基于数字化农机装备的青贮饲料可追溯系统

　　摘 要：为了实现青贮饲料生产全过程信息化可追溯，本文研制了基于数字化农机装备的移动式物联网信息采集终端和基于 ZigBee 的青贮窖信息监测终端，利用多传感器采集了种植过程播种量、施肥量、施药量、植物生长量;贮制过程温湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度、pH 值，并将双终端植于青贮饲料可追溯平台底层，结合 HACCP 体系实现青贮饲料从种植地到青贮窖内发酵信息的全过程信息化采集与监测预警。该平台基于 B/S 架构开发，采用 JAVA 语言在.NET 框架上开发，数据库采用 SQL Server 2016，服务器采用的是阿里云 2 核 4G 和腾讯云 2 核 4G。使用二维码做为标签信息，实现了青贮饲料生产供应链上全过程信息可追溯，同时系统具有质量安全预警机制，确保青贮饲料安全可靠。在统一数据库下开发了基于微信小程序的追溯平台，拓展了消费者溯源途径。系统试验于吉林省某青贮饲料生产企业，结果表明该系统能有效采集青贮玉米种植过程信息和青贮窖内贮制信息，物料损失率降至 8%-10%。

　　王国伟; 朱庆辉; 于海业; 黄东岩， 吉林大学学报(工学版) 发表时间：2021-08-20

　　关键词;农业工程;溯源系统;数据采集;青贮饲料;传感器

　　0 引言

　　青贮玉米是重要基础粗饲料之一。世界各国都把青贮饲料作为饲养奶牛、肉牛、肉羊必备的一种饲料来源[1]。目前青贮玉米秸秆饲料在奶牛、肉牛、肉羊等反刍动物养殖生产中占据主要作用，根据我国牛羊肉生产发展的要求，畜群规模还有增容的空间，而且粗放生产向集约化生产经营的转变，均需要优质青贮饲料的支撑[2-4]。青贮饲料品质受青贮玉米种植、青贮窖内调制和青贮过程的科学性等多种因素影响，监控青贮饲料关键生产环节，对保证青贮质量、降低营养物质的损失、杜绝有害微生物污染、提高青贮饲料生产水平有重要意义[5-6]。

　　欧美发达国家在青贮饲料种植、加工方面已经形成了系列成套产品，基本实现全程信息化、机械化生产作业。农产品溯源系统发展较早并已经开始发挥作用，目前已建立起相对比较完善、涵盖面广、具有统一性的农产品溯源系统[7-8]。国内追溯体系建设至今还未出现公共型的服务平台，无法真正为广大消费者服务[9-10]。大量的研究仍停留在追溯系统构建与实现技术层面，大部分数据由人工输入，追溯结果过于主观无法判定质量是否安全，企业应用追溯系统时投入大、成本高导致难以推广，而同时消费者对饲料安全的信任度下滑问题亟待解决。现有研究对于物联网结合青贮饲料追溯较少。

　　针对上述问题，本研究采用感知技术、网络技术、数据库技术、二维码技术及识别技术，开发了青贮玉米秸秆饲料质量安全可追溯系统，采用多传感器监测青贮饲料种植区域全过程及青贮窖调制状态，保证青贮饲料生产全过程追踪可溯，实现了对青贮饲料种植、生产全过程的信息化采集和质量追溯管理、生产档案管理、质量安全预警功能、基于 B/S 模式结构体系和手机短信平台的质量安全溯源等功能。

　　1 系统的总体框架

　　1.1 青贮玉米秸秆饲料流程分析

　　青贮玉米秸秆饲料流程如表 1 所示，其生产全过程主要可分为 4 部分。1)种子的选取：通过评定种子供应商的建厂规模及种子品质，设定供应商级别，并把种子型号及详细信息记录在系统里。2)种植过程：利用传感器结合数字化农机装备自动记录种植时间、地点环境，田间信息，收获时间、产量。 3)青贮过程：在适宜成熟度刈割，叶片含水率在 60%-70%，切碎，加入添加剂，压实，密封贮存。监测青贮窖内温湿度、氧气浓度、pH 值等信息。4)检验:委托第三方检验机构对青贮饲料进行检验，生成检验报告。

　　1.2 青贮玉米秸秆饲料质量安全 HACCP 分析

　　如果对青贮玉米秸秆饲料生产所有信息进行采集，无疑会造成大量资源浪费，而且会造成数据繁杂，关键信息追溯不够醒目，所以本文采用 HACCP 分析如表 2，通过分析综合确定了关键溯源点，分别为：种植地的播种量监测、施肥量监测、喷药量、植物生长量;青贮窖的青贮玉米秸秆的 pH 值、温湿度、二氧化碳浓度，氧气浓度[11]。

　　1.3 总体框架

　　基于数字化农机装备的青贮饲料可追溯系统主要由五层架构组成。如图 1 所示分别为传感器层、数据层、服务层、应用层、用户层。传感器层主要是各类传感器采集农机装备田间作业参数和青贮过程中的关键信息;数据层把所有数据分门别类存储在数据库中，集成最终的溯源信息;服务层保证数据的同步及服务的质量;应用层负责各类产品的溯源及管理;用户层则提供用户可借助访问溯源系统的方式[12]。

　　2 系统设计

　　2.1 产地环境信息自动获取

　　产地环境信息是追溯系统的关键环境参数，也是衡量青贮饲料质量的根本依据，主要由土壤重金属含量、灌溉水质、年平均温湿度等可量化信息组成[13]。现在的多数追溯无法提供具体化的指标，导致追溯深度不高。本系统扩展移动位置服务 LBS (location based service)技术于青贮玉米质量信息之中，借助政府相关部门对所辖地区定点采集和更新环境数据，使青贮玉米产地环境数据可视化，且能达到数据持续更新。

　　在青贮饲料溯源时，首先通过移动端定位服务获取饲料产地地理信息，然后借助高德地图 API 口获取其所属空间信息，并结合生产批次获取当时的产地环境信息，从而实现追溯深度的提高。

　　2.2 基于数字化农机装备的青贮玉米种植过程监管

　　底层数据有效性直接决定了溯源结果的准确度。因此本研究采取的方案是利用数字化农机装备自动监管青贮玉米饲料生产全过程，为保证追溯系统的深度，设计两种采集终端，一者为青贮玉米种植地移动式监测终端，便于扩展和维护;二者为青贮窖内集中式监测终端，便于数据的统一处理和传输。

　　2.2.1 青贮玉米种植地移动式监测终端总体架构

　　如图 2 所示，青贮玉米种植地远程监测系统主要由主控单元、数据采集单元、GPS 移动站、GPS 基准站、4G DTU 模块和服务器等部分组成。其中，主控单元由 STM32F103ZET6 及外围电路组成;传感器数据采集单元包括排种器监测传感器、速度传感器、排肥监测传感器、流量传感器、称重传感器; GPS 基准站包括 GPS 接受器、4G DTU 模块 2 和单片机 STC12C5A60S2。STM32F103ZET6 作为主控单元的微控制器，具有处理速度快、低功耗和抗干扰能力强等特点，从而实现信息处理及转发。为实现整个系统数据之间的有效传输，采用 4G DTU 模块作为数据传输模块。4G DTU 模块是一种基于物联网的无线传输模块，提供 4G 无线网络和 TCP/IP 数据通信的功能，具备串口数据双向转换，支持自动心跳和参数设置，比传统的有线传输和 GPRS 传输有更多优势[14]。在相应阶段数据采集单元的传感器各不相同。差分改正量信息是通过 GPS 基准站中的 GPRS DTU 模块 2 与 GPRS DTU 模块 1 之间的通信传递到主控制单元的，并由主控制单元进行进一步处理。

　　2.2.2 青贮玉米种植地网格划分

　　利用数字化农机设备获取青贮玉米种植过程信息，需要对种植地进行网格划分，其基本思想是选择一个地块边界的基准点，其经纬度需要记录，再分别选取两个不同方向的标记点，同样记录经纬度，通过程序可自动测量出基准点到标记点的距离，并将 其 分 成等 距 离 的分 段 ， 通常 将 地 块其 分 成 10m×10m 分段，如图 3 所示，得到包括网格边界图以及采样点在内的所有点集，最后应用拓扑关系进行最终的连线和去除，实现网格划分目的。在网格划分中拓扑关系的交、并、差、异或等操作起到决定作用，将整个地块信息进行划分，并组合成一个个的网格信息，这样既有经纬度的支持，方便数字化农机设备的精准作业，又可以完成网格的划分，便于采样和分析青贮玉米种植过程中播种量、施肥量和喷药量等信息。采用美国 Trimble 公司的 Ag GPS差分GPS基准站和接收机进行采样点的地理信息获取与数字化农机设备行进的位置情况，其精度达到亚米级。

　　2.2.3 青贮玉米种植区域试验

　　为了获取网格区域内的青贮玉米种植质量信息并对其进行远程监测与管理，于 2020 年 4 月及 5 月在吉林省长春市九台区龙嘉镇(E125º50'，N44º08') 进行试验。试验田地土壤为黑钙土，在 0～6cm 的平均含水率为 19.7%，各处土壤坚实度不一致，平均坚实度 3.3kg/cm2。播种试验阶段将系统安装在吉林康达2BMZF-2X型免耕播种机上，排种器播种时，种子受到重力与安装在缓冲挡板上的 PVDF (polyvinylidene fluoride，聚偏二氟乙烯)压电传感器碰撞[14]，产生正负相反的电荷，经过滤波和放大电路经串口被播种监测系统监测并进行空气弹簧的充放气，实现播深自动调控，系统自动存储信息及无线传输。施肥阶段使用 CY12-02PK 型转速传感器监测排肥轴转速计算施肥量。喷药试验阶段，将系统装配在久保田 M954 农业装备上，喷药机工作时，摄像头采集灰度化图像信息，变量喷药监测与控制系统进行分割算法处理后与设定的喷药档位匹配从而实现变量喷药过程，霍尔流量传感器获取实际施药量，液位传感器监测药箱剩余药液量。收获阶段使用 JHBM-H1 型称重传感器监测网格内青贮玉米收获量，利用 GPS 接收器实现种植质量信息位置的精确定位。

　　2.2.4 青贮玉米种植地远程监测界面

　　如图 6 所示为青贮玉米播种质量、施肥质量、植物生长量子系统，显示所监测网格区域的播种、施肥、收获量状况信息图。种植地块被划分为若干网格，在划分好的网格区域内，计算每个网格的重播率和漏播率，结果与监测人员设置的数值相比较。假如出现某个网格计算的漏播率和重播率不在监控人员设置范围，则该网格显示红色以代表重播率超标，显示黄色以代表漏播率超标。当两项指标都不在设定值范围，则用最小网格的相应比例填充该网格;否则，用绿色填充该网格区域以表示播种合理。在设定范围网格内，施肥实际量与施肥处方图相比较，其误差再与监测人员设定值作比较，以不同颜色填充不同情况。计算每一网格的收获量，以不同颜色代表不同产量。如此更方便人员监控种植地关键信息，用户依需可以设定播种网格大小。

　　2.3 青贮窖环节的信息采集

　　2.3.1 青贮窖内可追溯系统架构

　　收割完成的青贮玉米秸秆根据不同网格的信息而分成不同档次，之后在各档次的青贮窖进行混料及窖贮，此过程是其转化为饲料的关键部分。在封闭条件下，利用乳酸菌发酵作用，积累乳酸到一定程度，抑制自身及腐败细菌的生长，使秸秆更具适口性，从而形成高品质青贮饲料[15]。由于测量点的分布较密集且环境相对恶劣[16]，采用无线传感器网络技术更为合适。无线传感器网络监测系统主要采用星型拓扑结构用于实时监测青贮窖的环境信息，实现青贮窖环境信息的采集、无线传输、收集与处理。若干传感器节点用于采集青贮物关键信息的动态变化，设置 1 个协调器节点与之进行无线通讯并接受数据，数据经由传感器节点测量，实时发送给协调器节点，而协调器节点则将这些数据与 4G DTU 模块进行交互，此模块比 GPRS 模块传输效率更快，且能传输实时视频、音频，通过 Internet 由数据中心接收，最终数据在数据中心进行处理。整个系统由 3 部分组成，分别为节点层、传输层、信息管理层。

　　每 个 传 感 器 节 点 包 括 一 片 微 控 制 器 STM32F103ZET6，一个带有天线的 433 模块，多传感器，一个可编程只读存储器芯片，一个时钟芯片和一个电池电源。CC1110 作为 433 模块的核心芯片，配有天线，由于其维护成本低、功耗低、移动性高、传输性能高，比传统的有线传输有很多优势。节点实现对各种环境参数的精确测量。在基于 ZigBee 的无线传感器网络监测系统中，结合第一节提出的关键信息点，选用德国 BlueLine21 型 pH 值传感器，测量范围：2-13，精度：±0.3;日本费加罗公司的 KE-25 型氧气传感器，测量范围： 0-100%VOL，精度：±1%，工作温度为 5-40℃;芬兰 VAISALA 的 GMM221 二氧化碳传感器测量范围：0-20%VOL，精度：±1.5%，具备 IP65 级防护;中国乐享的 AM2305A 型温湿度传感器测量范围： -40-125℃，精度：±0.3℃，湿度范围：0-99.9%RH，精度：±2%。传感器节点供电方式由开关电源提供直流 5-24V 电压，其中 KE-25 氧气传感器无需外接电源。协调器节点是微控制器、带天线的 433 模块、 4G 模块和电池电源的集成。其主要功能是接收由传感器节点发送的环境信息，并且将接收到的数据经由 RS485 串口通信实时传送给 4G DTU 模块。与传感器节点相比，协调器节点无需搭载传感器，但是需要加入无线传输模块。整个协调器节点自行供电。

　　系统应用 ZigBee 技术的无线传感器节点实现数据的无线采集发送，而数据通过 4G 通讯方式发送至云平台[17]。选用山东济南有人物联网公司的USR G-770 4G 模块作为系统的 4G 传输模块。由数据接收的协调器节点发送数据给数据中心的数据流程为：(协调器节点的串口模块)协调器串口数据→ (4G DTU 模块)IP MODEM 串口→IP MODEM TCP/IP 协议栈对数据进行 TCP/IP 封装→发送到无线网络→无线网络转发到 INTERNET→INTERNET 发数据到数据中心。使用时将协调器节点与 4G DTU 模块用串口线进行连接，然后对 4G DTU 模块进行供电即可。信息管理层主要包括监管人员、技术人员、移动客户端、计算机客户端和云数据中心。

　　2.3.2 青贮饲料贮制关键信息采集及分析

　　青贮窖长 30 米、宽 9 米、高 3 米。其中装填青贮饲料时，每一层都需履带拖拉机压实，一则避免外部空气延长青贮有氧阶段，影响干物质的损失，二则在青贮窖开盖期间，一定程度上防止空气对饲料内部的入侵。在青贮物下 10cm 均匀埋藏 27 个传感器节以满足测量要求，每一组数据均是其平均值。

　　在窖内，如图 8、9 所示，玉米秸秆经好氧细菌有氧呼吸阶段、乳酸菌发酵阶段、稳定阶段贮制成青贮饲料。在第一阶段，氧气迅速消耗，二氧化碳却没有大幅度，pH 值下降不明显，温湿度均有所增加;第二阶段氧气消耗为零且保持厌氧环境，二氧化碳产生量是第一阶段的 3~6，pH 值迅速下降至 3.8，温湿度均增加，第三阶段，各因素都达到一种平衡。

　　2.4 基于物联网的 QR 二维码的青贮信息传递

　　2.4.1 青贮饲料块的编码

　　标识包括地块标识、种植地产地企业标识、窖藏位置、青贮饲料加工企业标识、人员标识及质量合格标识，参考全球编码 EAN/UCC-13 编码中 7-10 为厂商标识的规定[18]，定义青贮饲料追溯码为 12 位，定义种植地企业编码前两位为种植地块标识，自定义青贮饲料加工企业标识为监管部门代码为第三四位，窖藏位置为五六位，青贮饲料加工标识位为七至九位，人员信息位为第十、十一位，质量合格标识为第十二位。以吉林省长春市九台区龙嘉镇基地生产的青贮饲料为例，如图 10 所示。

　　2.4.2 青贮饲料溯源 QR 码

　　可追溯监管平台信息流包括记录在种植地的信息及青贮饲料生产链上的数据。因为 QR 二维码能在很小的面积内表达大量信息[19]，最多可存储 1800 个汉字字符，具备易用性、可靠性、低成本，且满足本文研究的追溯系统的需要，追溯设备种类繁多且相对普遍。在管理系统上收集到满足条件的产地环境信息、种植环节关键信息及青贮窖内发酵信息，用 JAVA 语言开发，采取谷歌开发的架包 ZXing 编写二维码生成脚本，自动生成二维码，外接打印机。不同设备直接扫描二维码获取溯源信息，或在网站上输入唯一标识 ID，得到溯源信息。

　　2.5 基于微信的小程序追溯

　　首先在微信开发者平台申请一个 AppID，然后申请一个“吉放心青贮追溯”小程序，设置小程序详情如图 11 所示。在设计中采取 Flex 布局，配置 wxml、wxss、JavaScript 文件。小程序的全部信息应与一维码、二维码获取的完全一致，所以调取同一的溯源数据库信息。

　　2.6 质量安全报警

　　2.6.1 终端报警

　　在种植过程和青贮过程都设有传感器进行报警提示。播种和施肥、施药过程，报警器安装在驾驶室，由播种和施肥信息通过串口与中心处理器 STM32 进行信息传递，后者进行分析、计算、显示，如有问题将引发报警器声光报警。

　　2.6.2 服务器端报警

　　报警子系统的是采用加权平均法和层次分析法建立的，形成预警信息优先级排列。质量安全信息报警，每一级别的报警对应不同的反应。系统通过短信和公众号的方式推送报警信息。

　　3 试验与实现

　　3.1 硬件部署

　　于 2020 年 4-12 月在吉林省长春市九台区开展试验，试验对象为玉米种类强盛青贮 30。试验前，将各类传感器布置在数字化农机装备和青贮窖内，并采用两台阿里云服务器和两台腾讯云服务器，其中一半用于数据库服务器运行，一半用于备份灾难服务器。

　　3.2 软件部署

　　本系统开发采取的是 B/S 结构，框架使用 J2EE中的 SpringMVC 模式，采用阿里云服务器 2 核 4G，微信追溯采取的是腾讯云服务器 2 核 4G，采用 Microsoft SQL Server 2016 建立数据库。

　　3.3 系统实现

　　系统实现采用流行的 B/S 架构[20]，具体功能通过统一访问平台、基础应用平台和数据库平台实现，可由多用户点击访问,如图 12 所示。采取 MVC 模式创建电脑端可追溯平台，使用 Asp.Net 开发架构，选择 SQL Server2016 数据库存储数据信息，便于模块化开发，溯源数据格式统一采取 XML，便于数据的交换和传输，采用 SOAP 协议进行信息包的封装和数据路由，支持 Web 服务且便于扩展。

　　系统开始于种植地环境参数的采集，其中产地环境来是利用 GIS 国家地理信息数据库提供的 Web API 接口和 GPS 基准站获取地理信息，使用多传感器获取关键信息，采用 4G DTU 模块，把信息分别经过 ADO 技术、JDBC 技术写入到数据库里，玉米秸秆经分级、运输及一系列处理，到达不同青贮窖处，无线传感器网络采集窖贮关键信息。系统软件开始于青贮企业的认证，后台管理审核成功后，创建四个模板数据库，并通过短信或微信公众号告知企业申请人成功信息，企业用自己设定的账号及密码登录企业管理系统子系统，在企业管理平台上，企业管理人员(种植地和青贮加工处理是一家公司)将企业品牌、部门、岗位、种子品种、化肥、农药信息、人员信息等录入基础信息数据库。通过多种传感器把种植地信息和报警信息定时传递到种植地数据库，利用无线传感器网组把青贮窖内信息传递给青贮窖数据库，为监管系统进行各方面统计和追溯系统溯源准备好数据基础。从青贮物达到标准青贮饲料后，由企业出具产品质量检测报告，监管系统进行核验，合格后，进行销售。为方便生产企业减少损失和提高饲料品质，通过对数据分析，得到实现了对种植地环境参数、种植过程数据和青贮加工过程的质量安全预警。其中溯源二维码信息根据溯源数据库里的数据，记录有产地环境，生长档案(播种施肥施药)，青贮饲料品质等数据。如果种植地、生产过程、青贮饲料品质任何一信息缺失，无法生成追溯二维码。当条件都具备时，利用 ZXing 中 core 和 javase 架包写生的 Java 程序生成，并利用 Ajax技术[20]打印出90 mm×90 mm的追溯二维码贴于成捆 60 cm×60 cm 的青贮饲料上。消费者饲料后可通过追溯二维码登录网站获得青贮饲料生产全过程，并对产品提供售后评价。对系统进行分析是提高系统性能的重要部分。现场试验结束后，表 3 为企业管理者、工人及第三方检测机构对青贮玉米秸秆饲料可追溯系统性能分析。

　　4 结 论

　　本文通过拓展 HACCP 原理、数字化农机装备和基于 ZigBee 的青贮窖监测终端，建设了一个实用性强、追溯精度高的青贮饲料追溯系统。

　　(1)与传统追溯系统相比，本文实时监测数字化农机装备田间作业信息，为秸秆饲料生产大数据解决方案提供基础数据，有力确保了追溯系统的深度和追确度。

　　(2)系统试验表明，双采集终端有效采集青贮生产全过程全面关键信息，青贮饲料营养损失率降至 8%-10%。可追溯系统将人工输入的定性输入转变为传感器采集的定量输入，提高了追溯信息的科学性，微信小程序追溯拓宽了追溯途径，系统运行稳定可靠，为需要采取有效的主动措施提供了双预警和解决方案，提高了消费者信任度。