徐玉鹏，阎旭东，石秘秘，秦倩茹，刘效朋，白艳梅，刘青松，刘 震

（1.沧州市农林科学院，河北 沧州 061001；2.河北恒华信息技术有限公司，石家庄 050000；3.渤海新区黄骅市农业农村发展局，河北 沧州 061000）

随着数据时代的到来和中国智慧农业战略的实施，为了提升消费者的购买意愿，将信息技术与农业深度融合是未来发展的主攻方向。2021 年，国家市场监督管理总局印发《关于进一步落实食用农产品批发市场食品安全查验要求的通知》，要求建立和完善农产品物流追溯体系，实施农产品安全信息化追溯管理，实现物流供应链的信息可追溯、原因可清查、风险可管控［1，2］，从而增强消费者对于食品安全的信任［3，4］，因此，建立先进、周密的农产品溯源管理系统是重要任务。

国外在农产品溯源方面起步较早，2018 年英国投入大量资金进行溯源数据安全方向的相关研究，新加坡也利用区块链技术为国际航运提供更安全高效的服务［5］。中国针对农产品溯源的研究较多，杨萌［6］、江琳莉等［7］将区块链技术应用在富硒茶及梅州柚等农产品质量溯源方面，利用物联网+5G 网络手段解决了传统溯源系统数据传输效率低、信息准确度差的问题。张新军等［8］、张茂松等［9］也利用食品安全溯源系统对当地特色食品中的污染问题进行了研究。丁嘉懿等［10］、王亿［11］和邹春杰等［12］则从系统搭建的角度阐述了如何进行食品溯源系统的建设。国内大部分研究的方向集中在人们日常生活中可直接食用的农产品上，对于其他需要进行二次加工的饲用农产品质量溯源研究较少。随着居民对乳畜产品的需求量不断增长和中国农业结构调整的深化，饲料作为畜牧业发展的基础产业和保障，成为具发展潜力的部分。

饲草产品在生产、经营和使用等环节仍存在严重的质量安全问题。饲草产业质量安全意识缺失严重制约了饲草产业的可持续发展。首先，终端用户在收购苜蓿产品时通常进行抽样室内检测，这种方式时间较长且费用较高。其次，依靠经验抽检苜蓿产品，这种方法专业性强，过于依赖经验，准确度不高。但不论采用何种方法，在饲喂过程中出现问题后难以分辨是否由于饲料原因导致，从而产生了许多不必要的纠纷，也不利于苜蓿产业的发展。一个好的溯源管理体系对于产业带来的效益是长期且多方面的［13-15］，溯源系统通过对苜蓿生产全过程信息的管理，在消费者和生产者中建立信任，可以解决类似问题。因此，不论从农业科技需求还是现实生产的角度，发展和建立苜蓿质量安全溯源管理系统都具有重要意义。基于农业信息化技术的不断发展，针对苜蓿饲草产品质量良莠不齐、出现质量问题后无法明确问题原因的现象，构建了河北省苜蓿质量安全溯源管理系统，为推动饲草产品质量安全发展提供参考。

1 河北省苜蓿质量安全溯源管理系统的工作机制

河北省苜蓿质量安全溯源管理系统是运用互联网、移动物联网、物联网和GIS 技术等现代信息技术，对苜蓿从种植过程、生产过程到销售的全生命周期内所产生的数据进行跟踪管理。主要分为3 个部分：第一部分是布设于种植、生产和运输等环节的节点服务器，可以对不同生产环节收集的数据进行存放，当某一环节产生数据后，会自动形成备份传送至每个节点服务器单独保存；第二部分是设立于田间的生产信息采集设备，如小型自动气象站、土壤水分监测仪及地温监测仪等，根据田块大小设立不同数量的自动采集装置，将收集的数据实时传送到各数据存放节点；第三部分为手持设备，主要针对生产环节中无法进行自动收集的数据，通过录入、图片或视频的形式进行补充。当整个生产过程结束后苜蓿产品流通至用户端，用户可以利用二维码或电子标签等形式对产品整个生产过程进行查询，确保产品品质。

2 河北省苜蓿质量安全溯源管理系统设计

2.1 工作流程

苜蓿质量安全溯源管理工作主要分为5 个阶段，分别是基础信息采集、生产过程信息采集、流通环节信息采集、数据安全管理及用户端信息读取。

1）基础信息采集。利用自动数据获取装置结合人工采样的方式，收集苜蓿产地的经纬度、土壤质地、基础养分等信息。

2）生产过程信息采集。分析苜蓿种植与交易过程中所有参与方在信息交换、管理等方面的需求。建立苜蓿质量安全溯源系统的基本处理流程，对气候、品种、施肥、刈割日期和产品流通方式等信息通过人工或自动的方式进行记录，同时结合视频监控设备留存影像资料。

3）流通环节信息采集。通过对车载设备轨迹的追踪，记录苜蓿产品从产地流出的方向及实时情况。

4）数据安全管理。利用区块链技术手段，将整个系统内的数据保存在各生产环节的节点服务器中，防止单个节点对数据进行篡改。

5）用户端信息读取。通过“一物一码”或“一地一码”的形式，使消费端用户可以通过溯源系统获取整个产品生产过程中的全部信息。

2.2 系统架构

苜蓿质量安全溯源管理系统以先进的传感器、物联网、云计算、大数据以及移动互联网等信息技术为基础，系统自上而下可分为5 层，分别是用户层、应用层、数据层、网络层和感知层（图1）。

图1 苜蓿质量安全溯源管理系统架构

2.2.1 用户层 该层主要对不同身份的人员进行定义并赋予相应岗位的系统数据录入和管理权限。包含农户（合作社）、科技工作者、采购企业。

1）农户（合作社）：作为苜蓿种植过程的主要参与者，是溯源信息与质量安全的信息主要采集人。这些用户使用移动端APP 开展农事操作，并将操作过程中的各项农事信息上报至溯源系统后台。

2）科技工作者：科技工作者主要对物联网设备进行维护和数据采集，并通过数据进行汇总分析，指导和帮助农户提升苜蓿产品的质量。

3）采购企业：采购企业作为苜蓿产品销售的最后一环。受苜蓿质量安全影响较大，本系统通过“一单一码”的方式，依靠溯源码查询呈现苜蓿种植、采收、加工、运输的全流程信息，为采购企业提供安全、可靠、透明的质量安全保证。

2.2.2 应用层 应用层为平板电脑、智能手机、个人电脑提供统一的应用服务，实现物联网监测、控制和实施视频直播监控。主要由运行管理、种植分区、农事管理、应急处置、溯源管理和系统配置等组成。

1）运行管理。该模块是系统的主要组成部分，向系统用户展示遥感影像数据、物联网设备监控信息、地块分布、运行控制、农事记录等信息，实现资源数据的管理、图层控制、地图漫游、面积测量、距离测量、图斑选取、图层查询等功能。

2）种植分区。通过该模块的功能，可以实现接入物联网设备、查看实时监控数据、配置种植位置的区块信息。

3）农事管理。由系统用户对农事活动进行管理，制定农事计划、设置地块，查看农事记录，农事活动统计等。

4）应急处置。该模块包含预警信息和工单处置2 个子模块，系统用户通过预警信息版块上传报警信息，如设备故障、灾害预警、日常其他应急信息等，对预警信息生成处置工单，指定人员处理并上报处置结果。

5）溯源管理。该模块包含产品入库库存、订单管理、溯源码管理、移动端溯源码订单生成及匹配功能。

6）系统配置。该模块用于系统基础信息配置，包含用户管理、权限管理、数据字典、系统运行日志，物联网设备接口配置文件，属于系统初始化配置单元。

2.2.3 数据层 数据层基于编码规范体系，构建集气象、土壤、农情、农技、农资服务等为一体的农业资源数据库，是对系统中所有数据的逻辑抽象，包括种植的影像数据、环境数据、空间位置数据、物联网检测数据、农事活动计划、数据字典、业务数据等。

影像数据：带有经纬度信息和实时地貌的遥感卫星数据。

环境数据：该数据主要记录气象环境数据，字段包含每天的温度、光照辐射、降水量、风力、风向、湿度等。

空间位置数据：指种植作物所在的地块位置信息。

物联网检测数据：指对监控区域的土壤资源、水资源、环境气候及农情信息等进行全程精准监测；通过无线网实现传感器数据的汇聚，通过互联网转发上传到后端服务器的数据。

农事活动计划：包含种植地块、种质信息以及农业生产过程计划，如灌溉、施肥等活动。

数据字典：指与表单中枚举类型字段关联的取值元素的集合，由管理员维护。数据字典不仅提高了填报效率，还约束了数据取值范围和格式，在一定程度上提高了数据质量。

业务数据：是系统在运行过程中得到的数据，如用户信息、角色信息、日志信息等。

2.2.4 网络层 网络层通过无线网实现传感器数据的汇聚，通过互联网转发上传到后端服务器。该层集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，将汇聚的数据转发上传到后端服务器。

2.2.5 感知层 感知层中存在各类传感器和摄像头对监控区域的土壤资源、水资源、环境气候及农情信息（苗情、墒情、虫情、灾情）等进行全程精准监测。可以在农业生产现场各环境的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、农情信息等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析等。

3 河北省苜蓿质量安全溯源管理系统的构建

鉴于苜蓿质量安全溯源管理系统物联网设备接入较多、系统用户较多的特点和电脑端与移动端同时兼容的需求，本系统采用B/S 模式的基于网络的web 应用程序架构，前端采用H5 自适应布局，方便快速、便捷地实现系统的维护和升级。服务器选择稳定的Windows Server 2012 R2 作为操作系统，使用SQL Server 2019 作为后台数据库。开发环境基于Asp.NET Core 架构，开发语言为C#，系统框架采用MVC+EF+仓储模式，开发工具使用Visual Studio 2019。物联网设备采用API 接口，实现对物联网设备的自动数据采集和远程控制，以满足本系统对安全性、稳定性、扩展性、维护性等各方面的要求。

系统包含运行管理、种植分区、农事管理、应急处置、溯源管理和系统配置6 个功能模块。农业园区总览模块为系统的数据驾驶舱，其通过GIS 地图和各类图形化图表，集中展示农业园区各类运行数据，包括农事活动、气象记录、物联网监测数据等。运行管理模块依托GIS 地图实现对园区内各类生产要素的统一监控和管理。如设备运行情况、种植地块分布、农事活动进程等。农事管理则包含对园区功能分区的设置和管理，以及各类型物联网设备接口的管理、数据接口的配置，是农业园区的虚拟资源仓库。同时该管理模块包含电脑端和移动端2 个部分，电脑端主要模块包括农事互动配置和农事活动监测2 个部分，移动端则包含农事活动填报模块。系统在农事活动配置中采用动态表单设置的方式，用户可以根据自身实际情况和不同作物农事活动的差异，自定义设置农事互动中填报信息的内容要求，从而保证适应不同业务活动的需求。应急处置模块包含应急通知、工单处置2 个功能项。应急处置是分别对气象、土壤墒情、设备运行情况等建立报警阈值，通过对各型号物联网设备数据的实时采集，对超出阈值的数据项生成预警通知消息，以短信的方式通知相关人员。同时，应急处置模块可以生成工单，工单包含任务分配、任务反馈、任务评价3 个部分，为园区各部门岗位之间的工作协同提供支持。系统配置模块包含对系统基础信息、配置信息、日志、数据字典等的管理。系统通过建立用户、角色、功能项的对应关系以及数据访问权限对应关系，为各用户赋予对应的角色，实现对不同岗位、不同职级用户的权限管理，从而满足各岗位的业务要求和保证系统数据的安全。

基于以上技术选型开发了苜蓿质量安全溯源管理系统，如图2、图3、图4、图5 所示。

图2 苜蓿质量安全溯源管理系统的首页

图3 苜蓿质量安全溯源管理系统的运行界面

图4 苜蓿质量安全溯源管理系统的监控界面

图5 苜蓿质量安全溯源管理系统的农事管理界面

4 讨论

农业与信息化结合是21 世纪新农业的发展方向，如何更好地将二者的优势有机融合在一起是未来需要深入探讨的问题。本研究以农业用苜蓿饲草产品为切入点，阐述了苜蓿产品溯源系统的设计、架构及功能。同时根据其工作的逻辑层次对系统进行了介绍，展示了河北省苜蓿质量安全溯源管理系统的工作过程。该系统相较于其他溯源系统主要具有以下优势：①数据获取简便。传统的溯源系统要求在产品的生产流程中记录大量的数据，以便形成数据库，往往需要大量人力，本系统在设计之初采用了与物联网结合的方式，降低了数据获取的劳动强度。②溯源系统涵盖了整个苜蓿饲草产品生产关键节点中的全部信息，包括种植地块的气候、土壤条件以及仓储运输过程中的温湿度参数。利用ArcGIS 地理信息技术，将空间数据与业务数据相结合，使数据更完整、更易读，有利于数据的分析、统计和运用。③针对溯源系统中不同角色，引入农事活动动态表单设计功能，针对不同作物、生产阶段及种植方式等灵活设置填报内容，使系统能够满足各类农场的业务需求。

该系统已经完成设计和试验示范基地部署工作，在今后的工作中将开展全年苜蓿饲草产品溯源追踪，采集产品种植、生产及流通全过程信息，为后期优化系统操作提供实践基础。