基于LoRa技术的物联网茶叶溯源系统

潘 坛，蔡绍博（通信作者），温新宇，张 军

（1中南民族大学计算机学院 湖北 武汉 430074）

（2长江大学园艺园林学院 湖北 荆州 434025）

（3武汉市春晓曲农业科技有限公司 湖北 武汉 430211）

（4上海株山农业科技有限公司 上海 201699）

（5武汉菜佰仟数字农业科技有限公司 湖北 武汉 430074）

0 引言

中国是世界茶叶最大的原产地，种植面积及产量位列世界第一，也是全球著名茶叶加工生产第一大国。但是近年来，由于中国茶叶种植区域的扩展导致加工场所分散，且种植区域多位于丘陵山脉，其交通不便导致流通环节复杂，诸多限制茶叶种植加工产业发展的客观因素下，再加上对茶叶种植、采摘、加工、包装等茶园生产环境和茶叶加工过程环节控制不严，造成了茶叶农药残留超标、重金属污染等影响茶叶质量和茶企品牌声誉的严重问题。而运用相关物联网技术，建立茶叶溯源系统可以有效帮助消费者监控茶叶的生产和流通过程，并有利于降低茶叶中的农药、重金属和其他污染物的残留，保证茶叶质量上可实现源头可查。因此，有必要在茶业行业应用质量溯源系统，本文基于农业部关于农产品质量溯源体系要求，计划引入LoRa技术、RFID技术、传感器、二维码、无线传感网络等技术，开发基于物联网的茶叶质量溯源系统。

在总体框架，该系统设计了用户信息、茶园生产与信息采集等功能，开放微信公众号、网站、APP等多个终端，便于产业链上的诸多用户，如茶农、茶厂验青员、茶叶经销商等，通过适合的、便利的终端来査询到产品的溯源信息，并且依据用户的不同类别设定不同的操作权限，使得其通过不同的终端，在不同的界面进行不同层面的数据操作。同时为了提高溯源的商业性用途，本系统按照茶园生产、茶叶加工、茶叶销售等全产业链条进行了全面的功能模块设计。

1 茶叶溯源系统的概念及关键技术

1.1 溯源系统的概念及发展简史

通过国际标准ISO8402、欧盟EC178/2002、国际食品法典委员会（CAC）均对可追溯性的定义进行整合分析，可判定溯源系统(Traceability System)，一般是指产品从生产到销售的整个供应链过程中建立的一种信息系统，能够对产品全环节进行信息采集和存储，并快速、有效地进行信息查询[1]。该系统运用在对产品质量要求较高、能够全程追踪监控产品的流通过程的行业，比如食品行业，可以有效提高企业管理一体化[2]。其实从多个国际标准对可追溯性的定义来看追溯性在食品行业的意义，它主要包括“跟踪”与“追溯”两个方面的内涵：一方面是通过这种流通流向性从食品供应链向下进行查询，便于确定下个环节的接触者和受益者；一方面是接照食品供应链向上进行查询，确定上一个环节的经手者和初始来源。因此建立起追溯系统的意义，它不仅仅便于消费者在销售点通过食品追溯标识回溯到产品运输、销售等全过程，还在于当发生食品质量安全问题时，相关部门可根据食品的供应链进行向上或向下的查询，及时找到发生问题的原因进行追责。

溯源系统最早的市场化应用是欧盟采用了该系统在农产品中追踪源头、确保食品安全。早在2000年1月，饱受1997年疯牛病折磨的欧盟在《食品安全白皮书》中就阐释了溯源系统的应用目的是控制“从农田到餐桌”全过程，并在2002年建立了“欧盟食品安全管理局”，出台了第178/2002号法令，强制要求对欧盟国家范围内销售的所有食品进行跟踪与追溯，此后世界各国，如美国（2003年的《美国2002农场安全和农业投资条例》）、日本（2003年的《牛只个体识别情报管理特别措施法》）、加拿大（2002年的《食品追潮数据标准第一版》与《食品追溯良好规范》）、澳大利亚（2007年的《国家牲畜标识计划NLIS》）纷纷建立了相关的食品行业溯源系统。2007年，中国也正式以条码技术的形式实施溯源系统，并且中国物品编码中心在上海、武汉等多个城市试点了该技术。2008年，试点获得成功后就开始全面推行农产品溯源系统来保证农产品的安全性，2009年国家农业部出台并制订了行业标准《农产品质量安全追溯操作规程茶叶》，有效地规范了茶叶行业质量安全溯源。随着无线射频识别技术、近红外光谱、指纹分析技术、铅同位素指纹溯源技术、热分析技术、X射线巧光技术等行业质量安全溯源技术在世界范围内广泛被运用，截止到2021年，世界上许多国家和地区都已经形成了相对规范的健康食品质量跟踪管理体系[3]。而常用的茶叶质量安全溯源技术包括：光谱指纹分析技术、铅同位素指纹溯源技术、热分析技术、X射线巧光技术。

虽然我国开展农产品质量溯源的研究已经十余年，在肉制品领域的应用更是较为成熟。但是对于食品行业的茶叶追溯来说，我国缺乏规模化茶企的模范应用，在茶叶生产非常分散的客观因素限制下，茶叶质量溯源技术发展缓慢，仍停留在条形码技术层面，即使是2008年农业部在全国启动茶叶质量溯源项目以来，行业内广泛充分地实现通过茶叶制品的追溯标识能够查询到茶叶运输、包装、仓储、加工、种植等全流程的信息。因此需要促进这种技术运用，就需要使用RFID、二维码等物联网新技术，解决消费者使用条形码查询很不方便的难题以及传统技术应用成本过高的问题，提高茶叶质量溯源系统的智能化程度。

1.2 物联网关键技术——LoRa技术

传统的2G、3G互联网网络以及蓝牙、ZigBee等连接方式无法满足物联网与5G时代对于远距离、低功耗电源连接器的应用要求，而低功耗、高成本的收发器和较大覆盖范围特性的低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)就能够满足。基于扩频技术的低功耗长距离无线通信的LoRa(Long Range Radio)技术是LPWAN中发展相对成熟、发展较快的技术。它采用扩频技术，所以它所支持的信号的抗多径、抗衰落能力较强。而且也因为LoRa技术对发射功率的要求不高，所以终端节点在通信工程中的电流较小，极大地降低了终端节点的能耗水准，从而提高了机器设备的工作寿命。

1.3 溯源系统关键技术——RFID技术

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别技术，是一种无线自动识别信号技术，通过无线电或射频的识别方式与特定目标之间可以进行非接触性的双向信息数据之间的直接通信，同时能够直接自动识别一个目标特定对象并从其中直接获取与自动识别对象相关的信息数据。RFID电子系统主要由各种数字耦合电子元件及其集成芯片等主要零部件共同组成，每个数字标签都是吸附在一定的形状物体上或是用来直接标识一个目标标签对象（具有唯一性的电子标签编码)、阅读器（一种用于可以直接在线读取数字标签相关信息的阅读装置，是用于RFID电子系统的标签信息资源管理控制与数据处理系统中心）和通信天线（一种用于在数字标签和电子阅读器之间的天线连接上同时传递各种射频通信信号）3个大部分共同组成。RFID技术依靠电磁波，无需使用双方的任何物理连接，RFID系统的书写速度极快，标签结构简单并且也是唯一的，此特性运用在溯源系统中可使物体具有防伪的特点[4]。

2 茶叶溯源系统的整体设计

2.1 溯源系统的物联网基本构架

基于物联网的茶叶溯源系统总体构架可分为3个层次：感知层、信息层和应用层。感知层应用各种传感器、摄像头等设备将茶叶从种植基地开始对其生长环境及条件进行数据测量采集（例如温度、湿度、土壤酸碱度等），一直到整个流通过程结束的传感器数据、加工数据、物流信息等数据采集；利用RFID将传感器采集的数据进行记录[5]。

信息层建立在现有的通信网络和互联网基础上，是将感知层的茶叶相关数据，通过有线或无线的方式进行数据记录、整理和分类，并将数据传输到相关数据库，此时可以对录入的数据进行增、删、查、改的所有操作。而传感器网络则是采用LoRa无线数据的采集网络，相比于目前ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等传统网络连接方式，较少面对信息被泄露、数据被篡改等多种弊端，因此溯源系统使用LoRa技术在成本、效率和网络安全方面优势更明显。

应用层将信息层的数据进行分析和处理，利用各种终端对茶叶的信息进行浏览和追踪，通过互联网和移动通信网络，对茶叶各个节点的信息进行溯源查询，了解相关信息，提高产品生产的透明度，使消费者对茶叶的安全性有一定的可信度，见图1。

2.2 LoRa与RFID技术在物联网茶叶溯源系统中的应用

要真正实现对茶叶从生产到销售的整个流通过程的追溯，依靠物联网传感器等装置的信息采集数据是可以追溯的重要资料。尤其是在茶叶种植环境和产地追踪信息的垂直运用中，由于茶园的种植区域广泛，LoRa技术输距离远、低功耗、组网灵活等诸多优势特性都与能够与大规模茶园在低成本、大连接的数据采集需求上不谋而合。尤其是在茶园生长与加工的环境监测中，比如生产环节的温度杀青温度节点、种植气候的湿度节点、加工厂环境烟雾节点的数据检测，都能通过LoRa技术获取对应的茶叶种植与加工环境条件数据,例如茶叶加工的温度节点就能够获取实时的温度数据，随后这些数据会被网关读取，并通过网关发送到服务器当中，再通过RFID技术植入到追溯系统中，那么在种植阶段、采集和加工阶段、存货管理阶段、物流管理阶段、销售管理这5个茶叶完整流通过程中，各环节参与者可以随时对这些数据进行查看。因此，应用LoRa与RFID技术的溯源系统可以对茶叶从生产到销售整个过程进行精细化管理，尤其是减少加工环节的能耗，提高机器设备的工作寿命，从而促进茶叶生产的高效、优质、生态、安全和可靠。

2.2.1 茶叶质量溯源的过程

茶叶的质量从源头开始，利用传感器、摄像头等在种植基地对茶叶的养护及生长环境进行数据测量，包括光照、土壤重金属含量、空气污染程度等的测量数据收集。在之后的采集加工过程中，技术人员利用手机、RFID阅读器等工具对产品分类包装的信息进行录入，实现产品标识。利用GPS（全球定位系统）对产品的运输过程进行实时追踪记录，对入库储存的茶叶由工作人员做好数据记录，做到茶叶流通全过程精准监控，保障茶叶的质量安全和产品识别。

2.2.2 建立茶叶溯源信息网络

茶叶种植基地一般位于面积较广的茶山上，需要部署大量测量温度、CO2、盐碱度的传感器。茶叶溯源系统借助多种无线通信技术组成的局域网或广域网进行数据传输，利用LoRa技术抗干扰性强和长距离传输能力、覆盖面积广、提升工作寿命和降低运营成本方面的优势，建立相关的局域网。因此，选择LoRa作为物联网组网技术，再利用互联网进行数据传输。

2.2.3 建立茶叶溯源信息电子档案

依照相关规定，对茶业相关企业或机构的有关生产的设施及加工环境场所等各种信息按照国家信息分类编码标准进行编码管理，形成相关信息数据库。将追溯的信息数据及时采集管理，形成相关企业的电子化信息档案，为茶叶溯源提供相关信息，同时还要注意相关信息的真实性，从源头上保证数据的真实性。

2.2.4 建立茶叶溯源终端查询软件

基于LoRa的物联网茶叶溯源系统，建立企业的相关溯源软件，通过手机移动端或编码信息进入软件，随时查询相关茶叶的溯源信息。企业的管理人员、种植基地人员、监督部门人员以及消费者都可以进入软件查询相关信息，以此建立企业、消费者、产品之间的联系，见图2。

3 结语

随着消费者对茶叶质量安全的重视，以及无线传感器网络技术和移动互联网的普及和飞速发展，物联网信息技术的应用领域也越来越广泛，围绕茶叶生产、加工等全流程开展有效的质量安全监控，建立以物联网技术为基础的高效茶叶质量溯源系统势在必行。本系统的建立不仅可提高茶叶产品质量，采用低功耗和较大覆盖面积特性的低功耗广域网络（LPWAN）不仅能备受茶企的欢迎，也可提升茶叶的品牌影响力和出口竞争力。LoRa技术作为LPWAN的一个重要代表，相信它会在未来物联网行业中占据一席之地。而借助移动互联网技术来建立的溯源系统不仅可以鉴别茶叶的原产地和经过的多渠道环节，提高消费者对茶叶的信任度，节省食品监管部门的管理成本，也可以融合企业内部管理功能促进企业一体化管理。