基于數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備的青貯飼料可追溯系統(tǒng)

　　摘 要：為了實(shí)現(xiàn)青貯飼料生產(chǎn)全過(guò)程信息化可追溯，本文研制了基于數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備的移動(dòng)式物聯(lián)網(wǎng)信息采集終端和基于 ZigBee 的青貯窖信息監(jiān)測(cè)終端，利用多傳感器采集了種植過(guò)程播種量、施肥量、施藥量、植物生長(zhǎng)量;貯制過(guò)程溫濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度、pH 值，并將雙終端植于青貯飼料可追溯平臺(tái)底層，結(jié)合 HACCP 體系實(shí)現(xiàn)青貯飼料從種植地到青貯窖內(nèi)發(fā)酵信息的全過(guò)程信息化采集與監(jiān)測(cè)預(yù)警。該平臺(tái)基于 B/S 架構(gòu)開(kāi)發(fā)，采用 JAVA 語(yǔ)言在.NET 框架上開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQL Server 2016，服務(wù)器采用的是阿里云 2 核 4G 和騰訊云 2 核 4G。使用二維碼做為標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)了青貯飼料生產(chǎn)供應(yīng)鏈上全過(guò)程信息可追溯，同時(shí)系統(tǒng)具有質(zhì)量安全預(yù)警機(jī)制，確保青貯飼料安全可靠。在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)下開(kāi)發(fā)了基于微信小程序的追溯平臺(tái)，拓展了消費(fèi)者溯源途徑。系統(tǒng)試驗(yàn)于吉林省某青貯飼料生產(chǎn)企業(yè)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效采集青貯玉米種植過(guò)程信息和青貯窖內(nèi)貯制信息，物料損失率降至 8%-10%。

　　王國(guó)偉; 朱慶輝; 于海業(yè); 黃東巖， 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-20

　　關(guān)鍵詞;農(nóng)業(yè)工程;溯源系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;青貯飼料;傳感器

　　0 引言

　　青貯玉米是重要基礎(chǔ)粗飼料之一。世界各國(guó)都把青貯飼料作為飼養(yǎng)奶牛、肉牛、肉羊必備的一種飼料來(lái)源[1]。目前青貯玉米秸稈飼料在奶牛、肉牛、肉羊等反芻動(dòng)物養(yǎng)殖生產(chǎn)中占據(jù)主要作用，根據(jù)我國(guó)牛羊肉生產(chǎn)發(fā)展的要求，畜群規(guī)模還有增容的空間，而且粗放生產(chǎn)向集約化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的轉(zhuǎn)變，均需要優(yōu)質(zhì)青貯飼料的支撐[2-4]。青貯飼料品質(zhì)受青貯玉米種植、青貯窖內(nèi)調(diào)制和青貯過(guò)程的科學(xué)性等多種因素影響，監(jiān)控青貯飼料關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)保證青貯質(zhì)量、降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失、杜絕有害微生物污染、提高青貯飼料生產(chǎn)水平有重要意義[5-6]。

　　歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在青貯飼料種植、加工方面已經(jīng)形成了系列成套產(chǎn)品，基本實(shí)現(xiàn)全程信息化、機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)。農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)發(fā)展較早并已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮作用，目前已建立起相對(duì)比較完善、涵蓋面廣、具有統(tǒng)一性的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)[7-8]。國(guó)內(nèi)追溯體系建設(shè)至今還未出現(xiàn)公共型的服務(wù)平臺(tái)，無(wú)法真正為廣大消費(fèi)者服務(wù)[9-10]。大量的研究仍停留在追溯系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面，大部分?jǐn)?shù)據(jù)由人工輸入，追溯結(jié)果過(guò)于主觀無(wú)法判定質(zhì)量是否安全，企業(yè)應(yīng)用追溯系統(tǒng)時(shí)投入大、成本高導(dǎo)致難以推廣，而同時(shí)消費(fèi)者對(duì)飼料安全的信任度下滑問(wèn)題亟待解決。現(xiàn)有研究對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合青貯飼料追溯較少。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本研究采用感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、二維碼技術(shù)及識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)了青貯玉米秸稈飼料質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)，采用多傳感器監(jiān)測(cè)青貯飼料種植區(qū)域全過(guò)程及青貯窖調(diào)制狀態(tài)，保證青貯飼料生產(chǎn)全過(guò)程追蹤可溯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)青貯飼料種植、生產(chǎn)全過(guò)程的信息化采集和質(zhì)量追溯管理、生產(chǎn)檔案管理、質(zhì)量安全預(yù)警功能、基于 B/S 模式結(jié)構(gòu)體系和手機(jī)短信平臺(tái)的質(zhì)量安全溯源等功能。

　　1 系統(tǒng)的總體框架

　　1.1 青貯玉米秸稈飼料流程分析

　　青貯玉米秸稈飼料流程如表 1 所示，其生產(chǎn)全過(guò)程主要可分為 4 部分。1)種子的選?。和ㄟ^(guò)評(píng)定種子供應(yīng)商的建廠(chǎng)規(guī)模及種子品質(zhì)，設(shè)定供應(yīng)商級(jí)別，并把種子型號(hào)及詳細(xì)信息記錄在系統(tǒng)里。2)種植過(guò)程：利用傳感器結(jié)合數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備自動(dòng)記錄種植時(shí)間、地點(diǎn)環(huán)境，田間信息，收獲時(shí)間、產(chǎn)量。 3)青貯過(guò)程：在適宜成熟度刈割，葉片含水率在 60%-70%，切碎，加入添加劑，壓實(shí)，密封貯存。監(jiān)測(cè)青貯窖內(nèi)溫濕度、氧氣濃度、pH 值等信息。4)檢驗(yàn):委托第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)青貯飼料進(jìn)行檢驗(yàn)，生成檢驗(yàn)報(bào)告。

　　1.2 青貯玉米秸稈飼料質(zhì)量安全 HACCP 分析

　　如果對(duì)青貯玉米秸稈飼料生產(chǎn)所有信息進(jìn)行采集，無(wú)疑會(huì)造成大量資源浪費(fèi)，而且會(huì)造成數(shù)據(jù)繁雜，關(guān)鍵信息追溯不夠醒目，所以本文采用 HACCP 分析如表 2，通過(guò)分析綜合確定了關(guān)鍵溯源點(diǎn)，分別為：種植地的播種量監(jiān)測(cè)、施肥量監(jiān)測(cè)、噴藥量、植物生長(zhǎng)量;青貯窖的青貯玉米秸稈的 pH 值、溫濕度、二氧化碳濃度，氧氣濃度[11]。

　　1.3 總體框架

　　基于數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備的青貯飼料可追溯系統(tǒng)主要由五層架構(gòu)組成。如圖 1 所示分別為傳感器層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶(hù)層。傳感器層主要是各類(lèi)傳感器采集農(nóng)機(jī)裝備田間作業(yè)參數(shù)和青貯過(guò)程中的關(guān)鍵信息;數(shù)據(jù)層把所有數(shù)據(jù)分門(mén)別類(lèi)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，集成最終的溯源信息;服務(wù)層保證數(shù)據(jù)的同步及服務(wù)的質(zhì)量;應(yīng)用層負(fù)責(zé)各類(lèi)產(chǎn)品的溯源及管理;用戶(hù)層則提供用戶(hù)可借助訪(fǎng)問(wèn)溯源系統(tǒng)的方式[12]。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 產(chǎn)地環(huán)境信息自動(dòng)獲取

　　產(chǎn)地環(huán)境信息是追溯系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，也是衡量青貯飼料質(zhì)量的根本依據(jù)，主要由土壤重金屬含量、灌溉水質(zhì)、年平均溫濕度等可量化信息組成[13]。現(xiàn)在的多數(shù)追溯無(wú)法提供具體化的指標(biāo)，導(dǎo)致追溯深度不高。本系統(tǒng)擴(kuò)展移動(dòng)位置服務(wù) LBS (location based service)技術(shù)于青貯玉米質(zhì)量信息之中，借助政府相關(guān)部門(mén)對(duì)所轄地區(qū)定點(diǎn)采集和更新環(huán)境數(shù)據(jù)，使青貯玉米產(chǎn)地環(huán)境數(shù)據(jù)可視化，且能達(dá)到數(shù)據(jù)持續(xù)更新。

　　在青貯飼料溯源時(shí)，首先通過(guò)移動(dòng)端定位服務(wù)獲取飼料產(chǎn)地地理信息，然后借助高德地圖 API 口獲取其所屬空間信息，并結(jié)合生產(chǎn)批次獲取當(dāng)時(shí)的產(chǎn)地環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)追溯深度的提高。

　　2.2 基于數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備的青貯玉米種植過(guò)程監(jiān)管

　　底層數(shù)據(jù)有效性直接決定了溯源結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此本研究采取的方案是利用數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備自動(dòng)監(jiān)管青貯玉米飼料生產(chǎn)全過(guò)程，為保證追溯系統(tǒng)的深度，設(shè)計(jì)兩種采集終端，一者為青貯玉米種植地移動(dòng)式監(jiān)測(cè)終端，便于擴(kuò)展和維護(hù);二者為青貯窖內(nèi)集中式監(jiān)測(cè)終端，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和傳輸。

　　2.2.1 青貯玉米種植地移動(dòng)式監(jiān)測(cè)終端總體架構(gòu)

　　如圖 2 所示，青貯玉米種植地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、GPS 移動(dòng)站、GPS 基準(zhǔn)站、4G DTU 模塊和服務(wù)器等部分組成。其中，主控單元由 STM32F103ZET6 及外圍電路組成;傳感器數(shù)據(jù)采集單元包括排種器監(jiān)測(cè)傳感器、速度傳感器、排肥監(jiān)測(cè)傳感器、流量傳感器、稱(chēng)重傳感器; GPS 基準(zhǔn)站包括 GPS 接受器、4G DTU 模塊 2 和單片機(jī) STC12C5A60S2。STM32F103ZET6 作為主控單元的微控制器，具有處理速度快、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信息處理及轉(zhuǎn)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的有效傳輸，采用 4G DTU 模塊作為數(shù)據(jù)傳輸模塊。4G DTU 模塊是一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，提供 4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和 TCP/IP 數(shù)據(jù)通信的功能，具備串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換，支持自動(dòng)心跳和參數(shù)設(shè)置，比傳統(tǒng)的有線(xiàn)傳輸和 GPRS 傳輸有更多優(yōu)勢(shì)[14]。在相應(yīng)階段數(shù)據(jù)采集單元的傳感器各不相同。差分改正量信息是通過(guò) GPS 基準(zhǔn)站中的 GPRS DTU 模塊 2 與 GPRS DTU 模塊 1 之間的通信傳遞到主控制單元的，并由主控制單元進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　2.2.2 青貯玉米種植地網(wǎng)格劃分

　　利用數(shù)字化農(nóng)機(jī)設(shè)備獲取青貯玉米種植過(guò)程信息，需要對(duì)種植地進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其基本思想是選擇一個(gè)地塊邊界的基準(zhǔn)點(diǎn)，其經(jīng)緯度需要記錄，再分別選取兩個(gè)不同方向的標(biāo)記點(diǎn)，同樣記錄經(jīng)緯度，通過(guò)程序可自動(dòng)測(cè)量出基準(zhǔn)點(diǎn)到標(biāo)記點(diǎn)的距離，并將 其 分 成等 距 離 的分 段 ， 通常 將 地 塊其 分 成 10m×10m 分段，如圖 3 所示，得到包括網(wǎng)格邊界圖以及采樣點(diǎn)在內(nèi)的所有點(diǎn)集，最后應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行最終的連線(xiàn)和去除，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分目的。在網(wǎng)格劃分中拓?fù)潢P(guān)系的交、并、差、異或等操作起到?jīng)Q定作用，將整個(gè)地塊信息進(jìn)行劃分，并組合成一個(gè)個(gè)的網(wǎng)格信息，這樣既有經(jīng)緯度的支持，方便數(shù)字化農(nóng)機(jī)設(shè)備的精準(zhǔn)作業(yè)，又可以完成網(wǎng)格的劃分，便于采樣和分析青貯玉米種植過(guò)程中播種量、施肥量和噴藥量等信息。采用美國(guó) Trimble 公司的 Ag GPS差分GPS基準(zhǔn)站和接收機(jī)進(jìn)行采樣點(diǎn)的地理信息獲取與數(shù)字化農(nóng)機(jī)設(shè)備行進(jìn)的位置情況，其精度達(dá)到亞米級(jí)。

　　2.2.3 青貯玉米種植區(qū)域試驗(yàn)

　　為了獲取網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的青貯玉米種植質(zhì)量信息并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理，于 2020 年 4 月及 5 月在吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)龍嘉鎮(zhèn)(E125º50'，N44º08') 進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)田地土壤為黑鈣土，在 0～6cm 的平均含水率為 19.7%，各處土壤堅(jiān)實(shí)度不一致，平均堅(jiān)實(shí)度 3.3kg/cm2。播種試驗(yàn)階段將系統(tǒng)安裝在吉林康達(dá)2BMZF-2X型免耕播種機(jī)上，排種器播種時(shí)，種子受到重力與安裝在緩沖擋板上的 PVDF (polyvinylidene fluoride，聚偏二氟乙烯)壓電傳感器碰撞[14]，產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷，經(jīng)過(guò)濾波和放大電路經(jīng)串口被播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行空氣彈簧的充放氣，實(shí)現(xiàn)播深自動(dòng)調(diào)控，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)信息及無(wú)線(xiàn)傳輸。施肥階段使用 CY12-02PK 型轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)排肥軸轉(zhuǎn)速計(jì)算施肥量。噴藥試驗(yàn)階段，將系統(tǒng)裝配在久保田 M954 農(nóng)業(yè)裝備上，噴藥機(jī)工作時(shí)，攝像頭采集灰度化圖像信息，變量噴藥監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)進(jìn)行分割算法處理后與設(shè)定的噴藥檔位匹配從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥過(guò)程，霍爾流量傳感器獲取實(shí)際施藥量，液位傳感器監(jiān)測(cè)藥箱剩余藥液量。收獲階段使用 JHBM-H1 型稱(chēng)重傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)格內(nèi)青貯玉米收獲量，利用 GPS 接收器實(shí)現(xiàn)種植質(zhì)量信息位置的精確定位。

　　2.2.4 青貯玉米種植地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面

　　如圖 6 所示為青貯玉米播種質(zhì)量、施肥質(zhì)量、植物生長(zhǎng)量子系統(tǒng)，顯示所監(jiān)測(cè)網(wǎng)格區(qū)域的播種、施肥、收獲量狀況信息圖。種植地塊被劃分為若干網(wǎng)格，在劃分好的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的重播率和漏播率，結(jié)果與監(jiān)測(cè)人員設(shè)置的數(shù)值相比較。假如出現(xiàn)某個(gè)網(wǎng)格計(jì)算的漏播率和重播率不在監(jiān)控人員設(shè)置范圍，則該網(wǎng)格顯示紅色以代表重播率超標(biāo)，顯示黃色以代表漏播率超標(biāo)。當(dāng)兩項(xiàng)指標(biāo)都不在設(shè)定值范圍，則用最小網(wǎng)格的相應(yīng)比例填充該網(wǎng)格;否則，用綠色填充該網(wǎng)格區(qū)域以表示播種合理。在設(shè)定范圍網(wǎng)格內(nèi)，施肥實(shí)際量與施肥處方圖相比較，其誤差再與監(jiān)測(cè)人員設(shè)定值作比較，以不同顏色填充不同情況。計(jì)算每一網(wǎng)格的收獲量，以不同顏色代表不同產(chǎn)量。如此更方便人員監(jiān)控種植地關(guān)鍵信息，用戶(hù)依需可以設(shè)定播種網(wǎng)格大小。

　　2.3 青貯窖環(huán)節(jié)的信息采集

　　2.3.1 青貯窖內(nèi)可追溯系統(tǒng)架構(gòu)

　　收割完成的青貯玉米秸稈根據(jù)不同網(wǎng)格的信息而分成不同檔次，之后在各檔次的青貯窖進(jìn)行混料及窖貯，此過(guò)程是其轉(zhuǎn)化為飼料的關(guān)鍵部分。在封閉條件下，利用乳酸菌發(fā)酵作用，積累乳酸到一定程度，抑制自身及腐敗細(xì)菌的生長(zhǎng)，使秸稈更具適口性，從而形成高品質(zhì)青貯飼料[15]。由于測(cè)量點(diǎn)的分布較密集且環(huán)境相對(duì)惡劣[16]，采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更為合適。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)青貯窖的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)青貯窖環(huán)境信息的采集、無(wú)線(xiàn)傳輸、收集與處理。若干傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集青貯物關(guān)鍵信息的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)置 1 個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與之進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊并接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量，實(shí)時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則將這些數(shù)據(jù)與 4G DTU 模塊進(jìn)行交互，此模塊比 GPRS 模塊傳輸效率更快，且能傳輸實(shí)時(shí)視頻、音頻，通過(guò) Internet 由數(shù)據(jù)中心接收，最終數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。整個(gè)系統(tǒng)由 3 部分組成，分別為節(jié)點(diǎn)層、傳輸層、信息管理層。

　　每 個(gè) 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 包 括 一 片 微 控 制 器 STM32F103ZET6，一個(gè)帶有天線(xiàn)的 433 模塊，多傳感器，一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器芯片，一個(gè)時(shí)鐘芯片和一個(gè)電池電源。CC1110 作為 433 模塊的核心芯片，配有天線(xiàn)，由于其維護(hù)成本低、功耗低、移動(dòng)性高、傳輸性能高，比傳統(tǒng)的有線(xiàn)傳輸有很多優(yōu)勢(shì)。節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的精確測(cè)量。在基于 ZigBee 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，結(jié)合第一節(jié)提出的關(guān)鍵信息點(diǎn)，選用德國(guó) BlueLine21 型 pH 值傳感器，測(cè)量范圍：2-13，精度：±0.3;日本費(fèi)加羅公司的 KE-25 型氧氣傳感器，測(cè)量范圍： 0-100%VOL，精度：±1%，工作溫度為 5-40℃;芬蘭 VAISALA 的 GMM221 二氧化碳傳感器測(cè)量范圍：0-20%VOL，精度：±1.5%，具備 IP65 級(jí)防護(hù);中國(guó)樂(lè)享的 AM2305A 型溫濕度傳感器測(cè)量范圍： -40-125℃，精度：±0.3℃，濕度范圍：0-99.9%RH，精度：±2%。傳感器節(jié)點(diǎn)供電方式由開(kāi)關(guān)電源提供直流 5-24V 電壓，其中 KE-25 氧氣傳感器無(wú)需外接電源。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是微控制器、帶天線(xiàn)的 433 模塊、 4G 模塊和電池電源的集成。其主要功能是接收由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境信息，并且將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由 RS485 串口通信實(shí)時(shí)傳送給 4G DTU 模塊。與傳感器節(jié)點(diǎn)相比，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無(wú)需搭載傳感器，但是需要加入無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。整個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自行供電。

　　系統(tǒng)應(yīng)用 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)采集發(fā)送，而數(shù)據(jù)通過(guò) 4G 通訊方式發(fā)送至云平臺(tái)[17]。選用山東濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)公司的USR G-770 4G 模塊作為系統(tǒng)的 4G 傳輸模塊。由數(shù)據(jù)接收的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流程為：(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的串口模塊)協(xié)調(diào)器串口數(shù)據(jù)→ (4G DTU 模塊)IP MODEM 串口→IP MODEM TCP/IP 協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 TCP/IP 封裝→發(fā)送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)→無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到 INTERNET→INTERNET 發(fā)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。使用時(shí)將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與 4G DTU 模塊用串口線(xiàn)進(jìn)行連接，然后對(duì) 4G DTU 模塊進(jìn)行供電即可。信息管理層主要包括監(jiān)管人員、技術(shù)人員、移動(dòng)客戶(hù)端、計(jì)算機(jī)客戶(hù)端和云數(shù)據(jù)中心。

　　2.3.2 青貯飼料貯制關(guān)鍵信息采集及分析

　　青貯窖長(zhǎng) 30 米、寬 9 米、高 3 米。其中裝填青貯飼料時(shí)，每一層都需履帶拖拉機(jī)壓實(shí)，一則避免外部空氣延長(zhǎng)青貯有氧階段，影響干物質(zhì)的損失，二則在青貯窖開(kāi)蓋期間，一定程度上防止空氣對(duì)飼料內(nèi)部的入侵。在青貯物下 10cm 均勻埋藏 27 個(gè)傳感器節(jié)以滿(mǎn)足測(cè)量要求，每一組數(shù)據(jù)均是其平均值。

　　在窖內(nèi)，如圖 8、9 所示，玉米秸稈經(jīng)好氧細(xì)菌有氧呼吸階段、乳酸菌發(fā)酵階段、穩(wěn)定階段貯制成青貯飼料。在第一階段，氧氣迅速消耗，二氧化碳卻沒(méi)有大幅度，pH 值下降不明顯，溫濕度均有所增加;第二階段氧氣消耗為零且保持厭氧環(huán)境，二氧化碳產(chǎn)生量是第一階段的 3~6，pH 值迅速下降至 3.8，溫濕度均增加，第三階段，各因素都達(dá)到一種平衡。

　　2.4 基于物聯(lián)網(wǎng)的 QR 二維碼的青貯信息傳遞

　　2.4.1 青貯飼料塊的編碼

　　標(biāo)識(shí)包括地塊標(biāo)識(shí)、種植地產(chǎn)地企業(yè)標(biāo)識(shí)、窖藏位置、青貯飼料加工企業(yè)標(biāo)識(shí)、人員標(biāo)識(shí)及質(zhì)量合格標(biāo)識(shí)，參考全球編碼 EAN/UCC-13 編碼中 7-10 為廠(chǎng)商標(biāo)識(shí)的規(guī)定[18]，定義青貯飼料追溯碼為 12 位，定義種植地企業(yè)編碼前兩位為種植地塊標(biāo)識(shí)，自定義青貯飼料加工企業(yè)標(biāo)識(shí)為監(jiān)管部門(mén)代碼為第三四位，窖藏位置為五六位，青貯飼料加工標(biāo)識(shí)位為七至九位，人員信息位為第十、十一位，質(zhì)量合格標(biāo)識(shí)為第十二位。以吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)龍嘉鎮(zhèn)基地生產(chǎn)的青貯飼料為例，如圖 10 所示。

　　2.4.2 青貯飼料溯源 QR 碼

　　可追溯監(jiān)管平臺(tái)信息流包括記錄在種植地的信息及青貯飼料生產(chǎn)鏈上的數(shù)據(jù)。因?yàn)?QR 二維碼能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量信息[19]，最多可存儲(chǔ) 1800 個(gè)漢字字符，具備易用性、可靠性、低成本，且滿(mǎn)足本文研究的追溯系統(tǒng)的需要，追溯設(shè)備種類(lèi)繁多且相對(duì)普遍。在管理系統(tǒng)上收集到滿(mǎn)足條件的產(chǎn)地環(huán)境信息、種植環(huán)節(jié)關(guān)鍵信息及青貯窖內(nèi)發(fā)酵信息，用 JAVA 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，采取谷歌開(kāi)發(fā)的架包 ZXing 編寫(xiě)二維碼生成腳本，自動(dòng)生成二維碼，外接打印機(jī)。不同設(shè)備直接掃描二維碼獲取溯源信息，或在網(wǎng)站上輸入唯一標(biāo)識(shí) ID，得到溯源信息。

　　2.5 基于微信的小程序追溯

　　首先在微信開(kāi)發(fā)者平臺(tái)申請(qǐng)一個(gè) AppID，然后申請(qǐng)一個(gè)“吉放心青貯追溯”小程序，設(shè)置小程序詳情如圖 11 所示。在設(shè)計(jì)中采取 Flex 布局，配置 wxml、wxss、JavaScript 文件。小程序的全部信息應(yīng)與一維碼、二維碼獲取的完全一致，所以調(diào)取同一的溯源數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

　　2.6 質(zhì)量安全報(bào)警

　　2.6.1 終端報(bào)警

　　在種植過(guò)程和青貯過(guò)程都設(shè)有傳感器進(jìn)行報(bào)警提示。播種和施肥、施藥過(guò)程，報(bào)警器安裝在駕駛室，由播種和施肥信息通過(guò)串口與中心處理器 STM32 進(jìn)行信息傳遞，后者進(jìn)行分析、計(jì)算、顯示，如有問(wèn)題將引發(fā)報(bào)警器聲光報(bào)警。

　　2.6.2 服務(wù)器端報(bào)警

　　報(bào)警子系統(tǒng)的是采用加權(quán)平均法和層次分析法建立的，形成預(yù)警信息優(yōu)先級(jí)排列。質(zhì)量安全信息報(bào)警，每一級(jí)別的報(bào)警對(duì)應(yīng)不同的反應(yīng)。系統(tǒng)通過(guò)短信和公眾號(hào)的方式推送報(bào)警信息。

　　3 試驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 硬件部署

　　于 2020 年 4-12 月在吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為玉米種類(lèi)強(qiáng)盛青貯 30。試驗(yàn)前，將各類(lèi)傳感器布置在數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備和青貯窖內(nèi)，并采用兩臺(tái)阿里云服務(wù)器和兩臺(tái)騰訊云服務(wù)器，其中一半用于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器運(yùn)行，一半用于備份災(zāi)難服務(wù)器。

　　3.2 軟件部署

　　本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采取的是 B/S 結(jié)構(gòu)，框架使用 J2EE中的 SpringMVC 模式，采用阿里云服務(wù)器 2 核 4G，微信追溯采取的是騰訊云服務(wù)器 2 核 4G，采用 Microsoft SQL Server 2016 建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用流行的 B/S 架構(gòu)[20]，具體功能通過(guò)統(tǒng)一訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)、基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，可由多用戶(hù)點(diǎn)擊訪(fǎng)問(wèn),如圖 12 所示。采取 MVC 模式創(chuàng)建電腦端可追溯平臺(tái)，使用 Asp.Net 開(kāi)發(fā)架構(gòu)，選擇 SQL Server2016 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，便于模塊化開(kāi)發(fā)，溯源數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采取 XML，便于數(shù)據(jù)的交換和傳輸，采用 SOAP 協(xié)議進(jìn)行信息包的封裝和數(shù)據(jù)路由，支持 Web 服務(wù)且便于擴(kuò)展。

　　系統(tǒng)開(kāi)始于種植地環(huán)境參數(shù)的采集，其中產(chǎn)地環(huán)境來(lái)是利用 GIS 國(guó)家地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)提供的 Web API 接口和 GPS 基準(zhǔn)站獲取地理信息，使用多傳感器獲取關(guān)鍵信息，采用 4G DTU 模塊，把信息分別經(jīng)過(guò) ADO 技術(shù)、JDBC 技術(shù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)里，玉米秸稈經(jīng)分級(jí)、運(yùn)輸及一系列處理，到達(dá)不同青貯窖處，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集窖貯關(guān)鍵信息。系統(tǒng)軟件開(kāi)始于青貯企業(yè)的認(rèn)證，后臺(tái)管理審核成功后，創(chuàng)建四個(gè)模板數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)短信或微信公眾號(hào)告知企業(yè)申請(qǐng)人成功信息，企業(yè)用自己設(shè)定的賬號(hào)及密碼登錄企業(yè)管理系統(tǒng)子系統(tǒng)，在企業(yè)管理平臺(tái)上，企業(yè)管理人員(種植地和青貯加工處理是一家公司)將企業(yè)品牌、部門(mén)、崗位、種子品種、化肥、農(nóng)藥信息、人員信息等錄入基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)多種傳感器把種植地信息和報(bào)警信息定時(shí)傳遞到種植地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)組把青貯窖內(nèi)信息傳遞給青貯窖數(shù)據(jù)庫(kù)，為監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行各方面統(tǒng)計(jì)和追溯系統(tǒng)溯源準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從青貯物達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)青貯飼料后，由企業(yè)出具產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行核驗(yàn)，合格后，進(jìn)行銷(xiāo)售。為方便生產(chǎn)企業(yè)減少損失和提高飼料品質(zhì)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，得到實(shí)現(xiàn)了對(duì)種植地環(huán)境參數(shù)、種植過(guò)程數(shù)據(jù)和青貯加工過(guò)程的質(zhì)量安全預(yù)警。其中溯源二維碼信息根據(jù)溯源數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)，記錄有產(chǎn)地環(huán)境，生長(zhǎng)檔案(播種施肥施藥)，青貯飼料品質(zhì)等數(shù)據(jù)。如果種植地、生產(chǎn)過(guò)程、青貯飼料品質(zhì)任何一信息缺失，無(wú)法生成追溯二維碼。當(dāng)條件都具備時(shí)，利用 ZXing 中 core 和 javase 架包寫(xiě)生的 Java 程序生成，并利用 Ajax技術(shù)[20]打印出90 mm×90 mm的追溯二維碼貼于成捆 60 cm×60 cm 的青貯飼料上。消費(fèi)者飼料后可通過(guò)追溯二維碼登錄網(wǎng)站獲得青貯飼料生產(chǎn)全過(guò)程，并對(duì)產(chǎn)品提供售后評(píng)價(jià)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析是提高系統(tǒng)性能的重要部分?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，表 3 為企業(yè)管理者、工人及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)青貯玉米秸稈飼料可追溯系統(tǒng)性能分析。

　　4 結(jié) 論

　　本文通過(guò)拓展 HACCP 原理、數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備和基于 ZigBee 的青貯窖監(jiān)測(cè)終端，建設(shè)了一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)、追溯精度高的青貯飼料追溯系統(tǒng)。

　　(1)與傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)相比，本文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)字化農(nóng)機(jī)裝備田間作業(yè)信息，為秸稈飼料生產(chǎn)大數(shù)據(jù)解決方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有力確保了追溯系統(tǒng)的深度和追確度。

　　(2)系統(tǒng)試驗(yàn)表明，雙采集終端有效采集青貯生產(chǎn)全過(guò)程全面關(guān)鍵信息，青貯飼料營(yíng)養(yǎng)損失率降至 8%-10%?？勺匪菹到y(tǒng)將人工輸入的定性輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞑杉亩枯斎耄岣吡俗匪菪畔⒌目茖W(xué)性，微信小程序追溯拓寬了追溯途徑，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為需要采取有效的主動(dòng)措施提供了雙預(yù)警和解決方案，提高了消費(fèi)者信任度。