和气象条件等信息；用户管理模块管理注册用户的使用权限；运营管理模块管理农事运营信息和用户使用日志。

3.2.3 系统后台设计

本设计使用J2EE框架搭建藜麦生长周期管理系统。采用B/S结构进行前台页面开发，此设计中包含了Node.js、MongoDB、Express、AngularJS和 Nodejs-to-AngularJS套件。其中，利用基础开发平台Node.js编写后端服务和服务器脚本；网站的数据通过MongoDB进行存储和访问；Express是Node.js的一个模块，主要用于定义Web服务器；AngularJS是一种MVC架构，用于定义和控制浏览器中的视图。AngularJS中的模型对象由JSON或Express对象组成，视图为HTML/CSS，控制器为AngularJS的Express代码。

在整个系统中，数据管理使用MySQL数据库。藜麦生长周期系统的数据库部分采用SQLServer2008开发，数据库表的建立是数据模块实现的基础。系统将各个部分的数据库表的内容都备份在“总数据库”。实时监控系统采用短距离无线通信技术将单片机采集到的数据传输给管理终端，最终将采集到的数据录入数据库进行保存。这种设计方式使得在数据传输时，各个系统之间可以互不影响，保证数据的传输速度不会降低。同时，远程的访问可以不必逐层向下，而是直接访问“总数据库”即可。“总数据库”中数据表见表1所列。

表1 数据库中的数据表

在建立数据库的过程中，除了对各个模块的数据库进行开发外，还对应着各个模块分别建立了同步表，存储在“总数据库”内。

4 结 语

藜麦生长周期管理系统以藜麦的生长过程为研究目标，本系统基于物联网技术以及Web技术设计实现的基于QR码的藜麦生产溯源系统实现了藜麦生产信息的录入、管理以及查询，方便种植户管理整个藜麦种植过程，在保证了产品质量的同时提升单位产量。利用准确完备的藜麦生长周期的全程数据，提高藜麦的生长管理效率，同时为保证藜麦的食品安全提供数据支撑。