基于物联网的农业生产基地现场管理与质量追溯系统.docx

1基于物联网的农业生产基地现场管理与质量追溯系统孙奕敏王玙璠艾浩军中国人民武装警察部队山东总队训练基地山东济南武汉大学计算机学院湖北武汉摘要研究物联网技术在农业生产有机蔬菜生产与供应链质量安全管控中的应用以传感网视频分析标签技术为基础开发生产过程日志与档案系统供应链质量安全追踪溯源系统和信息发布系统在有机蔬菜基地布置无线传感网和监控网利用组合条码和二维码实现有机蔬菜溯源提供多样化的信息发布方式便于消费者查询关键词农产品质量追溯物联网无线传感网视频分析基金项目本文部分得到武汉市科技局科技攻关项目湖北省科技支撑计划项目的支持作者简介孙奕敏女硕士中国人民武装警察部队山东总队训练基地讲师王玙璠女武汉大学硕士研究生艾浩军男武汉大学副教授引言我国拥有数十亿人口属于农业大国农产品历来是政府关注的重要2问题近年来农产品质量安全问题受到了前所未有的高度重视年月日中华人民共和国国务院办公厅宣布成立国务院产品质量和农产品安全领导小组各个省市配合中央政府的工作分别成立了省市产品质量和农产品安全领导小组年初上海市产品质量和农产品安全领导小组出台一系列政府监督控制政策年月该小组启动上海市产品质量和农产品安全专项整治在产品和农产品生产加工流通和消费所有节点宣传活动的内容农产品质量安全问题不仅关系到公众的身体健康而且对农业发展农民增收农业贸易和农业现代化建设具有重大影响成为新时期我国农产品生产和供给急需解决的一个重要课题要达到提高农产品优质生产和消费安全目标就要解决和实现对农产品从生产到餐桌的全程质量监控治本之策是要建立完善的农产品质量安全体系近年来农产品农药残留兽药残留和其他有毒有害物质超标造成的餐桌污染和引发的中毒事件时有发生解决餐桌污染问题除了保护农业产地环境和完善农产品市场准入外建立农产品质量安全信息系统加快农产品质量安全信息的有效传播是解决餐桌污染信息不对称问题的重要途径之一农产品质量管控的要点为确保有机农业产品满足有机农产品的标准保障食品安全必须从以下两个方面着手过程管控3为了保证食用农副产品质量安全信息平台提供消费者查询信息的可靠性对于加入平台的企业要求使用专门的生产管理系统采集农产品生产全过程数据对农产品产前的水气土等环境检测数据记录产中生产过程控制饲料肥料的使用农药兽药等的使用产后对产品的药物重金属残留等记录实现对农产品供应链的全过程监控和管理供应链溯源供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分包装来源等特征也应当能够向前追踪产品成分包装和产品的的每一项活动要设计一个具有对整个价值链可追溯性的供应链企业必须创建流程和基础架构来收集集成分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息贯穿于整个供应链的各个阶段从农场到餐桌它将企业的技术解决方案整合起来使物理供应链商品的运动轨迹和信息供应链数据的收集存储组织分析和访问控制能够相互集成有了这样的供应链可视性企业就能保护和推广品牌主动地吸引其他客户并降低安全事故的影响系统技术体系物联网的农业生产基地现场管理与质量追溯系统涉及的技术体系包括以无线传感网为基础的环境检测技术以视频内容分析为基础的视频摘要自动生成技术以二维码标签为基础的产品溯源技术基于无线传感网的环境监测技术通过无线网络利用短程通信与远程通信技术相结合采用4组网到通过传感网关接入到场区信息网将传感器采集的环境数据包括温度湿度敏感气体菊酯类农药浓度等信息收集起来形成无线传感网络实现对有机会蔬菜基地的监测有机蔬菜生产场地和加工车间的传感网如图所示视频监控日志与摘要的自动生成技术在有机蔬菜生产场地内的关键监控点部署摄像头实现虚实结合可视化操作采集视频证据数据利用视频内容分析技术分割感兴趣目标提取视频特征提取典型的视频事件通过高级语义进行表达自动生成事件的视频摘要和视频日志将人从海量的视频数据中解放出来提高视频监控的可用性提高检索效率降低存贮成本同时便于日后查找和产品溯源组合条码和二维码的产品溯源技术通过条码和二维码的组合识别码提供的信息具有容量大寿命长自动识别等特点可用于大行包装的标示用于记录生产产地生产单位生产过程农药化肥使用情况等信息如图所示而条码和二维码成本低能记录同一类商品的信息可广泛应用于单个商品的标识如图所示同时二维码可便于手机进行查询当产品发生安全性等事故时通过追溯信息系统可迅速回溯过程及查明原因所在正确而迅速地回收产品防止产品事故的再发生也可确认业者的责任从而有效促进对生产和流通过程的重视保障农产品质量安全5系统建设内容系统基本结构根据目前国内的实际情况提出建设物联网有机农业的思路系统建设内容主要包括建设基础信息网生产过程日志与档案系统有机农产品标签跟踪系统有机产品销售系统和系统管理平台智慧农业系统的结构可以采用物联网应用的一般结构如图所示建设基础信息网场区信息网场区信息网既要承载场区内的生态环境信息视频信息和一般办公用途信息同时还能接入互联网实现内网与互联网外网的互联互通这对场区的信息网建设提出了新的要求一方面办公楼要接入电信运营商宽带另一方面各基地要通过无线接入点将信息传递到办公楼实现信息互通需要考虑场区内各功能区的地理位置分布在场区内部署局域网各区之间通过网线连接形成无线局域网无线局域网采用标准标准速度达到按此方式组网的场区信息网主干道的无线网络理论速度是实际运行可以达到的速度能满足场区信息化的要求如图所示6无线传感网场区无线传感网要承载场区内的种植基地养殖基地和沼气池的生态环境信息包括温度湿度照度和敏感气体浓度等将这些信息通过无线自组网络传递到网关采用标准再由局域网传送到控制台服务器进行分析实现传感网与互联网的互联互通场区内无线网络部署方案如图所示在种植基地和养殖基地内都布置了大量传感器这些传感器采用自组织的方式形成无线传感网进行信息传递与发送最后通过一个无线传感网关搜集所有的传感节点信息再将这些信息统一发送到控制台服务器进行处理这种无中心的分布式控制网络不需要类似基站或者访问服务点这样的中心控制设备即不需要利用现有的网络基础设施同样能提供一种通信支撑环境在任何时间任何地点不需要现有的信息基础网络设施的支持快速构建起一个移动通信网络无线视频监控网视频监控的目的有两个一是对生产过程监管二是生产过程的展示为保证设备的兼容性所有摄像头均内置编码设备即采用网络摄像机并且尽量选用支持以太网供电的设备组网方式见图在场区的种植基地养殖基地和沼气池的重要监控点布置摄像设备7通过无线网络将实况录像发送至控制台服务器服务器对这些视频数据进行处理和分析后再通过光纤接入的大宽带上传至互联网提供在线展现让人们在家也能实时观看场区内的情况生产过程日志与档案系统服务器对视频数据进行的处理和分析包括对冗余信息的剔除将有用的信息保存由于场区内视频信息量非常大只靠人工处理这些信息变得不可能因此可以引进计算机视觉的技术通过有效的算法对智能处理这些视频提取出人们感兴趣的视频摘要对每天的生产情况提取视频日志这样建成的日常视频档案可以有效地对场区进行科学地管理无线传感网与无线视频监控网并不是独立的它们应当相互依存将某个监测点的生态环境信息和视频监控信息应该绑定在一起做到虚实结合当查询产区内某一点的信息时相关的环境与视频信息就都能同时显示出来使得有机农产品的生产全过程可视化将无线传感网和视频监控网采集到的信息结合统一起来构成生产过程日志与档案构建管理这些信息的系统可以作为后续质量安全管控的有力支持有机产品标签跟踪系统蔬菜供应链和大多数农产品供应链一样也包括生产加工仓储运输和销售等几个环节提交有机蔬菜供应链效率的关键也是如何协调几个环节及如何提高每个环节的效率如图所示8从蔬菜供应链整体可以看到通过使用和条码二维码的组合标签技术能够方便地把整个供应链中各个环节的信息读入公共数据库各个环节也可以便捷地增加相应环节的数据消费者和相关主管部门也可以通过通信网络和终端进行查询与追溯根据现有商业模式的使用习惯和使用成本可以整箱使用标签内部小盒装使用条码或者二维码标签上要记录的信息包括生产阶段的信息包括品号产地电话化肥明细种植时间等加工阶段的信息小盒贴上条码大盒贴上标签二维条码直接保存了产地收割时间等重要信息也能透过二维码访问中心数据库仓储阶段记录的信息包括入库时间入库区位货架货位和出库时间等运输阶段的信息标签包括上车时间途中温度状况路线信息下车时间等这些信息分别记录在条码和二维码标签上根据这三种标签各自不同的特点和功能采用不同的方式来标识包装记录了有机农产品生产过程和供应链全程的信息能够有效进行质量管理既节约了成本又能在出现问题时方便消费者追踪溯源二维条码包装过程和记录的信息如图所示9通过条码和二维码的组合识别码提供的生产产地生产单位生产过程农药化肥使用情况等信息当产品发生安全性等事故时通过有机蔬菜标签跟踪系统可迅速回溯过程及查明原因所在正确而迅速地回收产品防止产品事故的再发生也可确认相关的责任从而有效促进对生产和流通过程的重视保障农产品质量安全有机产品销售系统记录销售阶段的信息包括进入店面时间销售时间总量统计过期数量等该系统软件还需要与超市的营业网点的进销存系统对接最终消费用户可以使用自助式信息查询机查询到小包蔬菜的所有信息如图所示该系统的成功投入使用可以促进有机蔬菜的透明化跟踪提高销售量让消费者买的放心吃的安心这样物联网不仅应用在农业生产与运输也能应用于有机农产品的销售等服务当中对物联网产业链的发展也起到积极地推动作用系统管理平台可以通过局域网综合管理场区视频查询生态环境信息有机农产品跟踪信息建立互联网网站按照农产品的生产流程设计一个循环农业的体验平台在互联网上展示农产品的生产全过程为有机农业的发展提供了绝好的契机不论是生产运输还是销售全程供应链都实现可视化透明化监控有利于规范我国农产品生产和贸易行为指导农产品生产并引导消费保障农产品的有效供给和消费安全增强10我国农产品在国内外市场上的竞争力实现农业增效农民增收和农业可持续发展信息发布系统需要公开农产品生产过程信息和供应链管控信息以保证食品安全它提供多途径的便民查询如通过便民平台拨打热线电话查询手机短信查询通过手机拍摄二维码图片再上传到网上查询甚至利用卖场的直接读取设备如触摸屏等查询该农产品的生产和供应链信息对生产经营者形成有效的社会监督小结要达到提高农产品优质生产和消费安全目标就要解决和实现对农产品从田头到餐桌的全程质量监控治本之策是要建立完善的农产品质量安全体系通过信息化的手段对农产品质量安全进行数字化管理在生产过程中可通过物联网进行环境监控除可覆盖农业大棚还可在畜牧养殖水产养殖生产环境监测仓储环境监测等场景进行应用通过多种传感器实现信息的收集与传递农牧业生产各环节都可以控制并且食品可以溯源智慧农业通过过程管控和供应链溯源从而有效保证食品质量安全让人们吃的放心吃的健康吃的新鲜完成从田间迅速到餐桌的快捷过程通过物联网我们可以实现这一远景目标参考文献白红武胡肄农王立方陆昌华基于的生猪及产品物流与追溯平台构件化设计江苏农业学报侯春生夏宁技术在中国农产品质量安全溯源体系中的11应用研究中国农学通报张欣露王成吴勇乔晓军侯瑞锋王开义集成传感器电子标签在农产品溯源体系中的应用农业机械学报黄海龙蒋平安张霞武红旗李永刘洪蓬基于的农产品追溯系统的设计与开发新疆农业科学彭剑陈光仪可追溯农产品供应链系统建模研究农机化研究韩威威郑业鲁李泽黄红星农产品安全追溯信息系统设计与实现广东农业科学马勇诸叶平基于的农产品可追溯系统研究农机化研究责任编辑汤静