茶叶物联网系统的设计分析与研究

2016-04-23卓先德泸州职业技术学院信息工程系四川泸州646005

福建茶叶 2016年3期

卓先德（泸州职业技术学院信息工程系，四川泸州646005）

茶叶物联网系统的设计分析与研究

卓先德
（泸州职业技术学院信息工程系，四川泸州646005）

摘要：茶叶是我国南方重要的经济作物，为了管理好茶叶质量，避免茶叶出现饮用安全问题，则不但要严格执行相应的监管体系、法律法规、技术标准，同时需要设计功能相对完善的物联网管理系统。本文分析了物联网总体架构设计形式，包括感知层设计、传输层与数据库设计、应用层设计，同时探讨了系统功能的实现过程，包括茶叶种植中物联网功能的实现，茶叶生产销售中物联网功能的实现，茶叶溯源查询中物联网功能的实现。

关键词：物联网；茶叶；设计；系统；实现

饮茶可提神解渴、清除有害自由基及抗氧化等，还能陶冶情操，因此我国的饮茶之风长盛不衰，茶叶生产也具有广阔的市场前景。茶叶中的矿物元素及有机成分由多种因素决定，包括种植、加工工艺及运输储藏条件等，为了使生产出的茶叶具有更高的品质及占领更多的市场份额，则应注重优化从种植到销售的各个环节，建立起高效产业链[1]。在建立产业链时可以将物联网作为依托，将网络与茶叶产品连接起来，提高茶叶生产与销售的自动化、现代化管理水平。本文分析了茶叶物联网的设计与实现形式，以供参考。

图1　茶叶物联网设计

1　架构设计分析

为了适应茶叶的生产特点，可以采用以下架构设计形式。

针对茶叶经济的特点，在设计物联网总体架构时可采用以下方案：（1）无线传感簇团。无线传感簇团为感知层。感知层中的设备包括视频设备、条形码、二维码、RFID、传感器。视频设备的主要功能包括采集视频流，同时对视频流进行编码与压缩处理，以确保视频可以在网络中顺利传输。条形码、二维码及RFID具有追踪溯源的作用，同时能管理茶叶种植、生产、仓储及销售环节，以全面控制茶叶质量。传感器的主要作用为全面监测茶叶种植环境，包括监测光照参数、土壤的酸碱度及温湿度、空气湿度及温度等[2]。（2）遥测节点。遥测节点主要为传输层及数据库。传输层包括3G网络、电信网络、数据专线及VPN专网，其主要功能在于传输感知层中的控制信息、数据及视频流等。传输层与数据库之间的连接通道为VPN专网，在感知层中的数据通过传输层传送到数据库之后，数据库可将各类数据或视频流等划分为基本信息、溯源信息、视频信息与环境监测信息。（3）网络服务层与各基站。服务层主要为应用层。应用层是物联网中的重要构成部分，应用层中的应用子模块包括GAP控制模块、门店管理模块、物流追踪模块、生产加工模块、茶叶种植模块及溯源查询模块等[3]。设计应用层时需要将茶叶的市场消费情况作为依据，并尽量确保茶叶的种植环节、生产环节、采购环节、销售环节及追溯环节能够实现一体化，进而保证茶叶经济可以依托物联网实现产业化、智能化发展。

2　物联网功能的分析研究

2.1茶叶种植中物联网功能的实现

利用物联网实时测量茶园中的环境因素，包括土壤PH值、土壤湿度、光照度及温湿度等，是保证茶叶正常生长与提高茶叶品质的重要措施。同时可以利用物联网建立茶叶种植信息库，利用数据信息库指导茶叶种植过程中的喷药、施肥、灌溉等操作，并设置一系列信息提醒，包括灌溉信息、病虫害信息、采摘信息等。（1）传感器是监测种植环境的主要设备，可采用抗干扰性能良好的JZH型传感器监测环境温度、湿度，JZH型传感器在物联网中的传输协议为2.4G Zigbee协议，基于该传输协议的传感器同时具有采集信息以及传输信息的功能，且传感器具有较强的组网能力，在物联网中设置的网络ID共为67834个。在JZH型传感器检测到对应节点的温湿度情况时，无线Zigbee技术可直接将温湿度信息上传到环境监测数据库当中。监测光照强度时选用了ZD型传感器，该传感器中安装了高灵敏度光敏元件，且测量光照度的区间较大，在获得光照数据后能够以多种形式向传输层及数据库上传信息。ZD型传感器将光照强度传输到数据库后，应用层中的专家诊断模块可以根据光照强度调节传感器完成遮光、照明等动作，由此补偿光照强度，确保茶叶生长环境实现最优化。此外，用于监测土壤的传感器，可在PH值与水分超出茶树适宜生长范围的情况下，及时在物联网中发出预警信息，管理员能够根据预警信息提前做好灌溉等相关工作。（2）物联网中的施肥系统与灌溉系统。专家诊断模块可以根据土壤成分的分析结果制定科学化的施肥方案，合理控制配方肥与农家肥的施肥量，进而改善土壤的营养状况。此外，可采用300PH型无线自动电磁阀控制灌溉系统。电磁阀可以根据物联网中茶叶需水量、土壤水分的分析结果及灌溉程序完成自动灌溉，灌溉控制方式为电磁阀的通断动作。应用电磁阀不但可以全面灌溉茶园，同时能有效节约种植过程中的灌溉用水。

2.2茶叶生产销售中物联网功能的实现

可利用物联网管理茶叶的分合堆环节及包装环节（生产加工）、运输环节（物流追踪）及销售环节（门店管理）。（1）生产加工。分堆指的是按照茶叶等级划分标准分开堆放茶青，合堆指的是合并处理等级相同的茶青。在进行分堆时，可采用手持RFID读取茶青容器编号，随后利用电子秤对分堆的各等级茶青进行称重，在称重后将茶青装入到其他容器中，随后利用RFID读取分堆后茶青容器的编号。在没有执行RFID擦除指令之前，手持REID传入物联网的数据为追加写入数据，RFID编号与茶青来源相对应；为了提高数据传输速率，RFID向上位机传输数据时，应同时传输子堆编号、父堆编号、分堆人员的工作编号、工艺编号及时间信息，在上位机接收到数据后，可在子堆与父堆之间建立对应关系，以优化数据存储结构。在包装环节，可利用物联网采集视频记录、包装数量、包装日期、包装品种、包装重量、包装时间及车间等相关信息；同时分析田间茶叶、加工厂中茶叶的实际数量、茶叶收购成本、鲜叶收购时间段、付款及欠款等相关信息。（2）物流追踪。保存运输茶叶的湿度与温度均有特殊要求，在一般情况下应采用冷链运输方式。如向直营店或专卖店供应的茶叶数量较少，则可以利用飞机空运冷藏箱。冷藏箱上带有RFID标签，在直营店、专卖店接收到冷藏箱后，便可以采用阅读器直接读取标签中的ID号，在读取ID号之后应及时将其发送给上位机。将RFID阅读器安装于存储冷柜的上方，以确保能够利用RFID阅读器直接读取存放区域内的茶叶信息。在读取温度信息后，需要及时发送到物联网系统的管理中心。（3）门店管理。在门店管理工作中可利用物联网全面统筹产品展示、门店库存及销售记录等方面的工作。可以采用系统平台展示茶叶产品及产品详细信息，门店库存管理指的是应用系统平台录入茶叶单价、等级、数量等方面的信息，保证门店中的管理人员或销售人员可以及时利用库存信息计算销售量，门店中的库存信息应以表格形式展示。在销售记录管理方面，可以采用物联网的系统平台管理茶叶销售数量、等级与品名等方面的销售信息，管理人员与销售人员可以利用系统平台查询茶叶销售单价、销售起始日期及截止日期等。

2.3茶叶溯源查询中物联网功能的实现

溯源查询是控制茶叶产品质量的有效方法，为了确保物联网中的溯源查询功能可以起到提高茶叶质量与品质的作用，在应用物联网的过程中应注意把握好以下几个关键点。（1）应及时采集全面的溯源信息，溯源信息应包括茶树栽培信息、茶叶采摘及验收信息、茶叶生产加工与运输信息、茶叶包装及存储信息、茶叶销售信息等，在采集信息时直接使用手持RFID即可，以保证登录系统平台后可以直接查询生产信息、加工信息及营销信息等。为了保证溯源信息能够及时传输到物联网当中，则需要借助互联网、无线网及有线网，在实际工作中应根据场地条件合理选用连接系统的网络。对于茶园中的生产信息，则采用3G网络或无线网络完成采集与传输工作，对于茶叶加工信息与包装信息，则利用无线网络或有线网络上传到系统平台中。此外，可利用互联网上传茶叶销售信息。（2）在采集好溯源信息后，可根据相关的法律法规对溯源信息进行分类编码，在编码的过程中需要参照标准化分类编码系统，以将茶叶生产场所、人员、机构及设施等纳入到编码体系当中。同时根据系统运行要求及时采集生产信息，以确保能够在溯源查询中获得全面的信息。（3）目前常用的溯源标志包括二维码与RFID标签。RFID标签由EPC区段、TID区段及RESERVE区段组成，EPC区段共有32个字节，用于追溯茶叶存储质量，TID区段为REID标签中的序列号，用于防伪，RESERVE区段为企业代码与生产日期等基本信息。二维码属于一种新型溯源查询标签，利用智能手机扫描包装盒上的二维码便可以直接查询溯源信息。为避免在包装及销售时造成二维码出现污损问题，可采用矩阵式QR二维码。扫描QR二维码可查询溯源网信息、产品信息、茶叶生产企业信息及20位追溯码。