基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)路徑

陽瓊芳　江立庚

摘 要：以廣西農(nóng)墾茶業(yè)集團(tuán)為研究對(duì)象，基于農(nóng)業(yè)部農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)出基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)架構(gòu)，并集成傳感網(wǎng)技術(shù)、視頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、二維碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究溯源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng) 系統(tǒng)架構(gòu) 技術(shù)路徑

中國(guó)是茶葉的原產(chǎn)地， 是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用茶葉的國(guó)家，已有5 000多年的悠久歷史，現(xiàn)在世界各國(guó)引種的茶樹，使用的栽培管理方法，加工工藝，乃至茶葉的品飲，應(yīng)用等等，莫不源于中國(guó)[1]。由于我國(guó)茶葉具有生產(chǎn)地域廣闊、加工作坊分散、流通環(huán)節(jié)復(fù)雜等特點(diǎn)，加之種植戶、茶企業(yè)對(duì)茶葉種植過程投入品及生產(chǎn)加工過程控制不嚴(yán)，出現(xiàn)了茶葉農(nóng)藥殘留超標(biāo)、重金屬含量超標(biāo)、有害微生物殘留等問題，導(dǎo)致茶葉質(zhì)量安全危機(jī)頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了中國(guó)茶業(yè)品牌聲譽(yù)，中國(guó)茶葉出口也面臨著不可避免的，更多的“綠色的、技術(shù)性壁壘”。

以廣西農(nóng)墾茶葉集團(tuán)為研究對(duì)象，基于農(nóng)業(yè)部農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)建設(shè)研究，建立了符合茶葉溯源特點(diǎn)的高效、智能化的質(zhì)量溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的全程溯源。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的概念早在1999年就已經(jīng)提出，并迅速在農(nóng)業(yè)中推廣應(yīng)用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、處理與應(yīng)用層3個(gè)層次，如圖1所示。

感知層主要包括各類傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）及二維碼等，負(fù)責(zé)采集各種農(nóng)業(yè)相關(guān)信息（包括光、溫度、濕度等），實(shí)現(xiàn)對(duì)“物”的相關(guān)信息的識(shí)別和采集；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將感知層采集的各種農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，通過有線或無線方式傳輸?shù)教幚砼c應(yīng)用層；處理與應(yīng)用層主要包括各類農(nóng)業(yè)信息處理系統(tǒng)，如設(shè)施園藝系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品物流系統(tǒng)等，通過系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、前中、前后精細(xì)化管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全[2]。

1.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器、RFID、二維碼、無線傳感網(wǎng)等。傳感器是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要用于采集各個(gè)農(nóng)業(yè)要素信息，包括農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的光、溫、水、肥、氣等參數(shù)。RFID技術(shù)利用無線射頻傳輸技術(shù)來檢索和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品溯源的領(lǐng)域。二維碼技術(shù)是利用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄溯源農(nóng)產(chǎn)品追溯信息，并通過光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理[3]。無線傳感網(wǎng)技術(shù)是傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)的技術(shù)綜合應(yīng)用，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的各類監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息[4]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體思路

依據(jù)2009年農(nóng)業(yè)部發(fā)布《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯操作規(guī)程茶葉》（NY/T 1763-2009）以及農(nóng)業(yè)部農(nóng)墾局實(shí)施農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源的規(guī)范要求，結(jié)合廣西農(nóng)墾茶業(yè)集團(tuán)的生產(chǎn)實(shí)際，圍繞茶葉生產(chǎn)、加工、銷售的種植、采摘、加工、包裝、物流、銷售等環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)溯源關(guān)鍵控制點(diǎn)及信息采集標(biāo)準(zhǔn)，引入RFID技術(shù)、GPS技術(shù)、二維碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)基于茶葉生產(chǎn)、加工、銷售全過程的茶葉溯源系統(tǒng)，提高茶葉溯源精準(zhǔn)度及可信度。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于農(nóng)業(yè)部農(nóng)墾農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系，引入RFID技術(shù)、二維碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)新型企業(yè)追溯信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的框架如圖2所示，主要由茶園采集端、茶廠采集端、網(wǎng)站及智能手機(jī)等查詢端、溯源數(shù)據(jù)分析處理等部分構(gòu)成。

研究系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)劃分為感知層、傳輸層、處理與應(yīng)用層。感知層主要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)、加工、銷售等溯源信息采集，傳輸層通過傳感網(wǎng)、聯(lián)通或電信等運(yùn)營(yíng)商專線、3G或4G網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)茶葉溯源信息傳輸，處理與應(yīng)用層包括溯源數(shù)據(jù)匯總分析、溯源查詢等功能，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)用戶的交互。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)的技術(shù)路徑

茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)按照“可追溯性”的原理，把茶葉從大田管理、采摘、加工、倉(cāng)儲(chǔ)、包裝、儲(chǔ)運(yùn)、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量安全關(guān)鍵信息，全過程進(jìn)行有效的采集和監(jiān)控，并通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)等確保產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的信息傳遞與共享，從而形成了較為成熟的茶葉產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的技術(shù)路徑。

3.1 確定茶葉追溯的目標(biāo)

確定了茶葉的追溯精度、深度及規(guī)模，實(shí)際上就可以確定茶葉的追溯目標(biāo)。

3.1.1 確定追溯精度

追溯精度也叫追溯單元，它是指一件獨(dú)立包裝的上市農(nóng)產(chǎn)品從市場(chǎng)溯源到種植環(huán)節(jié)、養(yǎng)殖環(huán)節(jié)所能界定的最小產(chǎn)品范圍或追溯單元的動(dòng)態(tài)組合。它可以按照責(zé)任主體或農(nóng)產(chǎn)品實(shí)體來確定，也可以采用主體與實(shí)體相結(jié)合方式確定。例如，常見的責(zé)任主體有職工、農(nóng)戶、生產(chǎn)隊(duì)、作業(yè)組、基地等，常見的農(nóng)產(chǎn)品實(shí)體有地塊、連片地塊、池塘、棟舍、批次、豬牛羊個(gè)體等。

3.1.2 確定追溯深度

追溯深度是指任何一件產(chǎn)品在從源頭到市場(chǎng)鏈條中能夠有效跟蹤管理產(chǎn)品質(zhì)量安全信息的末端環(huán)節(jié)。追溯深度的基本要求是企業(yè)銷售產(chǎn)品時(shí)要記錄經(jīng)銷商或分銷商信息，終極目標(biāo)是能夠延伸到直接面向消費(fèi)者的零售環(huán)節(jié)。企業(yè)主要按照追溯產(chǎn)品銷售渠道，確定追溯深度。一般茶業(yè)企業(yè)依據(jù)其產(chǎn)品銷售渠道，可以把追溯深度確定為初級(jí)分銷商或代理商。

3.1.3 確定追溯規(guī)模及產(chǎn)品種類

茶葉的追溯規(guī)模主要指茶園種植面積及數(shù)量。為了更好地實(shí)現(xiàn)全國(guó)墾區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管，農(nóng)業(yè)部農(nóng)墾局進(jìn)一步加強(qiáng)了農(nóng)產(chǎn)品追溯項(xiàng)目管理，2015年項(xiàng)目申報(bào)中規(guī)定茶園追溯面積不少于66.7 hm2或追溯茶葉年加工量不少于200 t。茶葉的追溯還要求對(duì)加工產(chǎn)品的包裝規(guī)格、包裝材質(zhì)、包裝形態(tài)（罐裝、箱裝、袋裝等）進(jìn)行明確，同時(shí)測(cè)算出年包裝量[5]。

3.2 確定茶葉質(zhì)量溯源關(guān)鍵控制點(diǎn)

為控制茶葉的品質(zhì)，茶葉生產(chǎn)企業(yè)在茶葉生產(chǎn)、加工過程中，根據(jù)生產(chǎn)流程并應(yīng)用危害分析，設(shè)定茶葉質(zhì)量的關(guān)鍵控制點(diǎn)，從而有效控制茶葉質(zhì)量的危害來源。根據(jù)茶葉生產(chǎn)流程特點(diǎn)，把茶葉種植與采摘、茶葉加工、茶葉成品包裝作為關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化管理。

茶葉的種植與采摘環(huán)節(jié)主要控制農(nóng)藥殘留、化學(xué)肥料使用不當(dāng)、采茶機(jī)產(chǎn)生燃料污染物等污染問題。茶葉加工環(huán)節(jié)主要控制生產(chǎn)設(shè)備帶來有害物質(zhì)污染、微生物含量、重金屬指標(biāo)超標(biāo)等質(zhì)量問題。茶葉成品包裝環(huán)節(jié)主要控制包裝袋衛(wèi)生或者除氧劑、保鮮劑使用不當(dāng)?shù)荣|(zhì)量問題。

3.3 茶葉質(zhì)量溯源信息采集

茶樹養(yǎng)護(hù)、采摘、驗(yàn)收、運(yùn)輸、生產(chǎn)加工、存儲(chǔ)、包裝、銷售等環(huán)節(jié)中，基地技術(shù)人員、車間技術(shù)人員、保管員等利用電腦或手持RFID讀寫器等工具，將茶葉生產(chǎn)、加工、營(yíng)銷信息錄入系統(tǒng)。

3.4 建立溯源信息網(wǎng)絡(luò)并上傳信息

茶葉溯源系統(tǒng)借助有線網(wǎng)、無線網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等建立支撐系統(tǒng)運(yùn)行的信息網(wǎng)絡(luò)。茶園生產(chǎn)、茶葉加工、茶葉營(yíng)銷等環(huán)節(jié)因采集信息各異，場(chǎng)地不同，采用不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式。茶園生產(chǎn)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集并上傳到茶企業(yè)溯源信息服務(wù)器，茶葉加工、包裝等信息采集通過廠區(qū)布設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)絡(luò)上傳茶企業(yè)信息中心，茶葉銷售環(huán)節(jié)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將溯源信息上傳企業(yè)溯源服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)溯源信息的查詢。

3.5 建立電子化生產(chǎn)檔案

按照農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法、無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)程要求，參照國(guó)家信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)茶企業(yè)有關(guān)設(shè)施、機(jī)構(gòu)、人員、場(chǎng)所等進(jìn)行編碼管理，定制茶葉溯源系統(tǒng)的各項(xiàng)子功能，可以針對(duì)企業(yè)需求實(shí)施茶葉溯源系統(tǒng)?；谙到y(tǒng)運(yùn)行，對(duì)各追溯環(huán)節(jié)進(jìn)行生產(chǎn)信息設(shè)計(jì)并及時(shí)采集，形成茶企業(yè)電子化生產(chǎn)檔案，為茶葉溯源提供全程信息檢索。

3.6 形成追溯標(biāo)識(shí)

基于物聯(lián)網(wǎng)的茶葉溯源系統(tǒng)，主要應(yīng)用2類標(biāo)簽作為產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)，即RFID標(biāo)簽和二維碼標(biāo)簽，可為企業(yè)生產(chǎn)、管理人員及消費(fèi)者提供便捷的查詢方式。

3.6.1 RFID標(biāo)簽

RFID標(biāo)簽相當(dāng)于茶葉產(chǎn)品的身份ID，安裝在茶葉禮盒實(shí)體中。根據(jù)茶葉產(chǎn)品包裝的特性，選用超高頻的RFID被動(dòng)式標(biāo)簽。標(biāo)簽主要分為3個(gè)不同區(qū)段，即RESERVE區(qū)、TID區(qū)、EPC區(qū)。TID區(qū)共8字節(jié)，用于存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽獨(dú)一無二的序列號(hào)，主要用于防偽；EPC區(qū)32字節(jié)，主要存儲(chǔ)茶葉質(zhì)量追溯編碼。茶葉追溯編碼主要考慮產(chǎn)地、種類、等級(jí)、包裝、生產(chǎn)日期等作為特征編碼。例如某產(chǎn)品的追溯編碼“2002 08 72 03 0403 1004 03 9”對(duì)應(yīng)信息如表1所示。

3.6.2 二維碼標(biāo)簽

二維碼作為新型的追溯標(biāo)簽常用于溯源產(chǎn)品包裝盒上，應(yīng)用人們常用的智能手機(jī)就可以掃描二維碼，檢索溯源信息?？紤]茶葉包裝、銷售過程中容易污損的特點(diǎn)，二維碼標(biāo)簽制作常用QR碼，屬于矩陣式二維碼。QR碼編碼及標(biāo)簽通過系統(tǒng)的二維碼打印控制軟件，將20位數(shù)字的追溯碼、茶企業(yè)信息、產(chǎn)品信息、溯源網(wǎng)站信息等進(jìn)行編碼生成QR碼后，打印出標(biāo)簽并粘貼在茶葉包裝外表，如圖3所示是2013年生產(chǎn)的八桂紅有機(jī)紅茶產(chǎn)品的溯源QR碼。

圖3 八桂紅茶葉QR碼

4 結(jié)語

文章基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)全新茶葉質(zhì)量溯源系統(tǒng)，應(yīng)用傳感網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、二維碼技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了符合茶葉溯源特點(diǎn)的高效、智能化的質(zhì)量溯源系統(tǒng)，克服了原有基于條型碼的溯源系統(tǒng)存在的效率較低、采集信息不夠豐富等問題，有效地提高溯源的效率及可信度，對(duì)名優(yōu)茶葉產(chǎn)品的質(zhì)量提升，品牌影響力擴(kuò)大有重大的意義。

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