基于數字化農機裝備的青貯飼料可追溯系統

　　摘 要：為了實現青貯飼料生產全過程信息化可追溯，本文研制了基于數字化農機裝備的移動式物聯網信息采集終端和基于 ZigBee 的青貯窖信息監測終端，利用多傳感器采集了種植過程播種量、施肥量、施藥量、植物生長量;貯制過程溫濕度、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底層，結合 HACCP 體系實現青貯飼料從種植地到青貯窖內發酵信息的全過程信息化采集與監測預警。該平臺基于 B/S 架構開發，采用 JAVA 語言在.NET 框架上開發，數據庫采用 SQL Server 2016，服務器采用的是阿里云 2 核 4G 和騰訊云 2 核 4G。使用二維碼做為標簽信息，實現了青貯飼料生產供應鏈上全過程信息可追溯，同時系統具有質量安全預警機制，確保青貯飼料安全可靠。在統一數據庫下開發了基于微信小程序的追溯平臺，拓展了消費者溯源途徑。系統試驗于吉林省某青貯飼料生產企業，結果表明該系統能有效采集青貯玉米種植過程信息和青貯窖內貯制信息，物料損失率降至 8%-10%。

　　王國偉; 朱慶輝; 于海業; 黃東巖， 吉林大學學報(工學版) 發表時間：2021-08-20

　　關鍵詞;農業工程;溯源系統;數據采集;青貯飼料;傳感器

　　0 引言

　　青貯玉米是重要基礎粗飼料之一。世界各國都把青貯飼料作為飼養奶牛、肉牛、肉羊必備的一種飼料來源[1]。目前青貯玉米秸稈飼料在奶牛、肉牛、肉羊等反芻動物養殖生產中占據主要作用，根據我國牛羊肉生產發展的要求，畜群規模還有增容的空間，而且粗放生產向集約化生產經營的轉變，均需要優質青貯飼料的支撐[2-4]。青貯飼料品質受青貯玉米種植、青貯窖內調制和青貯過程的科學性等多種因素影響，監控青貯飼料關鍵生產環節，對保證青貯質量、降低營養物質的損失、杜絕有害微生物污染、提高青貯飼料生產水平有重要意義[5-6]。

　　歐美發達國家在青貯飼料種植、加工方面已經形成了系列成套產品，基本實現全程信息化、機械化生產作業。農產品溯源系統發展較早并已經開始發揮作用，目前已建立起相對比較完善、涵蓋面廣、具有統一性的農產品溯源系統[7-8]。國內追溯體系建設至今還未出現公共型的服務平臺，無法真正為廣大消費者服務[9-10]。大量的研究仍停留在追溯系統構建與實現技術層面，大部分數據由人工輸入，追溯結果過于主觀無法判定質量是否安全，企業應用追溯系統時投入大、成本高導致難以推廣，而同時消費者對飼料安全的信任度下滑問題亟待解決。現有研究對于物聯網結合青貯飼料追溯較少。

　　針對上述問題，本研究采用感知技術、網絡技術、數據庫技術、二維碼技術及識別技術，開發了青貯玉米秸稈飼料質量安全可追溯系統，采用多傳感器監測青貯飼料種植區域全過程及青貯窖調制狀態，保證青貯飼料生產全過程追蹤可溯，實現了對青貯飼料種植、生產全過程的信息化采集和質量追溯管理、生產檔案管理、質量安全預警功能、基于 B/S 模式結構體系和手機短信平臺的質量安全溯源等功能。

　　1 系統的總體框架

　　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，其生產全過程主要可分為 4 部分。1)種子的選取：通過評定種子供應商的建廠規模及種子品質，設定供應商級別，并把種子型號及詳細信息記錄在系統里。2)種植過程：利用傳感器結合數字化農機裝備自動記錄種植時間、地點環境，田間信息，收獲時間、產量。 3)青貯過程：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，密封貯存。監測青貯窖內溫濕度、氧氣濃度、pH 值等信息。4)檢驗:委托第三方檢驗機構對青貯飼料進行檢驗，生成檢驗報告。

　　1.2 青貯玉米秸稈飼料質量安全 HACCP 分析

　　如果對青貯玉米秸稈飼料生產所有信息進行采集，無疑會造成大量資源浪費，而且會造成數據繁雜，關鍵信息追溯不夠醒目，所以本文采用 HACCP 分析如表 2，通過分析綜合確定了關鍵溯源點，分別為：種植地的播種量監測、施肥量監測、噴藥量、植物生長量;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

　　基于數字化農機裝備的青貯飼料可追溯系統主要由五層架構組成。如圖 1 所示分別為傳感器層、數據層、服務層、應用層、用戶層。傳感器層主要是各類傳感器采集農機裝備田間作業參數和青貯過程中的關鍵信息;數據層把所有數據分門別類存儲在數據庫中，集成最終的溯源信息;服務層保證數據的同步及服務的質量;應用層負責各類產品的溯源及管理;用戶層則提供用戶可借助訪問溯源系統的方式[12]。

　　2 系統設計

　　2.1 產地環境信息自動獲取

　　產地環境信息是追溯系統的關鍵環境參數，也是衡量青貯飼料質量的根本依據，主要由土壤重金屬含量、灌溉水質、年平均溫濕度等可量化信息組成[13]。現在的多數追溯無法提供具體化的指標，導致追溯深度不高。本系統擴展移動位置服務 LBS (location based service)技術于青貯玉米質量信息之中，借助政府相關部門對所轄地區定點采集和更新環境數據，使青貯玉米產地環境數據可視化，且能達到數據持續更新。

　　在青貯飼料溯源時，首先通過移動端定位服務獲取飼料產地地理信息，然后借助高德地圖 API 口獲取其所屬空間信息，并結合生產批次獲取當時的產地環境信息，從而實現追溯深度的提高。

　　2.2 基于數字化農機裝備的青貯玉米種植過程監管

　　底層數據有效性直接決定了溯源結果的準確度。因此本研究采取的方案是利用數字化農機裝備自動監管青貯玉米飼料生產全過程，為保證追溯系統的深度，設計兩種采集終端，一者為青貯玉米種植地移動式監測終端，便于擴展和維護;二者為青貯窖內集中式監測終端，便于數據的統一處理和傳輸。

　　2.2.1 青貯玉米種植地移動式監測終端總體架構

　　如圖 2 所示，青貯玉米種植地遠程監測系統主要由主控單元、數據采集單元、GPS 移動站、GPS 基準站、4G DTU 模塊和服務器等部分組成。其中，主控單元由 STM32F103ZET6 及外圍電路組成;傳感器數據采集單元包括排種器監測傳感器、速度傳感器、排肥監測傳感器、流量傳感器、稱重傳感器; GPS 基準站包括 GPS 接受器、4G DTU 模塊 2 和單片機 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等特點，從而實現信息處理及轉發。為實現整個系統數據之間的有效傳輸，采用 4G DTU 模塊作為數據傳輸模塊。4G DTU 模塊是一種基于物聯網的無線傳輸模塊，提供 4G 無線網絡和 TCP/IP 數據通信的功能，具備串口數據雙向轉換，支持自動心跳和參數設置，比傳統的有線傳輸和 GPRS 傳輸有更多優勢[14]。在相應階段數據采集單元的傳感器各不相同。差分改正量信息是通過 GPS 基準站中的 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，并由主控制單元進行進一步處理。

　　2.2.2 青貯玉米種植地網格劃分

　　利用數字化農機設備獲取青貯玉米種植過程信息，需要對種植地進行網格劃分，其基本思想是選擇一個地塊邊界的基準點，其經緯度需要記錄，再分別選取兩個不同方向的標記點，同樣記錄經緯度，通過程序可自動測量出基準點到標記點的距離，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，得到包括網格邊界圖以及采樣點在內的所有點集，最后應用拓撲關系進行最終的連線和去除，實現網格劃分目的。在網格劃分中拓撲關系的交、并、差、異或等操作起到決定作用，將整個地塊信息進行劃分，并組合成一個個的網格信息，這樣既有經緯度的支持，方便數字化農機設備的精準作業，又可以完成網格的劃分，便于采樣和分析青貯玉米種植過程中播種量、施肥量和噴藥量等信息。采用美國 Trimble 公司的 Ag GPS差分GPS基準站和接收機進行采樣點的地理信息獲取與數字化農機設備行進的位置情況，其精度達到亞米級。

　　2.2.3 青貯玉米種植區域試驗

　　為了獲取網格區域內的青貯玉米種植質量信息并對其進行遠程監測與管理，于 2020 年 4 月及 5 月在吉林省長春市九臺區龍嘉鎮(E125º50'，N44º08') 進行試驗。試驗田地土壤為黑鈣土，在 0～6cm 的平均含水率為 19.7%，各處土壤堅實度不一致，平均堅實度 3.3kg/cm2。播種試驗階段將系統安裝在吉林康達2BMZF-2X型免耕播種機上，排種器播種時，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]，產生正負相反的電荷，經過濾波和放大電路經串口被播種監測系統監測并進行空氣彈簧的充放氣，實現播深自動調控，系統自動存儲信息及無線傳輸。施肥階段使用 CY12-02PK 型轉速傳感器監測排肥軸轉速計算施肥量。噴藥試驗階段，將系統裝配在久保田 M954 農業裝備上，噴藥機工作時，攝像頭采集灰度化圖像信息，變量噴藥監測與控制系統進行分割算法處理后與設定的噴藥檔位匹配從而實現變量噴藥過程，霍爾流量傳感器獲取實際施藥量，液位傳感器監測藥箱剩余藥液量。收獲階段使用 JHBM-H1 型稱重傳感器監測網格內青貯玉米收獲量，利用 GPS 接收器實現種植質量信息位置的精確定位。

　　2.2.4 青貯玉米種植地遠程監測界面

　　如圖 6 所示為青貯玉米播種質量、施肥質量、植物生長量子系統，顯示所監測網格區域的播種、施肥、收獲量狀況信息圖。種植地塊被劃分為若干網格，在劃分好的網格區域內，計算每個網格的重播率和漏播率，結果與監測人員設置的數值相比較。假如出現某個網格計算的漏播率和重播率不在監控人員設置范圍，則該網格顯示紅色以代表重播率超標，顯示黃色以代表漏播率超標。當兩項指標都不在設定值范圍，則用最小網格的相應比例填充該網格;否則，用綠色填充該網格區域以表示播種合理。在設定范圍網格內，施肥實際量與施肥處方圖相比較，其誤差再與監測人員設定值作比較，以不同顏色填充不同情況。計算每一網格的收獲量，以不同顏色代表不同產量。如此更方便人員監控種植地關鍵信息，用戶依需可以設定播種網格大小。

　　2.3 青貯窖環節的信息采集

　　2.3.1 青貯窖內可追溯系統架構

　　收割完成的青貯玉米秸稈根據不同網格的信息而分成不同檔次，之后在各檔次的青貯窖進行混料及窖貯，此過程是其轉化為飼料的關鍵部分。在封閉條件下，利用乳酸菌發酵作用，積累乳酸到一定程度，抑制自身及腐敗細菌的生長，使秸稈更具適口性，從而形成高品質青貯飼料[15]。由于測量點的分布較密集且環境相對惡劣[16]，采用無線傳感器網絡技術更為合適。無線傳感器網絡監測系統主要采用星型拓撲結構用于實時監測青貯窖的環境信息，實現青貯窖環境信息的采集、無線傳輸、收集與處理。若干傳感器節點用于采集青貯物關鍵信息的動態變化，設置 1 個協調器節點與之進行無線通訊并接受數據，數據經由傳感器節點測量，實時發送給協調器節點，而協調器節點則將這些數據與 4G DTU 模塊進行交互，此模塊比 GPRS 模塊傳輸效率更快，且能傳輸實時視頻、音頻，通過 Internet 由數據中心接收，最終數據在數據中心進行處理。整個系統由 3 部分組成，分別為節點層、傳輸層、信息管理層。

　　每 個 傳 感 器 節 點 包 括 一 片 微 控 制 器 STM32F103ZET6，一個帶有天線的 433 模塊，多傳感器，一個可編程只讀存儲器芯片，一個時鐘芯片和一個電池電源。CC1110 作為 433 模塊的核心芯片，配有天線，由于其維護成本低、功耗低、移動性高、傳輸性能高，比傳統的有線傳輸有很多優勢。節點實現對各種環境參數的精確測量。在基于 ZigBee 的無線傳感器網絡監測系統中，結合第一節提出的關鍵信息點，選用德國 BlueLine21 型 pH 值傳感器，測量范圍：2-13，精度：±0.3;日本費加羅公司的 KE-25 型氧氣傳感器，測量范圍： 0-100%VOL，精度：±1%，工作溫度為 5-40℃;芬蘭 VAISALA 的 GMM221 二氧化碳傳感器測量范圍：0-20%VOL，精度：±1.5%，具備 IP65 級防護;中國樂享的 AM2305A 型溫濕度傳感器測量范圍： -40-125℃，精度：±0.3℃，濕度范圍：0-99.9%RH，精度：±2%。傳感器節點供電方式由開關電源提供直流 5-24V 電壓，其中 KE-25 氧氣傳感器無需外接電源。協調器節點是微控制器、帶天線的 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點發送的環境信息，并且將接收到的數據經由 RS485 串口通信實時傳送給 4G DTU 模塊。與傳感器節點相比，協調器節點無需搭載傳感器，但是需要加入無線傳輸模塊。整個協調器節點自行供電。

　　系統應用 ZigBee 技術的無線傳感器節點實現數據的無線采集發送，而數據通過 4G 通訊方式發送至云平臺[17]。選用山東濟南有人物聯網公司的USR G-770 4G 模塊作為系統的 4G 傳輸模塊。由數據接收的協調器節點發送數據給數據中心的數據流程為：(協調器節點的串口模塊)協調器串口數據→ (4G DTU 模塊)IP MODEM 串口→IP MODEM TCP/IP 協議棧對數據進行 TCP/IP 封裝→發送到無線網絡→無線網絡轉發到 INTERNET→INTERNET 發數據到數據中心。使用時將協調器節點與 4G DTU 模塊用串口線進行連接，然后對 4G DTU 模塊進行供電即可。信息管理層主要包括監管人員、技術人員、移動客戶端、計算機客戶端和云數據中心。

　　2.3.2 青貯飼料貯制關鍵信息采集及分析

　　青貯窖長 30 米、寬 9 米、高 3 米。其中裝填青貯飼料時，每一層都需履帶拖拉機壓實，一則避免外部空氣延長青貯有氧階段，影響干物質的損失，二則在青貯窖開蓋期間，一定程度上防止空氣對飼料內部的入侵。在青貯物下 10cm 均勻埋藏 27 個傳感器節以滿足測量要求，每一組數據均是其平均值。

　　在窖內，如圖 8、9 所示，玉米秸稈經好氧細菌有氧呼吸階段、乳酸菌發酵階段、穩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境，二氧化碳產生量是第一階段的 3~6，pH 值迅速下降至 3.8，溫濕度均增加，第三階段，各因素都達到一種平衡。

　　2.4 基于物聯網的 QR 二維碼的青貯信息傳遞

　　2.4.1 青貯飼料塊的編碼

　　標識包括地塊標識、種植地產地企業標識、窖藏位置、青貯飼料加工企業標識、人員標識及質量合格標識，參考全球編碼 EAN/UCC-13 編碼中 7-10 為廠商標識的規定[18]，定義青貯飼料追溯碼為 12 位，定義種植地企業編碼前兩位為種植地塊標識，自定義青貯飼料加工企業標識為監管部門代碼為第三四位，窖藏位置為五六位，青貯飼料加工標識位為七至九位，人員信息位為第十、十一位，質量合格標識為第十二位。以吉林省長春市九臺區龍嘉鎮基地生產的青貯飼料為例，如圖 10 所示。

　　2.4.2 青貯飼料溯源 QR 碼

　　可追溯監管平臺信息流包括記錄在種植地的信息及青貯飼料生產鏈上的數據。因為 QR 二維碼能在很小的面積內表達大量信息[19]，最多可存儲 1800 個漢字字符，具備易用性、可靠性、低成本，且滿足本文研究的追溯系統的需要，追溯設備種類繁多且相對普遍。在管理系統上收集到滿足條件的產地環境信息、種植環節關鍵信息及青貯窖內發酵信息，用 JAVA 語言開發，采取谷歌開發的架包 ZXing 編寫二維碼生成腳本，自動生成二維碼，外接打印機。不同設備直接掃描二維碼獲取溯源信息，或在網站上輸入唯一標識 ID，得到溯源信息。

　　2.5 基于微信的小程序追溯

　　首先在微信開發者平臺申請一個 AppID，然后申請一個“吉放心青貯追溯”小程序，設置小程序詳情如圖 11 所示。在設計中采取 Flex 布局，配置 wxml、wxss、JavaScript 文件。小程序的全部信息應與一維碼、二維碼獲取的完全一致，所以調取同一的溯源數據庫信息。

　　2.6 質量安全報警

　　2.6.1 終端報警

　　在種植過程和青貯過程都設有傳感器進行報警提示。播種和施肥、施藥過程，報警器安裝在駕駛室，由播種和施肥信息通過串口與中心處理器 STM32 進行信息傳遞，后者進行分析、計算、顯示，如有問題將引發報警器聲光報警。

　　2.6.2 服務器端報警

　　報警子系統的是采用加權平均法和層次分析法建立的，形成預警信息優先級排列。質量安全信息報警，每一級別的報警對應不同的反應。系統通過短信和公眾號的方式推送報警信息。

　　3 試驗與實現

　　3.1 硬件部署

　　于 2020 年 4-12 月在吉林省長春市九臺區開展試驗，試驗對象為玉米種類強盛青貯 30。試驗前，將各類傳感器布置在數字化農機裝備和青貯窖內，并采用兩臺阿里云服務器和兩臺騰訊云服務器，其中一半用于數據庫服務器運行，一半用于備份災難服務器。

　　3.2 軟件部署

　　本系統開發采取的是 B/S 結構，框架使用 J2EE中的 SpringMVC 模式，采用阿里云服務器 2 核 4G，微信追溯采取的是騰訊云服務器 2 核 4G，采用 Microsoft SQL Server 2016 建立數據庫。

　　3.3 系統實現

　　系統實現采用流行的 B/S 架構[20]，具體功能通過統一訪問平臺、基礎應用平臺和數據庫平臺實現，可由多用戶點擊訪問,如圖 12 所示。采取 MVC 模式創建電腦端可追溯平臺，使用 Asp.Net 開發架構，選擇 SQL Server2016 數據庫存儲數據信息，便于模塊化開發，溯源數據格式統一采取 XML，便于數據的交換和傳輸，采用 SOAP 協議進行信息包的封裝和數據路由，支持 Web 服務且便于擴展。

　　系統開始于種植地環境參數的采集，其中產地環境來是利用 GIS 國家地理信息數據庫提供的 Web API 接口和 GPS 基準站獲取地理信息，使用多傳感器獲取關鍵信息，采用 4G DTU 模塊，把信息分別經過 ADO 技術、JDBC 技術寫入到數據庫里，玉米秸稈經分級、運輸及一系列處理，到達不同青貯窖處，無線傳感器網絡采集窖貯關鍵信息。系統軟件開始于青貯企業的認證，后臺管理審核成功后，創建四個模板數據庫，并通過短信或微信公眾號告知企業申請人成功信息，企業用自己設定的賬號及密碼登錄企業管理系統子系統，在企業管理平臺上，企業管理人員(種植地和青貯加工處理是一家公司)將企業品牌、部門、崗位、種子品種、化肥、農藥信息、人員信息等錄入基礎信息數據庫。通過多種傳感器把種植地信息和報警信息定時傳遞到種植地數據庫，利用無線傳感器網組把青貯窖內信息傳遞給青貯窖數據庫，為監管系統進行各方面統計和追溯系統溯源準備好數據基礎。從青貯物達到標準青貯飼料后，由企業出具產品質量檢測報告，監管系統進行核驗，合格后，進行銷售。為方便生產企業減少損失和提高飼料品質，通過對數據分析，得到實現了對種植地環境參數、種植過程數據和青貯加工過程的質量安全預警。其中溯源二維碼信息根據溯源數據庫里的數據，記錄有產地環境，生長檔案(播種施肥施藥)，青貯飼料品質等數據。如果種植地、生產過程、青貯飼料品質任何一信息缺失，無法生成追溯二維碼。當條件都具備時，利用 ZXing 中 core 和 javase 架包寫生的 Java 程序生成，并利用 Ajax技術[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。消費者飼料后可通過追溯二維碼登錄網站獲得青貯飼料生產全過程，并對產品提供售后評價。對系統進行分析是提高系統性能的重要部分。現場試驗結束后，表 3 為企業管理者、工人及第三方檢測機構對青貯玉米秸稈飼料可追溯系統性能分析。

　　4 結 論

　　本文通過拓展 HACCP 原理、數字化農機裝備和基于 ZigBee 的青貯窖監測終端，建設了一個實用性強、追溯精度高的青貯飼料追溯系統。

　　(1)與傳統追溯系統相比，本文實時監測數字化農機裝備田間作業信息，為秸稈飼料生產大數據解決方案提供基礎數據，有力確保了追溯系統的深度和追確度。

　　(2)系統試驗表明，雙采集終端有效采集青貯生產全過程全面關鍵信息，青貯飼料營養損失率降至 8%-10%。可追溯系統將人工輸入的定性輸入轉變為傳感器采集的定量輸入，提高了追溯信息的科學性，微信小程序追溯拓寬了追溯途徑，系統運行穩定可靠，為需要采取有效的主動措施提供了雙預警和解決方案，提高了消費者信任度。