孫奕敏 王玙璠 艾浩軍
(1.中國人民武裝警察部隊(duì)山東總隊(duì)訓(xùn)練基地,山東 濟(jì)南 250000;2.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖北 武漢 430072)
我國擁有數(shù)十億人口,屬于農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)產(chǎn)品歷來是政府關(guān)注的重要問題。近年來,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題受到了前所未有的高度重視。2007年8月17日,中華人民共和國國務(wù)院辦公廳宣布成立國務(wù)院產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)導(dǎo)小組。各個(gè)省市配合中央政府的工作,分別成立了省、市產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)導(dǎo)小組。2007年初,上海市產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全領(lǐng)導(dǎo)小組12J 出臺(tái)一系列政府監(jiān)督、控制政策。2007年10月,該小組啟動(dòng)“上海市產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全專項(xiàng)整治”,在產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、流通和消費(fèi)所有節(jié)點(diǎn)宣傳活動(dòng)的內(nèi)容。
農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題不僅關(guān)系到公眾的身體健康,而且對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)貿(mào)易和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有重大影響,成為新時(shí)期我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和供給急需解決的一個(gè)重要課題。要達(dá)到提高農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和消費(fèi)安全目標(biāo),就要解決和實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品“從生產(chǎn)到餐桌”的全程質(zhì)量監(jiān)控,治本之策是要建立完善的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全體系。
近年來,農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留、獸藥殘留和其他有毒有害物質(zhì)超標(biāo)造成的餐桌污染和引發(fā)的中毒事件時(shí)有發(fā)生。解決“餐桌污染”問題,除了保護(hù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境和完善農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入外,建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息系統(tǒng),加快農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息的有效傳播,是解決“餐桌污染”信息不對(duì)稱問題的重要途徑之一。
為確保有機(jī)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品滿足有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),保障食品安全必須從以下兩個(gè)方面著手。
為了保證食用農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全信息平臺(tái)提供消費(fèi)者查詢信息的可靠性,對(duì)于加入平臺(tái)的企業(yè)要求使用專門的生產(chǎn)管理系統(tǒng),采集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)。對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)前的水、氣、土等環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄,產(chǎn)中生產(chǎn)過程控制、飼料/肥料的使用、農(nóng)藥/獸藥等的使用,產(chǎn)后對(duì)產(chǎn)品的藥物/重金屬殘留等記錄。實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的全過程監(jiān)控和管理。
供應(yīng)鏈的每個(gè)成員都應(yīng)當(dāng)能夠追溯產(chǎn)品生產(chǎn)者以及產(chǎn)品成分、包裝、來源等特征,也應(yīng)當(dāng)能夠向前追蹤產(chǎn)品成分、包裝和產(chǎn)品的的每一項(xiàng)活動(dòng)。要設(shè)計(jì)一個(gè)具有對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈可追溯性的供應(yīng)鏈,企業(yè)必須創(chuàng)建流程和基礎(chǔ)架構(gòu)來收集、集成、分析和傳遞關(guān)于產(chǎn)品來源和特征的可靠信息,貫穿于整個(gè)供應(yīng)鏈的各個(gè)階段(從農(nóng)場(chǎng)到餐桌)。它將企業(yè)的技術(shù)解決方案整合起來,使物理供應(yīng)鏈(商品的運(yùn)動(dòng)軌跡)和信息供應(yīng)鏈(數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、組織、分析和訪問控制)能夠相互集成。有了這樣的供應(yīng)鏈可視性,企業(yè)就能保護(hù)和推廣品牌、主動(dòng)地吸引其他客戶并降低安全事故的影響。
物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地現(xiàn)場(chǎng)管理與質(zhì)量追溯系統(tǒng)涉及的技術(shù)體系包括以無線傳感網(wǎng)為基礎(chǔ)的環(huán)境檢測(cè)技術(shù),以視頻內(nèi)容分析為基礎(chǔ)的視頻摘要自動(dòng)生成技術(shù),以RFID、二維碼標(biāo)簽為基礎(chǔ)的產(chǎn)品溯源技術(shù)。
通過無線網(wǎng)絡(luò),利用短程通信與遠(yuǎn)程通信技術(shù)相結(jié)合,采用Zigbee 組網(wǎng),Zigbee 到IP 通過傳感網(wǎng)關(guān)接入到場(chǎng)區(qū)信息網(wǎng),將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù),包括溫度、濕度、敏感氣體、菊酯類農(nóng)藥濃度等信息收集起來,形成無線傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)會(huì)蔬菜基地的監(jiān)測(cè)。有機(jī)蔬菜生產(chǎn)場(chǎng)地和加工車間的傳感網(wǎng)如圖1 所示。
圖1 有機(jī)蔬菜基地傳感網(wǎng)
在有機(jī)蔬菜生產(chǎn)場(chǎng)地內(nèi)的關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)部署攝像頭,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合可視化操作,采集視頻證據(jù)數(shù)據(jù),利用視頻內(nèi)容分析技術(shù),分割感興趣目標(biāo),提取視頻特征,提取典型的視頻事件,通過高級(jí)語義進(jìn)行表達(dá),自動(dòng)生成事件的視頻摘要和視頻日志,將人從海量的視頻數(shù)據(jù)中解放出來,提高視頻監(jiān)控的可用性,提高檢索效率,降低存貯成本,同時(shí)便于日后查找和產(chǎn)品溯源。
通過RFID、條碼和二維碼的組合識(shí)別碼提供的信息,RFID 具有容量大、壽命長、自動(dòng)識(shí)別等特點(diǎn)可用于大行包裝的標(biāo)示,用于記錄生產(chǎn)產(chǎn)地、生產(chǎn)單位、生產(chǎn)過程、農(nóng)藥化肥使用情況等信息,如圖2 所示。而條碼和二維碼成本低,能記錄同一類商品的信息,可廣泛應(yīng)用于單個(gè)商品的標(biāo)識(shí),如圖3 所示。同時(shí)二維碼可便于手機(jī)進(jìn)行查詢。當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生安全性等事故時(shí),通過追溯信息系統(tǒng)可迅速回溯過程及查明原因所在,正確而迅速地回收產(chǎn)品,防止產(chǎn)品事故的再發(fā)生,也可確認(rèn)業(yè)者的責(zé)任,從而有效促進(jìn)對(duì)生產(chǎn)和流通過程的重視,保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。
圖2 帶有RFID 標(biāo)簽的果蔬箱
圖3 帶有條碼的小包裝果蔬
根據(jù)目前國內(nèi)的實(shí)際情況,提出建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)有機(jī)農(nóng)業(yè)的思路,系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容主要包括建設(shè)基礎(chǔ)信息網(wǎng)、生產(chǎn)過程日志與檔案系統(tǒng)、有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)簽跟蹤系統(tǒng)、有機(jī)產(chǎn)品銷售系統(tǒng)和系統(tǒng)管理平臺(tái)。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以采用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一般結(jié)構(gòu),如圖4 所示。
圖4 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
3.2.1 場(chǎng)區(qū)信息網(wǎng)
場(chǎng)區(qū)信息網(wǎng)既要承載場(chǎng)區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境信息、視頻信息和一般辦公用途信息。同時(shí)還能接入互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)(外網(wǎng))的互聯(lián)互通,這對(duì)場(chǎng)區(qū)的信息網(wǎng)建設(shè)提出了新的要求。一方面,辦公樓要接入電信運(yùn)營商寬帶,另一方面,各基地要通過無線接入點(diǎn)(Wi-Fi AP)將信息傳遞到辦公樓,實(shí)現(xiàn)信息互通。
需要考慮場(chǎng)區(qū)內(nèi)各功能區(qū)的地理位置分布,在場(chǎng)區(qū)內(nèi)部署局域網(wǎng),各區(qū)之間通過網(wǎng)線連接,形成無線局域網(wǎng),無線局域網(wǎng)采用IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)速度達(dá)到150Mbps。按此方式組網(wǎng)的場(chǎng)區(qū)信息網(wǎng),主干道的無線網(wǎng)絡(luò)理論速度是300Mbps,實(shí)際運(yùn)行可以達(dá)到150Mbps的速度,能滿足場(chǎng)區(qū)信息化的要求。如圖5 所示。
圖5 場(chǎng)區(qū)信息網(wǎng)示意圖
3.2.2 無線傳感網(wǎng)
場(chǎng)區(qū)無線傳感網(wǎng)要承載場(chǎng)區(qū)內(nèi)的種植基地、養(yǎng)殖基地和沼氣池的生態(tài)環(huán)境信息,包括溫度、濕度、照度和敏感氣體濃度等,將這些信息通過無線自組網(wǎng)絡(luò)傳遞到ZigBee 網(wǎng)關(guān),采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn),再由LAN 局域網(wǎng)傳送到控制臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。
場(chǎng)區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)部署方案如圖6 所示。
圖6 場(chǎng)區(qū)無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
在種植基地和養(yǎng)殖基地內(nèi)都布置了大量傳感器,這些傳感器采用自組織的方式形成無線傳感網(wǎng)進(jìn)行信息傳遞與發(fā)送,最后通過一個(gè)無線傳感網(wǎng)關(guān)搜集所有的傳感節(jié)點(diǎn)信息,再將這些信息統(tǒng)一發(fā)送到控制臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理。這種無中心的分布式控制網(wǎng)絡(luò),不需要類似基站或者訪問服務(wù)點(diǎn)這樣的中心控制設(shè)備,即不需要利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施同樣能提供一種通信支撐環(huán)境。在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)不需要現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持,快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。
3.2.3 無線視頻監(jiān)控網(wǎng)
視頻監(jiān)控的目的有兩個(gè),一是對(duì)生產(chǎn)過程監(jiān)管,二是生產(chǎn)過程的展示。為保證設(shè)備的兼容性,所有攝像頭均內(nèi)置編碼設(shè)備,即采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),并且盡量選用支持以太網(wǎng)供電(POE)的設(shè)備。
組網(wǎng)方式見圖7:
圖7 場(chǎng)區(qū)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
在場(chǎng)區(qū)的種植基地、養(yǎng)殖基地和沼氣池的重要監(jiān)控點(diǎn)布置攝像設(shè)備,通過無線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)況錄像發(fā)送至控制臺(tái)服務(wù)器,服務(wù)器對(duì)這些視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后,再通過光纖接入的大寬帶上傳至互聯(lián)網(wǎng),提供在線展現(xiàn),讓人們?cè)诩乙材軐?shí)時(shí)觀看場(chǎng)區(qū)內(nèi)的情況。
服務(wù)器對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理和分析包括對(duì)冗余信息的剔除、將有用的信息保存。由于場(chǎng)區(qū)內(nèi)視頻信息量非常大,只靠人工處理這些信息變得不可能,因此可以引進(jìn)計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù),通過有效的算法對(duì)智能處理這些視頻,提取出人們感興趣的視頻摘要,對(duì)每天的生產(chǎn)情況提取視頻日志,這樣建成的日常視頻檔案可以有效地對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行科學(xué)地管理。
無線傳感網(wǎng)與無線視頻監(jiān)控網(wǎng)并不是獨(dú)立的,它們應(yīng)當(dāng)相互依存,將某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境信息和視頻監(jiān)控信息應(yīng)該綁定在一起,做到“虛實(shí)結(jié)合”,當(dāng)查詢產(chǎn)區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)的信息時(shí),相關(guān)的環(huán)境與視頻信息就都能同時(shí)顯示出來,使得有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程可視化。
將無線傳感網(wǎng)和視頻監(jiān)控網(wǎng)采集到的信息結(jié)合統(tǒng)一起來,構(gòu)成生產(chǎn)過程日志與檔案,構(gòu)建管理這些信息的系統(tǒng),可以作為后續(xù)質(zhì)量安全管控的有力支持。
蔬菜供應(yīng)鏈和大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈一樣,也包括生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸和銷售等幾個(gè)環(huán)節(jié),提交有機(jī)蔬菜供應(yīng)鏈效率的關(guān)鍵也是如何協(xié)調(diào)幾個(gè)環(huán)節(jié)及如何提高每個(gè)環(huán)節(jié)的效率。如圖8 所示。
圖8 新鮮蔬菜供應(yīng)鏈
從蔬菜供應(yīng)鏈整體可以看到,通過使用RFID 和條碼、二維碼的組合標(biāo)簽技術(shù),能夠方便地把整個(gè)供應(yīng)鏈中各個(gè)環(huán)節(jié)的信息讀入公共數(shù)據(jù)庫,各個(gè)環(huán)節(jié)也可以便捷地增加相應(yīng)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。消費(fèi)者和相關(guān)主管部門也可以通過通信網(wǎng)絡(luò)和終端進(jìn)行查詢與追溯。根據(jù)現(xiàn)有商業(yè)模式的使用習(xí)慣和使用成本,可以整箱使用RFID 標(biāo)簽,內(nèi)部小盒裝使用條碼或者二維碼。
標(biāo)簽上要記錄的信息包括:
(1)生產(chǎn)階段的信息,包括品號(hào)、產(chǎn)地、電話、化肥明細(xì)、種植時(shí)間等。
(2)加工階段的信息:小盒貼上條碼,大盒貼上RFID 標(biāo)簽,二維條碼直接保存了產(chǎn)地、收割時(shí)間等重要信息,也能透過二維碼訪問中心數(shù)據(jù)庫。
(3)倉儲(chǔ)階段記錄的信息,包括入庫時(shí)間、入庫區(qū)位、貨架貨位和出庫時(shí)間等。
(4)運(yùn)輸階段的信息:GPS+RFID 標(biāo)簽,包括上車時(shí)間、途中溫度狀況、路線信息、下車時(shí)間等。
這些信息分別記錄在RFID、條碼和二維碼標(biāo)簽上,根據(jù)這三種標(biāo)簽各自不同的特點(diǎn)和功能,采用不同的方式來標(biāo)識(shí)包裝,記錄了有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程和供應(yīng)鏈全程的信息,能夠有效進(jìn)行質(zhì)量管理,既節(jié)約了成本又能在出現(xiàn)問題時(shí)方便消費(fèi)者追蹤溯源。二維條碼包裝過程和記錄的信息如圖9 所示。
圖9 二維條碼包裝過程何記錄信息
通過RFID、條碼和二維碼的組合識(shí)別碼提供的生產(chǎn)產(chǎn)地、生產(chǎn)單位、生產(chǎn)過程、農(nóng)藥化肥使用情況等信息,當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生安全性等事故時(shí),通過有機(jī)蔬菜標(biāo)簽跟蹤系統(tǒng)可迅速回溯過程及查明原因所在,正確而迅速地回收產(chǎn)品,防止產(chǎn)品事故的再發(fā)生,也可確認(rèn)相關(guān)的責(zé)任,從而有效促進(jìn)對(duì)生產(chǎn)和流通過程的重視,保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。
記錄銷售階段的信息,包括進(jìn)入店面時(shí)間、銷售時(shí)間、總量統(tǒng)計(jì)、過期數(shù)量等。該系統(tǒng)軟件還需要與超市的營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)的進(jìn)銷存系統(tǒng)對(duì)接。
最終消費(fèi)用戶可以使用自助式信息查詢機(jī),查詢到小包蔬菜的所有信息。如圖10 所示。
圖10 蔬菜信息查詢
該系統(tǒng)的成功投入使用可以促進(jìn)有機(jī)蔬菜的透明化跟蹤,提高銷售量,讓消費(fèi)者“買的放心,吃的安心”。這樣物聯(lián)網(wǎng)不僅應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)輸,也能應(yīng)用于有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的銷售等服務(wù)當(dāng)中,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展也起到積極地推動(dòng)作用。
可以通過局域網(wǎng)綜合管理場(chǎng)區(qū)視頻,查詢生態(tài)環(huán)境信息,有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品跟蹤信息。建立互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站,按照農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)農(nóng)業(yè)的體驗(yàn)平臺(tái),在互聯(lián)網(wǎng)上展示農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程。為有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了絕好的契機(jī),不論是生產(chǎn)、運(yùn)輸還是銷售全程供應(yīng)鏈都實(shí)現(xiàn)可視化、透明化監(jiān)控,有利于規(guī)范我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和貿(mào)易行為,指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)并引導(dǎo)消費(fèi),保障農(nóng)產(chǎn)品的有效供給和消費(fèi)安全,增強(qiáng)我國農(nóng)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭力,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
信息發(fā)布系統(tǒng)需要公開農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息和供應(yīng)鏈管控信息,以保證食品安全,它提供多途徑的便民查詢,如通過12316 便民平臺(tái),撥打熱線電話查詢;手機(jī)短信查詢;通過手機(jī)拍攝二維碼圖片,再上傳到網(wǎng)上查詢;甚至利用賣場(chǎng)的直接讀取設(shè)備,如觸摸屏等查詢?cè)撧r(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和供應(yīng)鏈信息,對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營者形成有效的社會(huì)監(jiān)督。
要達(dá)到提高農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和消費(fèi)安全目標(biāo),就要解決和實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品“從田頭到餐桌”的全程質(zhì)量監(jiān)控,治本之策是要建立完善的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全體系。通過信息化的手段,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全進(jìn)行“數(shù)字化”管理,在生產(chǎn)過程中,可通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控,除可覆蓋農(nóng)業(yè)大棚,還可在畜牧養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。通過多種傳感器實(shí)現(xiàn)信息的收集與傳遞,農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都可以控制,并且食品可以溯源。智慧農(nóng)業(yè)通過過程管控和供應(yīng)鏈溯源,從而有效保證食品質(zhì)量安全,讓人們吃的放心,吃的健康,吃的新鮮,完成從田間迅速到餐桌的快捷過程,通過物聯(lián)網(wǎng)我們可以實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)景目標(biāo)。
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