孙 莉，杨学坤，李小杰

（北京农业职业学院机电工程学院，北京 102208）

0 引言

东辛撞民族村地处北京市平谷区大华山镇西北部山区，产业以农业为主，主要作物为鲜桃，包括黄毛桃、黄油桃、白油桃、蟠桃、九号桃、90934 桃、90342 桃及瑞光系列等诸多品种。平谷桃子在北京乃至整个华北地区知名度很高。但是，经过调查研究发现，该村存在大桃产业种植规模小、智能化自动化程度偏低、果农老龄化等突出问题。其中，大桃产品附加值较低，没有形成品牌效应是亟需解决的难题。

目前，许多学者在农产品追溯领域开展了很多深入研究。钟聪儿[1]设计了一款基于RFID 技术的干果类农产品质量安全追溯系统，实现了干果类农产品在流通过程中物流与信息流的无缝集成。李建军等[2]设计了基于物联网木耳栽培控制系统，实现了温室环境信息远程集中管理的功能。李晓东[3]采用C/S 架构模式搭建了青贮饲料可追溯系统，实现了供应链全流程可记录、可追溯。因此，建立一套设计和示范农产品全流程溯源系统，为大桃种植的标准化、规模化和产业化提供支持，对于逐步建立标准化种植体系，促进大桃产品质量提高，提升大桃附加值，打造东辛撞村大桃品牌具有重要的现实意义。

1 物联网架构设计

物联网技术把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理[4-5]。农业物联网技术依靠放置在农田基地的各类传感节点和有线无线网络进行传输，将数据传输给应用层系统进行分析应用。按照物联网的3 层组织架构搭建系统，分为设备层、传输层和应用层[6-7]。

1.1 感知层

通过在示范区部署环境传感器、控制器、摄像头等物联网设备，实现自动、定时采集区域内的数据，并将数据通过网络传输给应用层系统。通过MAC 地址将传感器设备绑定在相应站点中，在系统中能够查看实时数据和历史数据，并对数据进行分析和控制。

数据包括环境温湿度、二氧化碳浓度、土壤温湿度、降雨量和降水量等。户外设备有气象监测站，土壤墒情监测站等。监测设备利用太阳能和蓄电池给控制箱供电。风速、风向、土壤温湿度等传感器与数据采集箱连接，控制箱完成数据接收并上传[8-9]。其中空气温湿度传感器的供电电压为12 VDC，输出方式为无线和RS485 两种，响应时间5～30 s，湿度响应时间<8 s。发送消息的消息结构由标志位、地址位、功能位、字节长度、校验码和数据位组成。风速传感器的量程范围在0～30 m/s，响应时间≤0.5 s，测量精度为±（0.2+0.03V）m/s（V代表风速）。

1.2 网络层

在该层中主要通过LoRa、4G、485 有线等通讯方式实现网络传输。感知层中的传感器均支持3 种传输方式，传感器采集的数据通过有线和无线的方式将数据包传送给应用层。

本系统通过LoRa 无线传输模块或485 有线传输方式将数据实时上传到数据采集控制器中，通过GPS 等形式将数据按要求传输给云服务器中，实现数据的稳定传输[10]。

1.3 应用层

该层实现数据的存储、处理。能够实时掌握采集的环境参数，实现实时检测。在管理系统和微信小程序中通过界面直观地展示历史数据，能够看到不同时间段的数据变化，并可以将数据导出。可通过报警设置实现自动报警功能。同时，可以远程自动控制卷帘机、水闸等相关设备。实现自动增温、降温、通风和灌溉等功能，提高工作效率，减少投入成本[11-12]。

应用层中的智能管理系统能够实现诸多功能。可以查看园区的设备和传感器采集的所有数据，并控制相关设备；可通过摄像头查看园区内环境及植株生长情况；可添加报警条件，当设备异常时，能够给管理人员发送短信提示；微信小程序也能够实现实时查看和远程控制的功能。系统的物联网3 层组织架构图如图1 所示。

图1 物联网3 层组织架构Fig.1 Three-layer organizational structure diagram of internet of things

2 系统设计

2.1 系统总体

采用python flask 框架搭建。该框架结构轻巧，语言简介，可扩展性强。基于Unicode 编码，且内置开发服务器和调试器，方便项目调试。能够与python 测试单元实现无缝对接。采用Mysql 关系型数据库，具有性能稳定、功能强大、支持跨平台、多应用程序接口及响应速度快等特点。

系统能够实现创建种植区、数据监测分析、自动化远程控制、系统预警、生产管理全流程追踪追溯及大数据平台展示等功能，能够实现对农产品的全方位管理，建立标准化种植体系，完善产业结构，助推产品升级。农产品链如图2 所示。

图2 系统总体设计Fig.2 Overall system design drawing

2.1.1 数据监测功能模块

在系统中建立种植园区，需填写园区名称、占地面积、地址等信息。在园区中创建不同功能的种植园区，如日光温室、连栋温室、智能牧场等区域，画出区域规划图。在选定的区域中绑定不同类型设备和传感器。如水泵、照明灯等相关设备，传感器有温湿度、光照、土壤EC 值传感器。根据唯一标识码，1 台设备和传感器只能绑定在1 个园区。选择不同的园区后查看到每个传感器传送的实时数据和历史数据曲线图，能够将环境监测的历史数据导出。可以将户外监测设备绑定，查看实时监测信息。绑定微信小程序，随时查看数据信息，此功能模块设计如图3 所示。

图3 数据检测功能模块Fig.3 Data detection function module

2.1.2 控制报警功能模块

（1）报警提醒。有设备掉线报警、传感器异常报警和传感器数据报警3 种模式。设备掉线报警包括选择设备、编辑报警信息、短信接收人姓名和手机号；传感器异常报警包括添加园区中的相应设备、传感器异常时发出提示；传感器数据报警包括维护传感器类型、设置界值、超出范围时报警。发生各类报警时，系统会自动给联系人发短信提示。

（2）视频监控。将园区内的摄像头连接到系统平台中，实时查看种植区情况。能够设置拍摄时长，抓拍间隔，调整摄像头角度。

（3）自动控制。在系统内或微信小程序中对设备实现远程控制，控制电磁阀、灯光设备的开闭，也可以设置条件，实现自动控制。

上述功能模块设计如图4 所示。

图4 控制报警功能模块Fig.4 Control alarm function module

2.1.3 生产管理功能模块

生产管理模块维护与生产种植相关的所有功能，需要维护人员填写相应的信息，如人员管理信息，相应的姓名、职务等；种植管理信息，相应的品种、种植规模、种植日期、作物的生长标准等。应将作物与园区绑定，获取相应的环境数据。

农事作业环节是将每次的作业信息在系统中录入，维护农事作业名称、时间、人员、使用的农机和物料等信息，并附带工作图，工作人员在微信小程序中及时录入。采摘入库环节可以记录采摘的人员、作物、数量和时间等信息，并能生成溯源批次号。

物流信息环节，根据GPS 定位，及时跟踪上传产品的物流相关信息。将农机信息、物料信息、仓库信息和供应商管理等相应模块信息都维护在系统中，生产管理模块如图5 所示。

图5 生产管理模块Fig.5 Production management module

2.1.4 追溯系统功能模块

在农产品追溯功能中，将产品的各项信息汇总生成溯源信息，通过扫描生成的二维码，可以查看农产品的基本信息、种植情况，以及各阶段环境因子、农事作业流程等信息。全方位掌握产品信息，实现产品全透明化，让消费者吃得放心。从而提升产品附加价值，建立良好口碑。追溯系统功能模块如图6 所示。

图6 追溯系统功能模块Fig.6 Traceability system function module

（1）作物信息模块。包括种植作物的名称、品种、种植规模、种植、采摘日期、保质期及安全承诺等作物的基本信息及介绍。

（2）视频模块。能够查看农作物的完整生长周期视频，并且能够查看实时环境，能够调整摄像头角度，查看周围环境。看到在不同生命周期中抓拍的高清照片。向消费者真实展示生长过程及种植环境。

（3）环境模块。展示该农产品所有的生命周期信息，包括每个周期的起止时间、持续时间等信息。包括在该时期内的作物生长环境标准，以及实时的园区环境数据，如土壤温湿度、二氧化碳浓度、风速风向、PM10，PM2.5 及气压等趋势图，帮助理解。

（4）农事作业模块。显示了农产品的所有农事流程，包括农产品的种植、灌溉、施肥、整枝、日常维护、采摘、生产、加工、分拣、检测和仓储等全部流程。展示了每个农事作业的作业人员、使用物料、使用的机械和农事作业详细内容及过程图等信息，消费者均能查看到。

（5）报告模块。展示了农产品各类检测报告。

（6）农场信息模块。展示了该农场的信息，主要包括：农场名称、占地面积、联系电话、地址、农场图片及导航等信息。

（7）仓储管理模块。展示了农产品的入库信息，包括入库时间、仓库内的环境因子、地理位置和操作人员等信息。

（8）物流管理模块。包括运输车内的环境因子、物流追踪等信息，也包括物流人员、出发及预计到达时间等信息。

2.1.5 溯源二维码

在采摘入库环节，录入采摘的作物、数量、时间及采摘数量等信息，生成溯源批次信息。在溯源中心环节的溯源批次中生成批次信息，批次号为采摘入库的年月日加六位索引码组成。点击生成溯源码，选择在溯源码中显示的生产模块，生成溯源信息。编辑合格证模板，输入产品名称、数量、开具日期责任人和联系电话等信息制作模板。合格证中有二维码和产品信息，可以将合格证导出。从而可以为每一个产品生成独有的合格证，合格证上带有产品名称、数量、开具日期等基本信息和二维码。通过扫描二维码可以浏览生产模块信息，了解产品从种植到流通整个过程。

一物一码模块：编辑唯一标识的溯源码前缀、选择溯源批次、有效截止日期，可以启用防伪功能，指定扫码次数，防止被恶意扫描。利用export_code 溯源码批量生成工具，添加指令控制区口令生成独有的二维码。通过系统能够实时查看溯源码扫描情况，包括溯源码总数，有效及失效个数以及扫描次数。当设置了防伪功能后，到达失效时间或最高扫码次数后，二维码失效。二维码设计流程如图7 所示。

图7 追溯二维码设计模块Fig.7 Traceability QR code design module

2.2 系统数据库

数据库中记录着传感器数据和追溯系统的各流程数据，是系统实现的基础和保障。基于追溯系统的实现过程，从最初的种植、农事、检测和运输模块出发，设计了作物信息表、环境监测表、农事过程表、商家信息表及物流信息表等关联表结构。从而搭建起了完整的数据关系，让各环节紧密衔接。数据库设计E-R图如图8 所示。

图8 数据库设计Fig.8 Database design

3 智慧农业大数据平台

大数据平台是集成了Web 界面开发技术、大数据技术、人工智能及数据分析等技术搭建的总和应用平台。在平台中能够直观详细地看到从生产到销售的每一个过程。展现了种植园区，产品生产过程，生态环境智能监控，农产品追溯全系统展示等功能。

园区规划模块能够清晰查看到园区规划图和卫星展示图。显示详细的位置信息和相关的设备数、传感器个数以及相应的功能信息。经过地图缩放，直观清晰的了解种植区全貌。

环境监测模块显示园区信息，传感器数量及类型，能够查看到实时传输到的传感器数值，点开后能够显示历史数据。实时气象模块展示当地气候情况，温湿度，风速及24 h 温度散点图。

数据报警模块实时展示园区内设备或传感器超过异常值的警告信息。环境趋势一览图中，集合了不同传感器的实时数据分析，方便查看园区环境参数，分析农产品种植适宜性。

园区监控模块可以切换不用的种植区和摄像头查看种植园区画面，进行实时直播。也能够看到作物的生长过程图。

市场动态模块展示各类农产品在不同月份的价格情况，体现市场行情，为种植和分析研究提供参考。

农产品追溯模块展示相关的溯源信息，点开每一个页签，都能看到相应的数据，并且能够切换不同产品，方便快捷。大数据平台图如图9 所示。

图9 大数据平台Fig.9 Big data platform

4 系统数据分析

通过数据采集分析，得到了园区中的传感器数据。主要有传感器数据及视频监控数据。

4.1 环境因子

在科技小院试验区中，根据一段时间的数据采集和分析发现：桃生长较为适宜的温度13～20 °C；果实成熟期的温度22～26 °C；种植桃树适宜在pH 值为4.2～7.8 的微酸环境下，此时土壤有机物含量较多，肥力适中；桃树的光照补偿点为2 450～2 720 lx，光照不足会减少花芽分化，降低产量。数据分析如图10 所示。

图10 温湿度数据分析Fig.10 Temperature and humidity data analysis

4.2 追溯系统数据分析

通过扫描二维码，选择作物界面，能够查看到产品名称、种植面积、种植时间和采摘时间，也能查看东辛撞村种植园区的环境，见证大桃的生长过程，吃得放心。产品追溯二维码如图11 所示。

图11 产品追溯二维码Fig.11 Product traceability QR code

5 结束语

为实现对农产品的园区建造、数据采集分析和全流程追溯，以物联网3 层架构为组织方式构建农产品全流程追溯系统。通过信息采集、筛选上传、平台搭建，应用python、html、go 语言，依建python flask 和go gin 框架实现系统功能，结合mysql、mongodb 和influx 数据库完成数据存储和处理。消费者在网页端或手机端可便捷获取农产品溯源的全过程信息，直观了解大桃的生长环境信息，增强了消费者对于大桃产品安全的信心。在村民间积极推广宣传，带动更多的农户加入农产品质量安全追溯体系建设中来，提高产品品质与产量，促进农民增收，积极响应乡村振兴，用科技的力量助力农业发展。