基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜質(zhì)量安全控制體系研究與應(yīng)用

張京社，閻世江

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮研究所，山西 太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山西 太原 030031）

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費(fèi)國，蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，消費(fèi)者對蔬菜質(zhì)量安全問題越來越關(guān)注[1]，但由于生產(chǎn)者的文化程度低、監(jiān)管不到位等原因使有關(guān)蔬菜質(zhì)量的負(fù)面事件屢屢發(fā)生。針對目前蔬菜生產(chǎn)中存在的安全問題，努力建立蔬菜產(chǎn)品生產(chǎn)與管理過程中的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)體系、檢測監(jiān)控體系、安全生產(chǎn)技術(shù)保障體系，有利于食物結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改善人民生活，保障人民身體健康和生命安全[2]；有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化和食品安全衛(wèi)生化的進(jìn)程。實(shí)踐證明，在監(jiān)管中其難點(diǎn)在于蔬菜生產(chǎn)的過程較長，涉及的環(huán)節(jié)較多，傳統(tǒng)的監(jiān)管體系實(shí)用性不強(qiáng)，無法檢測其整個過程，因此急需一種新的控制體系，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜質(zhì)量安全控制體系應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)最早出現(xiàn)在美國，通俗地講是指在“互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行物與物之間的信息交換，早期的技術(shù)僅有射頻識別、無線數(shù)據(jù)通信等，目前可以通過紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等將物品連接，進(jìn)行信息交換。經(jīng)過多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已開始在蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用。所謂設(shè)施蔬菜質(zhì)量安全控制體系，包含蔬菜生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和相關(guān)信息服務(wù)等，它利用各類傳感設(shè)備，采集相關(guān)信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)、移動通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在智能化操作終端顯示，實(shí)現(xiàn)了蔬菜產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的全過程監(jiān)控，對蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)管、保障食品安全、設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)升級[3-4]都具有十分重要的意義。目前國外的相關(guān)研究較多，而我國的研究才剛剛起步，多停留在理論研究階段，實(shí)際應(yīng)用的較少。為此本文從該體系的應(yīng)用現(xiàn)狀及實(shí)例等方面進(jìn)行論述，希望對蔬菜質(zhì)量安全的健康發(fā)展有所幫助。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在蔬菜質(zhì)量安全控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2011年，國家啟動物聯(lián)網(wǎng)示范工程，最早從上海、天津、安徽開始[5]，目前已取得了階段性的成果。北京市利用物聯(lián)網(wǎng)管理農(nóng)業(yè)用水，監(jiān)控環(huán)境[6]。江蘇省利用物聯(lián)網(wǎng)管理設(shè)施農(nóng)業(yè)、禽畜養(yǎng)殖等[7]。天津市利用物聯(lián)網(wǎng)管理1 000棟節(jié)能溫室。山東濟(jì)南市推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，在大田作物、設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛應(yīng)用[8]。

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜質(zhì)量安全控制體系研究的深入開展，越來越多的企業(yè)與科研院所聯(lián)合開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)，大批農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)運(yùn)而生，如北京市的BJ-CABBAGIS[6]，壽光市蔬菜生產(chǎn)數(shù)字平臺[7]，江蘇省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺[8]，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)吉林省金塔（實(shí)業(yè)）股份有限公司聯(lián)合開發(fā)的設(shè)施蔬菜安全生產(chǎn)技術(shù)體系[9]，濟(jì)南正莊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園創(chuàng)立的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全過程管理[10]。

2 應(yīng)用實(shí)例

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所與山西浩輝科技有限公司合作開發(fā)出蔬菜安全生產(chǎn)管理平臺，平臺情況如下。

2.1 系統(tǒng)總體方案

該平臺通過在溫室內(nèi)的傳感器監(jiān)測大氣溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，工作人員可以隨時查看，并通過內(nèi)嵌的專家決策系統(tǒng)進(jìn)行溫室生產(chǎn)管理；也可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行較詳細(xì)的分析，最后得到溫室管理的方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這部分包括局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、移動通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。智能網(wǎng)關(guān)是終端采集器的終端控制器的匯聚節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將終端采集器和終端控制器組成一個局域網(wǎng)。智能網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接。

2.3 智能控制子系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)主要包括任務(wù)計(jì)劃、預(yù)警預(yù)報(bào)。專家制定種植任務(wù)計(jì)劃，設(shè)定各環(huán)境參數(shù)的閾值，超出閾值的范圍后自動報(bào)警，提醒工作人員整改。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 主頁

2.3.1 顯示器

顯示溫室實(shí)況、各環(huán)境參數(shù)。

2.3.2 可編程控制器

是整個控制系統(tǒng)的“大腦”。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集存儲、系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)控等。

2.3.3 無線電接收裝置

采集、接收各傳感器采集并發(fā)回的數(shù)據(jù)。

2.3.4 預(yù)警預(yù)報(bào)

主要根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)的安全閾值來啟動報(bào)警系統(tǒng)。

2.4 智能管理系統(tǒng)

打開瀏覽器后在地址欄輸入：http://1615gx 5518.51mypc.cn/SY/Index.aspx，即可訪問（圖2）。該系統(tǒng)分為9大模塊，分別為主要設(shè)計(jì)人、系統(tǒng)簡介、溫室實(shí)況、病蟲害預(yù)警、種植管理、農(nóng)事管理、種植作業(yè)、系統(tǒng)設(shè)置、退出系統(tǒng)。

2.4.1 主要設(shè)計(jì)人

該模塊介紹該平臺的主要設(shè)計(jì)人員（圖3）。

2.4.2 溫室實(shí)況

該模塊主要是由主機(jī)下達(dá)查詢命令，由主設(shè)備進(jìn)行各傳感器和控制設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)收集并傳送給主機(jī)，然后由Web程序顯示給用戶（圖4）。系統(tǒng)把所有溫室列到表格中，如果用戶想了解某一溫室的詳細(xì)參數(shù)如溫度、相對濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤溫度、土壤濕度和工作狀態(tài)，則可以直接查看具體信息。專家之前已繪制了最佳環(huán)境因子圖，如超出最佳范圍，就會自動報(bào)警，提醒管理人員進(jìn)行整改。

圖3 主要設(shè)計(jì)人

圖4 溫室實(shí)況

在溫室中安裝了帶有Web功能的攝像頭，這樣在系統(tǒng)中只需要設(shè)置相應(yīng)的IP就可以在網(wǎng)頁中顯示畫面。通過影像用戶不需要實(shí)地考察就能大致觀察到溫室內(nèi)部的情況，當(dāng)一個人控制許多個溫室時監(jiān)控管理就變得非常重要。一般使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭直接與系統(tǒng)總路由器相連接，在功能上可以獨(dú)立于硬件系統(tǒng)，不會由于硬件或中間部件故障影響監(jiān)控功能。

2.4.3 病蟲害預(yù)警

該模塊根據(jù)視頻圖像發(fā)生的變化，探頭會自動對比，并配合人工實(shí)地觀察、取樣化驗(yàn)，作出判斷，調(diào)查蔬菜是否發(fā)生病蟲害，并有針對性地提出防治方案（圖5）。

2.4.4 種植管理

該模塊需要由種植專家?guī)椭瓿?。在該系統(tǒng)中制定種植計(jì)劃時，種植專家要根據(jù)自己的種植管理經(jīng)驗(yàn)和以往平臺的系統(tǒng)記錄，按不同的蔬菜生長階段制定不同的栽培管理措施。設(shè)施蔬菜栽培管理措施主要包括灌溉、施肥、植株調(diào)整、病蟲防治、授粉、收獲等。管理專家下達(dá)各項(xiàng)指令，由操作人員查看。種植管理頁面見圖6。

2.4.5 農(nóng)事管理

該模塊一般由操作人員完成。待種植專家在“種植管理”系統(tǒng)中下達(dá)指令，操作人員在此系統(tǒng)中進(jìn)行查看，并按指令完成作業(yè)，如在蔬菜生長的各階段完成灌溉、施肥、植株調(diào)整、病蟲防治、授粉、收獲等。完成后主機(jī)自動記錄（圖7）。

圖5 病蟲害預(yù)警

圖6 種植管理

2.4.6 種植作業(yè)

在前述的“農(nóng)事管理”中，操作人員完成指令后并錄入，系統(tǒng)就顯示已完成的作業(yè)內(nèi)容，可供管理者進(jìn)行查看。該系統(tǒng)可進(jìn)一步進(jìn)行拓展，與后續(xù)開發(fā)的溯源系統(tǒng)[9]聯(lián)網(wǎng)使用（圖8）。

圖7 農(nóng)事管理

圖8 種植作業(yè)

2.4.7 系統(tǒng)設(shè)置

此模塊為種植基地的日常管理，由Web服務(wù)器顯示相關(guān)頁面，然后由用戶輸入Web服務(wù)器和中間部件的IP和端口即可，雖然此模塊在實(shí)現(xiàn)上比較簡單，但I(xiàn)P地址正確的設(shè)置才能使整個系統(tǒng)正常工作（圖9）。

2.5 應(yīng)用效果

該平臺在山西沁州綠農(nóng)業(yè)科技有限公司和山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽基地進(jìn)行示范，平臺運(yùn)行3年，效果比較令人滿意，已經(jīng)在山西省進(jìn)行示范推廣[11]。目前在山西沁州綠農(nóng)業(yè)科技有限公司的蔬菜生產(chǎn)園區(qū)生產(chǎn)的產(chǎn)品，消費(fèi)者都可以通過手機(jī)、電腦、PAD等設(shè)備掃描二維碼，查看有關(guān)蔬菜生產(chǎn)整個過程的全部信息，尤其是有關(guān)在蔬菜發(fā)生病蟲害后使用的農(nóng)藥種類、數(shù)量等信息。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該平臺在沁州綠公司蔬菜生產(chǎn)基地、東陽基地應(yīng)用以來，取得了良好的成效，可減少用工30%，節(jié)約生產(chǎn)成本15%，減少5%的貯運(yùn)過程中的損失，提高銷售收入30%。沁州綠公司的蔬菜產(chǎn)品已通過國家有機(jī)食品認(rèn)證，20 hm2（300畝）示范園區(qū)增加收入300萬元，并輻射帶動周邊133.3 hm2（2 000畝）設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，增加經(jīng)濟(jì)效益2 000萬元。該系統(tǒng)得到用戶的一致好評，應(yīng)用的前景十分廣闊。

圖9 系統(tǒng)設(shè)置

3 展望

3.1 蔬菜生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的建立需要長期積累

該項(xiàng)技術(shù)屬于交叉科學(xué)，雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，但是實(shí)用的模塊內(nèi)容缺乏，即蔬菜生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這就需要農(nóng)業(yè)科研人員長期的努力，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況建立標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，才能真正推廣應(yīng)用；另外，軟件后臺的開發(fā)還需要計(jì)算機(jī)科研人員與農(nóng)業(yè)科研人員進(jìn)一步合作。

3.2 公益性科研成果需要政府可持續(xù)性財(cái)政支持

該技術(shù)可用于政府對設(shè)施蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)管；幫助生產(chǎn)者進(jìn)行設(shè)施蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級；有利于消費(fèi)者對蔬菜進(jìn)行安全追溯；有利于促進(jìn)科研人員由學(xué)術(shù)化向?qū)嵱没D(zhuǎn)型。該項(xiàng)技術(shù)屬于公益性科研成果，其應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)社會意義明顯?？紤]到目前在蔬菜生產(chǎn)基地建立溯源管理系統(tǒng)的投資較大，而農(nóng)戶又限于自身文化水平，缺乏長遠(yuǎn)的目光，為此在現(xiàn)階段建立溯源系統(tǒng)仍然需要政府的投入，由政府購買相應(yīng)的服務(wù)。作為政府應(yīng)加大這方面的投入，確保人們吃到放心菜[12]。

必須堅(jiān)持“市場+政府+技術(shù)”的方式，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為抓手，聯(lián)合農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)、農(nóng)民合作社、農(nóng)戶，建立綜合的物聯(lián)網(wǎng)管理體系、精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系、平臺化農(nóng)產(chǎn)品流通體系，推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的市場化發(fā)展，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[13]。