物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煙草農(nóng)業(yè)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用研究

楊宏 韓世豪

中國電子技術(shù)標準化研究院 北京 100007

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是指物件與物件之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)溝通其不同于人與人在互聯(lián)網(wǎng)上的溝通它可以讓使用者通過互聯(lián)網(wǎng)獲悉物件的使用情況[1]。主要解決物與人、物與物、人與人之間互聯(lián)互通問題，其專業(yè)定義為：通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，利用產(chǎn)品電子代碼(EPC)把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，物以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。其層次結(jié)構(gòu)分為三層，自下而上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)主要需要的多種關(guān)鍵技術(shù)如傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、二維碼技術(shù)、通信技術(shù)、云計算技術(shù)等貫穿并覆蓋了這三層架構(gòu)。

1.1 感知層

感知層是信息采集的關(guān)鍵層級，用于識別物體及采集數(shù)據(jù)，包括下面兩個部分：感應(yīng)器件和感應(yīng)器組成的網(wǎng)絡(luò)（如傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID網(wǎng)絡(luò)）。感應(yīng)器件是RFID標簽和讀寫器/各類傳感器/攝像頭/GPS/二維碼標簽或傳感器器件。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層用于完成信息傳遞和處理，網(wǎng)絡(luò)層包括下面兩部分。接入單元:接入單元是連接感知層的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，它匯聚從感知層獲得的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到接入網(wǎng)絡(luò)；接入網(wǎng)絡(luò)：包括5G4G3G網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)等，通過接入網(wǎng)絡(luò)，能將數(shù)據(jù)最終傳入互聯(lián)網(wǎng)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最上層，其結(jié)合云計算及人工智能技術(shù)，在云平臺上對對感知層采集數(shù)據(jù)進行計算、處理和知識挖掘，從而實現(xiàn)對不同設(shè)備的實時控制、科學(xué)管理和精準決策。應(yīng)用層主包括下面三部分：物聯(lián)網(wǎng)中間件、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈問題分析

2.1 傳統(tǒng)煙草農(nóng)業(yè)

傳統(tǒng)煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手段落后，主要是依靠人力、各種手工工具進行生產(chǎn)和簡單管理。主要存在的問題如下：

（1）采用粗放型種植模式種植煙葉，農(nóng)業(yè)科技含量、裝備水平相對滯后，導(dǎo)致煙葉生產(chǎn)效率低下。

（2）主要依賴人工控制煙葉種植過程，難以對過程進行監(jiān)督和控制，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的煙葉的總量和品質(zhì)很難得到保證。

（3）傳統(tǒng)的煙葉灌溉方式不利于及時、定量、有效地滿足煙葉生長發(fā)育對水分的需求，容易造成土壤理化性狀的破壞、水資源利用率低且浪費嚴重等問題。

（4）依靠和使用著這些落后的生產(chǎn)工具和生產(chǎn)技術(shù)維持著簡單再生產(chǎn)，導(dǎo)致煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率低下，煙葉產(chǎn)量增長緩慢，煙葉品質(zhì)得不到保證，整個煙草農(nóng)業(yè)的大環(huán)境得不到很好的發(fā)展，這從而又反過來阻礙了煙草農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步以及生產(chǎn)工具的創(chuàng)新。

（5）傳統(tǒng)人工操作的煙葉烘烤模式，需要依靠烘烤師的經(jīng)驗，而且不能保證煙草質(zhì)量。

2.2 傳統(tǒng)煙草工業(yè)

由于以上四點原因，傳統(tǒng)煙草農(nóng)業(yè)的自身發(fā)展陷入惡性循環(huán)之中。同時我國的煙草工業(yè)生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)中還存在一些問題，如煙葉收購、加工、倉儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)都存在很多不足，主要存在問題如下：

在卷煙生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，會出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不達標、產(chǎn)品分級困難和生產(chǎn)效率低等諸多問題；這些問題都將對煙草工業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生極大影響。

傳統(tǒng)的煙葉倉儲管理缺乏先進科學(xué)的倉儲管理，由于缺乏科學(xué)監(jiān)控存環(huán)境溫濕度技術(shù)手段和煙葉養(yǎng)護技術(shù)導(dǎo)致煙葉庫耗偏高，倉庫分區(qū)分類管理落實不到位。

（4）在運輸環(huán)節(jié)不進行全程跟蹤和監(jiān)控，在產(chǎn)品的分揀和包裝環(huán)節(jié)煩瑣和容易出現(xiàn)錯誤。

3 煙草物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煙草農(nóng)業(yè)和工業(yè)上推廣應(yīng)用形成了煙草物聯(lián)網(wǎng)，并給出了上述問題的解決思路以及方案。煙草物聯(lián)網(wǎng)的定義是：借助射頻識別(RFID)、傳感技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(RFID)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)（RS）等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集獲取煙草產(chǎn)業(yè)鏈上的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過低功耗廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)資源進行信息傳輸與交互，運用云計算及人工智能等技術(shù)對各類數(shù)據(jù)信息進行分析處理，從而實現(xiàn)智能化決策和控制的一種網(wǎng)絡(luò)體系，包含了以種植、加工、采購、生產(chǎn)、銷售、配送、營銷、服務(wù)、管理為業(yè)務(wù)主體的煙草產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)[2]。

4 典型應(yīng)用研究

煙草行業(yè)正式提到“物聯(lián)網(wǎng)”是在2010年。國家煙草專賣局在全行業(yè)局長經(jīng)理座談會上，明確提出了建設(shè)煙草行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的目標和“全面覆蓋、全面感知、全程控制、全面提升”的總體要求。最初物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煙草行業(yè)主要應(yīng)用在煙草產(chǎn)品的商流環(huán)節(jié)，實現(xiàn)煙草制品的產(chǎn)品追溯及物流調(diào)控。而對于煙草的工業(yè)和農(nóng)業(yè)并沒有較為廣泛的應(yīng)用。

隨著智能制造、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，國家頒布多項政策推動新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)、種植技術(shù)融合。打造具有自感知、自學(xué)習、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。加速煙草工業(yè)及農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始逐步賦能煙草行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，對煙草農(nóng)業(yè)環(huán)節(jié)提升煙葉種植效率、質(zhì)量，降低成本、勞動力消耗，和煙草工業(yè)環(huán)節(jié)提質(zhì)增效，降低工廠運營成本起到了很好的作用[3-5]。接下來我將分別舉例介紹物聯(lián)網(wǎng)在煙草農(nóng)業(yè)環(huán)節(jié)和煙草工業(yè)環(huán)節(jié)的典型應(yīng)用案例。

4.1 煙草農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面主要應(yīng)用在科學(xué)育苗、種植環(huán)境全要素精準采集、精準灌溉、精準施肥、農(nóng)情監(jiān)測、智能烘烤等方面，下面我將展開討論研究。

（1）科學(xué)育苗。育苗期間的施肥、噴灑農(nóng)藥、蓄水、剪葉等措施需要大量、頻繁的人工參與，開放的環(huán)境和人為活動是苗床病毒侵染和傳播的主要因素，盡可能減少人為參與是降低煙苗發(fā)病率的關(guān)鍵途徑。利用各種傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)等對大棚環(huán)境參數(shù)進行智能化監(jiān)控同時對大棚環(huán)境參數(shù)采用自動化調(diào)控技術(shù)。該技術(shù)適于基礎(chǔ)條件較好的設(shè)施大棚，例如玻璃溫室、連棟溫室等。即利用自動化設(shè)施進行環(huán)境控制、實施智能化實時監(jiān)控、確定動態(tài)調(diào)控決策方案，通過對采取數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，合理及時地調(diào)控育苗大棚內(nèi)部光照強度、空氣濕度、溫度、CO2濃度、通風狀況、營養(yǎng)液供給等各種環(huán)境參數(shù)，并對施肥和灌溉實現(xiàn)動態(tài)決策與調(diào)控、及時處理數(shù)據(jù)信息和應(yīng)對緊急狀態(tài)等。

（2）種植環(huán)境全要素精準采集。物聯(lián)網(wǎng)在煙草種植規(guī)劃上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在，通過遍布于田間的大量的傳感器節(jié)點，將種植環(huán)境有關(guān)數(shù)據(jù)（如土壤養(yǎng)分、水分、空氣濕度、濕度、CO2濃度等）信息反饋回數(shù)據(jù)中也，與GIS（農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)）、ES（農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)）、GPS系統(tǒng)建立的地理空間數(shù)據(jù)相連接，進而建成了更加完善、具體和詳細的煙草生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)種植面積和輪作情況等數(shù)據(jù)庫。根據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫內(nèi)部煙草大面積生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)、種植面積、土壤數(shù)據(jù)、輪作情況等數(shù)據(jù)，針對不同地區(qū)和土壤類型，以及用戶的種植面積，因地因時制宜的提供煙草種植規(guī)劃和大面積生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)，對于建立以煙草為主要農(nóng)作物的耕作模式和優(yōu)化不同作物布局，最大限度地提高土地利用率和土地生產(chǎn)。

（3）精準灌溉。我國煙草種植區(qū)域中丘陵山地較多，地勢上的差異增大了灌溉難度，在大水漫灌下高地勢的養(yǎng)分和土壤隨水流失，造成高地勢地薄脫肥，低地勢貪青晚熟的惡性循環(huán)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和滴灌設(shè)備相結(jié)合是一種節(jié)水、高效的灌溉方式，適宜于各種地勢。根據(jù)煙草不同生長時期的根系深度，在田間不同空間位置、不同土壤深度埋置溫濕度傳感器，實時監(jiān)測煙田土壤墑情信息，利用遙感技術(shù)，監(jiān)測煙株含水量，安裝田間小氣象站預(yù)測降雨量，根據(jù)煙株大田需水模型，在控制系統(tǒng)分時期、分耕層設(shè)置閾值，結(jié)合傳感器的實測信息進行智能判斷與決策，通過滴灌管主管和支管上安裝的壓力計、流量計和控制閥進行自動灌溉，同時，根據(jù)傳感器的定位信息對煙田進行管理分區(qū)，實現(xiàn)精準、適時、適量、合理灌溉；也可與水肥一體化設(shè)備結(jié)合，從而實現(xiàn)因時、因地、因品種用水用肥的自動控制，提高水肥利用效率。

（4）精準施肥。在田間安裝農(nóng)情測報系統(tǒng)，融合土壤養(yǎng)分傳感器，實時、動態(tài)、準確、連續(xù)的監(jiān)測煙田生態(tài)環(huán)境信息和土壤養(yǎng)分信息，利用遙感技術(shù)（RS） 獲取煙株生理生態(tài)信息，并通過 GPS 獲取傳感器定位信息，構(gòu)建大田網(wǎng)關(guān)節(jié)點，集成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將信息遠程、快速、無損地傳輸至服務(wù)器終端，對海量數(shù)據(jù)進行融合、處理，根據(jù)煙草生長模型進行云計算，結(jié)合專家決策系統(tǒng)進行決策，利用GIS平臺生成決策處方圖，由服務(wù)器將決策信息發(fā)送至智能控制終端，實現(xiàn)煙草機械的智能調(diào)度，根據(jù)決策處方圖進行變量施肥，減少肥料浪費，降低農(nóng)業(yè)面源污染。該系統(tǒng)要求煙草器械本身也是一個智能控制體系，包括與大田一致的定位系統(tǒng)，兼容的信號傳輸系統(tǒng)，肥料施用量自動控制系統(tǒng)。

（5）農(nóng)情監(jiān)測。氣候、病蟲害嚴重威脅著我國煙草生產(chǎn)，是制約煙葉產(chǎn)量和經(jīng)濟價值的重要因子[6]，氣候及煙草病蟲害的早期預(yù)報在煙葉種植過程中顯得至關(guān)重要，部署氣象、墑情、蟲情監(jiān)測站，利用傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，及時掌握生產(chǎn)環(huán)境信息和病蟲害發(fā)生情況，為生產(chǎn)決策提供量化依據(jù)。并通過無線通信方式部署虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以隨時識別病蟲害相關(guān)信息。

（6）智能烘烤。智能烤房群可以讓烘烤師實時監(jiān)測多個烤房的情況，目前我國烘烤房已經(jīng)從傳統(tǒng)燃煤烤房向新能源烤房過渡，新能源烤房更方便人為精準控制，也更利于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。同時烤房群均配備基于通信網(wǎng)絡(luò)的烘烤智能監(jiān)測設(shè)備，對烘烤溫度，煙葉溫濕度等要素進行準確監(jiān)控，為科學(xué)烘烤提供量化依據(jù)，在專家知識庫的基礎(chǔ)上構(gòu)建智能烘烤模型及煙草烘烤曲線，為煙葉烘烤師提供輔助性決策。將多個烤房群數(shù)據(jù)進行互聯(lián)，統(tǒng)一采集，在云平臺上可以實現(xiàn)同時監(jiān)測和控制。

4.2 煙草工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)方面主要應(yīng)用卷接工藝、產(chǎn)品包裝、倉儲管理等方面，下面我將展開討論研究。

（1） 卷接工藝。卷接機組是卷煙工業(yè)企業(yè)用于生產(chǎn)過濾嘴卷煙的專用設(shè)備，卷煙機、濾嘴接裝機以及煙支裝盤機聯(lián)合組成卷接機。我國目前已自主推出各種型號的高速、高質(zhì)、高效卷接機并融入了如變頻調(diào)速、光電檢測、質(zhì)量控制、積木化結(jié)構(gòu)設(shè)計、視頻顯示等先進技術(shù)應(yīng)用，發(fā)展迅速、水平先進?，F(xiàn)代卷接機不但在設(shè)計和原理上進行了重大改進，而且通過運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配備了完整的煙支重量、煙支漏氣、煙支空頭等檢測系統(tǒng)，甚至還配備了光學(xué)在線煙支檢查系統(tǒng)，可檢測并剔除有污垢、油漬和孔洞的煙支。同時卷接機采用了微機監(jiān)控與操作系統(tǒng)，可方便地進行人機對話，具有故障顯示、采集和累計生產(chǎn)數(shù)據(jù)等功能。與過去的煙草設(shè)備相比，高技術(shù)含量設(shè)備確保煙草商品質(zhì)量，降低了煙支卷制過程中原料成本，大幅度提離了煙支卷制生產(chǎn)效率。

（2）產(chǎn)品包裝。產(chǎn)品包裝是卷煙生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)深入應(yīng)用。目前國內(nèi)自主研發(fā)的包裝機運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅將實現(xiàn)了運行全數(shù)據(jù)遠程采集和分析等功能，開發(fā)了生產(chǎn)過程實時檢測，機器故障遠程診斷等系統(tǒng)。極大地推動了包裝機高速度、高質(zhì)量、高可靠性、高靈活性、智能化發(fā)展，生產(chǎn)產(chǎn)品各項指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，經(jīng)濟指標也達到了國際先進水平。

（3）倉儲管理。在倉儲管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效解決卷煙出庫、入庫、存放、盤點過程中的識別問題，將卷煙和托盤上的RFID電子標簽進行關(guān)聯(lián)，同時叉車上的RFID讀取機，對整盤卷煙的識別，提高物流作業(yè)效率，也減少因搬運而導(dǎo)致的損壞。此外，通過與倉儲管理系統(tǒng)的結(jié)合，可實現(xiàn)托盤貨位管理和卷煙的批次管理，當卷煙入庫時，系統(tǒng)自動記錄其入庫時間、存放貨位等信息，當卷煙出庫時，系統(tǒng)會自動按照進貨時間實現(xiàn)卷煙的先進先出庫存管理，從而實現(xiàn)對卷煙從入庫開始的自動識別、定位、輸送、存儲、出庫等全部作業(yè)過程的可視化管理，提升煙草倉庫的自動化管理水平。對存庫的煙草成品運用溫濕度傳感器、RFID和GIS等可實時監(jiān)控煙草成品動態(tài)，防止儲存過程中出現(xiàn)霉變等質(zhì)量問題。其中智能倉儲管理系統(tǒng)能同時提供強大的上架、補貨、揀選、波次和盤點策略，最大限度地保障儲存物品的準確無誤；當倉庫接到作業(yè)指令后，系統(tǒng)將自動生成執(zhí)行方案；系統(tǒng)在滿足不同客戶收發(fā)貨要求的基礎(chǔ)上，對倉庫作業(yè)動線進行優(yōu)化，減少叉車和作業(yè)人員工作量，解決作業(yè)過程中遇到的難題，優(yōu)化庫存貨物布局，最大限度地發(fā)揮倉庫的儲存能力，同時又能保證各項作業(yè)井然有序地進行；應(yīng)用庫存日志，完整記錄每一個系統(tǒng)動作、作業(yè)環(huán)節(jié)和庫存動態(tài)變化情況，在倉儲管理過程中出現(xiàn)問題是能夠找出原因，從而有利于整個倉儲系統(tǒng)的建設(shè)和完善。

5 結(jié)束語

目前，在煙草行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)形成了從建設(shè)煙葉種植基地單元，規(guī)?；療熑~生產(chǎn)到煙葉收購、打葉復(fù)烤、輔料生產(chǎn)、設(shè)備制造、卷煙生產(chǎn)、市場營銷、物流配送等系列完整成熟的煙草縱向產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了利用縱向產(chǎn)業(yè)鏈控制卷煙產(chǎn)品的原料種植—加工—包裝—銷售等環(huán)節(jié)，保證了煙草制品的產(chǎn)品質(zhì)量安全，通過品牌建設(shè)和完善的營銷推廣體系提供多元化卷煙消費服務(wù)，極大地提升了產(chǎn)品價值，有效滿足了消費者不同程度的卷煙消費需求。

通過對物聯(lián)網(wǎng)在煙草農(nóng)業(yè)以及工業(yè)的研究發(fā)現(xiàn)，目前更應(yīng)該站在全產(chǎn)業(yè)鏈的角度將煙草各個行業(yè)協(xié)同發(fā)展，這也符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。在整個煙草物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中做到標準化、規(guī)范化。同時，有針對性地對煙草行業(yè)的生產(chǎn)模式和運營管理進行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將技術(shù)的研發(fā)和運用放置于真實的生產(chǎn)場景之中，以此實現(xiàn)煙草農(nóng)業(yè)和煙草工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化建設(shè)。最后為使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)和工業(yè)得到更好的應(yīng)用和發(fā)展，本文提出了以下三點發(fā)展建議。

第一，要借助煙草物聯(lián)網(wǎng)提升數(shù)據(jù)資源管理能力，數(shù)據(jù)采集管理是煙草數(shù)據(jù)資源管理的基礎(chǔ)，借助物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集平臺，研制行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標準，提高采集軟件的復(fù)用率，規(guī)范統(tǒng)一源數(shù)據(jù)標識，形成清潔有效的數(shù)據(jù)池，是做好數(shù)據(jù)采集管理的有效途徑。

第二，要加速實現(xiàn)煙草全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，通過建立煙草行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析體系，提供統(tǒng)一的編碼標識服務(wù)、標識解析服務(wù)和標識數(shù)據(jù)共享服務(wù)，為煙草產(chǎn)業(yè)鏈各企業(yè)、各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通提供基礎(chǔ)支撐。

第三，要加速推進物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)的融合，針對煙草行業(yè)各環(huán)節(jié)的實際痛點和需求，從實際的應(yīng)用場景出發(fā)，整合分散資源，搭建統(tǒng)一的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺。開發(fā)各類智能化應(yīng)用。推動行業(yè)整體高質(zhì)量、數(shù)字化、智能化發(fā)展。