胡雅婷，任旭陽(yáng)，陳一水，趙佳樂，李 健

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引 言

藜麥原產(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū)，距今已有7 000多年的種植歷史。藜麥中富含人體可吸收的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)成分，且含人體必需的氨基酸成分。作為單一物種的藜麥，它可以滿足人體所需的基本營(yíng)養(yǎng)成分，故有“超級(jí)谷物”等美譽(yù)，已受到聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織等國(guó)際組織的高度關(guān)注。同時(shí)，藜麥的生長(zhǎng)適應(yīng)性很強(qiáng)，可在干旱、嚴(yán)寒、多鹽等惡劣環(huán)境種植。藜麥在我國(guó)的種植歷史較短，上世紀(jì)80年代末由西藏自治區(qū)引入低海拔地區(qū)小范圍試種；經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，目前已在山西、青海、甘肅、吉林等地區(qū)種植，藜麥及其深加工和衍生產(chǎn)品具有巨大的發(fā)展前景和市場(chǎng)開發(fā)潛力。為保障藜麥生產(chǎn)的質(zhì)量安全，實(shí)現(xiàn)種植過(guò)程的全程可控，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)是必要的，對(duì)藜麥種植、加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

我國(guó)食品溯源起始于20世紀(jì)90年代末，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及信息管理系統(tǒng)，通過(guò)記錄農(nóng)產(chǎn)品的種植和加工運(yùn)輸信息，再到倉(cāng)儲(chǔ)銷售過(guò)程中節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從種植田到餐桌前的食品安全可追溯，供用戶查詢售后食品安全問(wèn)題。種植環(huán)節(jié)產(chǎn)生的溯源信息不易采集而且信息量大、信息源繁雜，是食品溯源過(guò)程中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是種植環(huán)節(jié)信息采集的關(guān)鍵技術(shù)，主要利用具體的設(shè)備和設(shè)施終端，包括具有“半智能”的數(shù)字控制系統(tǒng)、數(shù)字移動(dòng)終端設(shè)備、微型傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等以及外部賦予智能，例如“智能物品和動(dòng)植物”或“智能粉塵”等貼有物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽的各種資產(chǎn)、攜帶無(wú)線終端的個(gè)人與車輛等。通過(guò)各種無(wú)線或有線的長(zhǎng)距離或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)（M2M）、應(yīng)用集成以及基于云計(jì)算的操作模式。在內(nèi)部網(wǎng)、專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全、可控、個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、位置溯源、調(diào)度指揮、計(jì)劃管理、遠(yuǎn)程控制、決策支持和領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營(yíng)”一體化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 整體思路

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集藜麥農(nóng)事管理信息、生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)及收割信息，應(yīng)用WebService的數(shù)據(jù)智能交互技術(shù)，構(gòu)建形成基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)框架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、上傳，在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建藜麥生長(zhǎng)周期精準(zhǔn)管理系統(tǒng)；基于防偽QR碼的追溯編碼與產(chǎn)品標(biāo)識(shí)技術(shù)，在防偽認(rèn)證的同時(shí)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)過(guò)程信息的精準(zhǔn)識(shí)別；采用移動(dòng)互聯(lián)的溯源查詢技術(shù)，通過(guò)終端設(shè)備的“二維碼掃描”功能及時(shí)瀏覽種植生長(zhǎng)過(guò)程的完整信息；在藜麥生長(zhǎng)精準(zhǔn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)并提供生長(zhǎng)環(huán)境追溯服務(wù)接口，研發(fā)藜麥生長(zhǎng)過(guò)程質(zhì)量安全平臺(tái)并示范應(yīng)用。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。

圖1 總體流程示意圖

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文搭建的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本體系結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和物理層五層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用層為藜麥追溯系統(tǒng)的其他應(yīng)用程序提供接入端口，促進(jìn)藜麥追溯系統(tǒng)的完善。服務(wù)層直接與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，管理各個(gè)環(huán)節(jié)收集的數(shù)據(jù)并在手機(jī)端和電腦端提供查詢等服務(wù)，是用戶使用的主體部分。網(wǎng)絡(luò)層作為信息收集、信息傳遞的主要途徑，包括在底層采集農(nóng)事管理數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)、連接單片機(jī)和云服務(wù)平臺(tái)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分，主要收集藜麥關(guān)鍵種植過(guò)程中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)供用戶查詢的最終目的。物理層是整個(gè)生長(zhǎng)周期系統(tǒng)的底層硬件支撐，擔(dān)任采集處理數(shù)據(jù)的重任，包括監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的傳感器和攝像頭、數(shù)據(jù)傳輸和處理的單片機(jī)、短距離無(wú)線通信模塊、路由器網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器以及與二維碼標(biāo)簽相關(guān)的打印機(jī)、掃碼槍等設(shè)備。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

2 生長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

2.1 生長(zhǎng)數(shù)據(jù)電子目錄

藜麥的生長(zhǎng)周期涉及種植、生長(zhǎng)管理和收割干燥三個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)藜麥的實(shí)際種植流程，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)從種植環(huán)節(jié)開始。

單片機(jī)上傳種植數(shù)據(jù)的同時(shí)系統(tǒng)在后臺(tái)生成帶有生產(chǎn)批次號(hào)的虛擬標(biāo)簽，標(biāo)簽包括藜麥種子信息和種植棚室信息。在作物的生長(zhǎng)管理環(huán)節(jié)，布置在種植棚室的傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集棚室內(nèi)的環(huán)境信息，將初始數(shù)據(jù)匯總至單片機(jī)后進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線通信模塊上傳，后臺(tái)管理系統(tǒng)將這一階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，生成生長(zhǎng)批次號(hào)，并與生產(chǎn)批次號(hào)互相綁定。視頻監(jiān)控模塊作為輔助模塊監(jiān)控田間的農(nóng)事管理操作。在傳感器和單片機(jī)等硬件設(shè)施工作時(shí)，生產(chǎn)管理員登錄藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)并將多種農(nóng)事操作同步上傳。在藜麥?zhǔn)崭罡稍锃h(huán)節(jié)，生產(chǎn)管理員登錄系統(tǒng)將收割干燥的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)生成管理批次號(hào)，與生長(zhǎng)批次號(hào)互相綁定。各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的批次號(hào)將整個(gè)生長(zhǎng)周期信息串聯(lián)起來(lái)，不斷補(bǔ)充虛擬標(biāo)簽的內(nèi)容。管理系統(tǒng)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并在藜麥入庫(kù)時(shí)打印電子標(biāo)簽。

2.2 生長(zhǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)模型

藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)利用傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，包括二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤有機(jī)質(zhì)含量等信息，匯總并傳輸至單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后統(tǒng)一通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳至云端并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種植棚室的農(nóng)事管理信息包括施肥施藥信息（種類、數(shù)量、方式、時(shí)間、人員）、棚室信息、定植日期、澆水時(shí)間和次數(shù)、長(zhǎng)勢(shì)信息。與此同時(shí)，生產(chǎn)管理人員定時(shí)錄入灌溉日期和次數(shù)、定植日期、長(zhǎng)勢(shì)信息、施肥施藥信息（種類、數(shù)量、方式、時(shí)間、人員）等，并記錄藜麥的收割信息，包括收割日期、收割棚室和收割數(shù)量。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)將全過(guò)程收集到的信息整合生成唯一的QR碼，同時(shí)在手機(jī)端可快速查看生長(zhǎng)過(guò)程的詳細(xì)信息。藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)收集的詳細(xì)信息如圖3所示。

圖3 藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)信息收集過(guò)程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感器

藜麥種植過(guò)程使用的傳感器有二氧化碳傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器。空氣溫濕度傳感器放置在離地表一定高度測(cè)量空氣溫濕度，土壤溫濕度傳感器放置于土壤中檢測(cè)土壤的溫濕度。二氧化碳傳感器與空氣溫濕度傳感器安裝在同一位置測(cè)量空氣中二氧化碳濃度。光照強(qiáng)度傳感器安裝在與藜麥同一高度的位置上，測(cè)量藜麥生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度值。根據(jù)以上監(jiān)測(cè)的數(shù)值及時(shí)調(diào)整作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，保證農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)。

3.1.2 單片機(jī)和打印機(jī)

綜合對(duì)比多種類型單片機(jī)，根據(jù)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)作為硬件核心。STM32系列單片機(jī)具有低成本、高性能、低功耗、可裁剪等優(yōu)點(diǎn)，集成的嵌入式閃存使其工作效率大幅提高。

本次設(shè)計(jì)使用STM32單片機(jī)作為信息接收以及中轉(zhuǎn)的工具。傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)芯片處理后通過(guò)無(wú)線通信模塊上傳保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。視頻監(jiān)控模塊作為擴(kuò)展的輔助功能對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控。在作物收割干燥后，打印機(jī)連接藜麥生長(zhǎng)周期管理平臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息生成并打印本批次藜麥的生產(chǎn)二維碼。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 界面設(shè)計(jì)

用戶在登錄界面注冊(cè)、登錄并進(jìn)入系統(tǒng)主頁(yè)。系統(tǒng)主頁(yè)由五個(gè)子頁(yè)面構(gòu)成，分別為二維碼查詢頁(yè)面、棚室環(huán)境信息頁(yè)面、藜麥常見病蟲害頁(yè)面、安全知識(shí)頁(yè)面以及農(nóng)事管理信息頁(yè)面。其中，棚室環(huán)境信息頁(yè)面包含視頻監(jiān)控子頁(yè)面；農(nóng)事管理信息頁(yè)面擴(kuò)展出農(nóng)業(yè)氣象和周年防治子頁(yè)面。主界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

點(diǎn)擊二維碼查詢進(jìn)入查詢窗口并在搜索框輸入產(chǎn)品編碼單擊“查詢”可查看與其相對(duì)應(yīng)的二維碼以及相關(guān)記錄；進(jìn)入環(huán)境信息界面修改和查看環(huán)境信息，同時(shí)也可通過(guò)手機(jī)和電腦掌握藜麥生長(zhǎng)的狀態(tài)；藜麥常見病蟲害頁(yè)面為用戶擴(kuò)展病蟲害常見知識(shí)；安全知識(shí)頁(yè)面為用戶提供與藜麥相關(guān)的食品安全問(wèn)題，同時(shí)也向用戶展示藜麥安全的儲(chǔ)存方法以及常見做法；農(nóng)事管理界面針對(duì)農(nóng)事管理詳細(xì)信息進(jìn)行修改和查看，點(diǎn)擊“農(nóng)業(yè)氣象”按鈕進(jìn)入顯示氣象信息的農(nóng)業(yè)氣象頁(yè)面，用戶點(diǎn)擊“周年防治歷”按鈕可以瀏覽當(dāng)前年份當(dāng)前季節(jié)容易發(fā)生的病害蟲害，提醒用戶及早做好預(yù)防工作。

3.2.2 系統(tǒng)功能模塊

結(jié)合改進(jìn)Niblack算法，QR二維碼具有較高的魯棒性，可應(yīng)用在復(fù)雜溯源環(huán)境中的QR碼識(shí)別。因此系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中QR碼作為信息載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)藜麥生長(zhǎng)全生命周期的監(jiān)控。

整個(gè)系統(tǒng)包括藜麥種植管理和用戶操作管理兩個(gè)核心模塊。藜麥種植管理實(shí)現(xiàn)藜麥種植過(guò)程信息的錄入、管理以及生成。用戶操作管理模塊管理平臺(tái)用戶信息。使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)。

在核心功能模塊的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速開發(fā)以及方便后期維護(hù)，將藜麥種植管理模塊拆分成二維碼管理、藜麥信息管理和生長(zhǎng)環(huán)境管理子模塊。用戶操作管理分為用戶信息管理和運(yùn)營(yíng)信息管理子模塊。二維碼管理模塊對(duì)不同收獲批次生成的QR二維碼進(jìn)行編輯、導(dǎo)出、打印和刪除；藜麥信息管理模塊管理植株的生長(zhǎng)狀態(tài)、收獲和干燥記錄以及種子來(lái)源和品質(zhì)等信息；生長(zhǎng)環(huán)境模塊管理作物生長(zhǎng)環(huán)境、病蟲害侵襲和氣象條件等信息；用戶管理模塊管理注冊(cè)用戶的使用權(quán)限；運(yùn)營(yíng)管理模塊管理農(nóng)事運(yùn)營(yíng)信息和用戶使用日志。

3.2.3 系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用J2EE框架搭建藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)。采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面開發(fā)，此設(shè)計(jì)中包含了Node.js、MongoDB、Express、AngularJS和 Nodejs-to-AngularJS套件。其中，利用基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)Node.js編寫后端服務(wù)和服務(wù)器腳本；網(wǎng)站的數(shù)據(jù)通過(guò)MongoDB進(jìn)行存儲(chǔ)和訪問(wèn)；Express是Node.js的一個(gè)模塊，主要用于定義Web服務(wù)器；AngularJS是一種MVC架構(gòu)，用于定義和控制瀏覽器中的視圖。AngularJS中的模型對(duì)象由JSON或Express對(duì)象組成，視圖為HTML/CSS，控制器為AngularJS的Express代碼。

在整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。藜麥生長(zhǎng)周期系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用SQLServer2008開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)表的建立是數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)將各個(gè)部分的數(shù)據(jù)庫(kù)表的內(nèi)容都備份在“總數(shù)據(jù)庫(kù)”。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用短距離無(wú)線通信技術(shù)將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸給管理終端，最終將采集到的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存。這種設(shè)計(jì)方式使得在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)之間可以互不影響，保證數(shù)據(jù)的傳輸速度不會(huì)降低。同時(shí)，遠(yuǎn)程的訪問(wèn)可以不必逐層向下，而是直接訪問(wèn)“總數(shù)據(jù)庫(kù)”即可。“總數(shù)據(jù)庫(kù)”中數(shù)據(jù)表見表1所列。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表

在建立數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，除了對(duì)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)外，還對(duì)應(yīng)著各個(gè)模塊分別建立了同步表，存儲(chǔ)在“總數(shù)據(jù)庫(kù)”內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

藜麥生長(zhǎng)周期管理系統(tǒng)以藜麥的生長(zhǎng)過(guò)程為研究目標(biāo)，本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及Web技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于QR碼的藜麥生產(chǎn)溯源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了藜麥生產(chǎn)信息的錄入、管理以及查詢，方便種植戶管理整個(gè)藜麥種植過(guò)程，在保證了產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提升單位產(chǎn)量。利用準(zhǔn)確完備的藜麥生長(zhǎng)周期的全程數(shù)據(jù)，提高藜麥的生長(zhǎng)管理效率，同時(shí)為保證藜麥的食品安全提供數(shù)據(jù)支撐。