物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用

食品和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈金融的發(fā)展現(xiàn)狀食品和農(nóng)產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程包括生產(chǎn)、加工、包裝、運輸、倉庫、包裝、銷售和消費。每個鏈接都可能帶來不安全因素，尤其是在創(chuàng)建期間的基因過程中殘留有毒和有害物質(zhì)的殘留。環(huán)境污染物對食品和食品菌的影響：農(nóng)藥、化肥等環(huán)境污染物通過食品鏈進入人體，損害健康。加工、運輸和銷售環(huán)節(jié)的污染。隨著消費者對食品和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、安全性要求的不斷提高,對食品和農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)鏈進行全程監(jiān)測,對產(chǎn)品進行追蹤和溯源的需求越來越迫切[1~2]。由于食品和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、供應(yīng)鏈的分布空間都是廣域的,甚至是流動的,所以傳統(tǒng)的有線傳感器技術(shù)(wiredsensortechnology)無法滿足全程監(jiān)測等應(yīng)用的需要。近年來伴隨著微型機電系統(tǒng)(MEMS)、無線通信、數(shù)字電子學等學科的進步和發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)(internetofthings,簡稱IOT)技術(shù)的研究取得了較大進展,已經(jīng)開發(fā)出很多低成本、低功耗,具有感知、計算和通信能力的微型傳感器節(jié)點,以及較為成熟的RFID芯片、封裝、讀寫設(shè)備的設(shè)計、制造和系統(tǒng)集成技術(shù),這就使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品和農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、物流、安全監(jiān)管等方面的應(yīng)用成為國內(nèi)外許多高校、企業(yè)、研究機構(gòu)近期的研究熱點之一。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品及農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通等領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進行論述,并詳細闡述應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢以及不足之處。1“智慧城市”和“智能節(jié)點”物聯(lián)網(wǎng)指的是將各種監(jiān)測傳感器、移動終端、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、附有RFID的各種物件和包裝、攜帶無線終端的個人與車輛等“智能化物件或動物”或“智能節(jié)點”(mote),通過各種無線和/或有線的、長距離和/或短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通(M2M),實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。簡而言之,就是通過信息傳感設(shè)備,將所有物品連接至網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知、傳輸和處理3個基本部分。目前,物聯(lián)網(wǎng)的兩大關(guān)鍵感知技術(shù)就是無線射頻識別標簽技術(shù)(RFID)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)。2在食品和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中的應(yīng)用2.1灌裝食品在熱殺菌過程中的熱傳導模型的建立食品工藝參數(shù)獲取是食品提升品質(zhì)、提高加工效率、增強安全性的重要保障,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在這方面的應(yīng)用研究已取得初步進展。Marra等應(yīng)用了一套布設(shè)于罐頭內(nèi)部的WSN系統(tǒng),通過溫度傳感器獲得的數(shù)據(jù),輔以有限元計算,獲得了罐裝食品在熱殺菌過程中的熱傳導模型。Anastasi等設(shè)計并應(yīng)用了一套WSN系統(tǒng),用于監(jiān)測一家葡萄酒廠的整個生產(chǎn)環(huán)節(jié),生產(chǎn)鏈所有場所都設(shè)有傳感器節(jié)點,對種植園中的溫濕度、光照、風向風速以及酒窖中的溫濕度進行監(jiān)測和記錄,揭示了高品質(zhì)葡萄酒整個生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)。高英明等提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、面向食品安全的食品信息采集系統(tǒng)設(shè)計方案。通過具有GPRS通信功能的基站將WSN采集到的溫度信息傳給PC或手機中,方便人們隨時監(jiān)控食品加工各過程的溫度信息,以提高食品的安全性。以上研究表明,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在獲取和優(yōu)化食品工藝參數(shù)方面具有非常獨特的優(yōu)勢,它可以使食品工藝參數(shù)由宏觀細化到個體乃至微觀,這在傳統(tǒng)食品的現(xiàn)代化生產(chǎn)方面有著巨大應(yīng)用價值。2.2溫室監(jiān)控wsn技術(shù)對于溫室來講,自動、高效的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控是農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量至關(guān)重要的保證。由于溫室中的氣候環(huán)境和土壤條件都相對穩(wěn)定,在溫室中構(gòu)建WSN比室外容易得多,所以WSN在溫室中的應(yīng)用研究已有較多報道。柳桂國等于2003年首次研究了基于Bluetooth技術(shù)的WSN監(jiān)控系統(tǒng)并應(yīng)用于溫室。隨后開發(fā)的很多類似監(jiān)控系統(tǒng),大部分采用的是Zigbee技術(shù):Gonda等提出了在溫室中分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中采用Zigbee技術(shù);Yoo等研究了一套名為A2S的WSN在種植甜瓜和卷心菜的溫室中的使用效果。Lea-Cox等研發(fā)了一種集成了基質(zhì)含水率、溫度、導電率、光照度、葉片濕潤度多種傳感器的溫室WSN。實驗證明,運用了該套裝置后,水和肥料得到了更高效地使用,過度澆水引起的病害減低了,作物的生長得到了明顯改善。Liu等研究了一種應(yīng)用于溫室的WSN原型,該系統(tǒng)由兩部分組成:一部分負責測量溫度、光照和土壤濕度;另一部分是GSM通信模塊和由遠程PC數(shù)據(jù)庫控制的軟件管理模塊。Zhou等提出了一個基于Zigbee技術(shù)的溫室監(jiān)控WSN方案。Yang等研究了集成RFID技術(shù)、光譜成像及環(huán)境監(jiān)測的多功能溫室遠程WSN。其中,多光譜成像系統(tǒng)能夠在作物上空對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照進行測量。Wang等開發(fā)一種特殊的無線傳感器節(jié)點用于溫室內(nèi)溫度、濕度和光照度的監(jiān)測。以上研究表明,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以獲取精細農(nóng)業(yè)所需的大量各種信息,從而達到真正的精細化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),以提高能源、水、化肥等資源和物資的利用效率,進一步增加農(nóng)業(yè)效益。2.3氣調(diào)與現(xiàn)有溫度的融合飼養(yǎng)室內(nèi)的環(huán)境對動物健康非常重要,直接關(guān)系到動物產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。一方面,飼養(yǎng)室內(nèi)必須保持良好的通風,以免動物因為高濃度氨氣而導致精神壓力或減產(chǎn);另一方面,從節(jié)能的角度考慮,為了保持室內(nèi)溫度在一個合適、穩(wěn)定的范圍,應(yīng)盡少通風和調(diào)溫。所以采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對飼養(yǎng)室環(huán)境參數(shù)進行自動監(jiān)控是一個非常高效的技術(shù)手段。Cai等研究了通過無線傳感器遠程查詢監(jiān)測區(qū)域氨氣濃度。Cugnasca等使用移動節(jié)點,測試了飼養(yǎng)室內(nèi)不同地點的溫度、濕度、光照度數(shù)據(jù),評估了將WSN應(yīng)用于飼養(yǎng)室監(jiān)控的實用性。Darr等研究了在豬圈構(gòu)建一個監(jiān)測溫度的WSN,使用3.6V/1200mA·h的電池作為電源,每隔5min采樣一次,結(jié)果節(jié)點電池持續(xù)工作了3.5年,表明了基于Zigbee技術(shù)的WSN非常適合應(yīng)用于對動物飼養(yǎng)環(huán)境的監(jiān)控。2.4牛胃和牛胃傳感器的布置近年來,由于各種精細飼養(yǎng)工具的使用,現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)生了較大變化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的最新研究成果已被用來預(yù)防和診斷牲畜的傳染病,以及預(yù)報重大事件。動物的體溫等生命體征信息,對及早發(fā)現(xiàn)病癥及作出相應(yīng)處理,從而減少牲畜損失具有重要意義。Nagl等研究了集成脈搏血氧計、GPS定位裝置等其他傳感器的WSN,獲得了牛的血氧飽和度、位置、體表溫度和呼吸等信息。Mayer等將傳感器節(jié)點放在標準緩釋膠囊中置入瘤胃中,通過內(nèi)外部傳感器的通信,觀察瘤胃內(nèi)部的運動情況。Marsh等將RFID標簽和溫度傳感器置入一群馬匹的脖頸中,使測得的每匹馬體溫都有一個身份識別號碼。Ipema等將溫度傳感器制成膠囊狀放入牛的瘤胃中測量體溫,每分鐘測量一次,并通過放置在牛腿上的外部傳感器節(jié)點,將數(shù)據(jù)傳送到基站。以上研究表明,由于體積小、無需導線連接,可以連續(xù)、遠程、實時提供被測物信息的特點,物聯(lián)網(wǎng)可被用作微創(chuàng)測量體溫等信息。2.5物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于提高作物品質(zhì),提高農(nóng)業(yè)品質(zhì)田間病蟲害的早期預(yù)警一直是困擾農(nóng)戶的大難題,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究有助于解決這一難題。Baggio開發(fā)一種用于馬鈴薯種植地抵御phytophrora(一種對氣候條件較敏感的致病真菌)的WSN,通過監(jiān)測溫度和濕度,該系統(tǒng)可使管理者在作物處于高風險時進行必要處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使在盡量減少病蟲害和環(huán)境影響的情況下,提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的愿望成為現(xiàn)實。農(nóng)田管理者再也不必僅靠經(jīng)驗或推斷來進行決策,而是可以從田間獲得的各種實時信息,作出更有效、及時、科學的應(yīng)對措施。3最佳加工溫度的確定對于蔬菜、水果、肉類和魚類等易腐爛變質(zhì)的新鮮農(nóng)產(chǎn)品(食品),溫度控制是延長貨架期的一個關(guān)鍵因素。因此,冷鏈運輸一直是業(yè)界關(guān)注的焦點之一,目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究也主要集中于這一方向。3.1數(shù)據(jù)的采集由于冷鏈運輸?shù)霓r(nóng)產(chǎn)品(食品)到達集散中心后的幾小時內(nèi)就會被分發(fā)出去,這時合理的處理機制所需的信息就不僅是農(nóng)產(chǎn)品(食品)供應(yīng)鏈中地點歷程等可追蹤(或可追溯)的信息,還需要提供農(nóng)產(chǎn)品(食品)溫度歷程的相關(guān)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品供應(yīng)鏈中應(yīng)用的可行性及其便利性、高效性等諸多優(yōu)點已被多項研究所論證。Amador等在菠蘿的瓦楞紙箱和塑料周轉(zhuǎn)箱上安裝了帶溫度傳感器的RFID(部分將傳感器探頭插入果肉中),通過從哥斯達黎加到美國的長途運輸實驗,獲得了菠蘿表面溫度及果肉溫度的變化情況,并對比了該技術(shù)與傳統(tǒng)溫度記錄方法在測量數(shù)據(jù)精度上的區(qū)別。Abad等利用帶有溫度、濕度和光照傳感器的RFID,研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在一次從南非到歐洲、歷時3d、空陸聯(lián)運的新鮮魚洲際運輸中的應(yīng)用。Hayes等研究了在2艘漁船魚艙中設(shè)置測溫傳感器的WSN,使用SMS(短信)方式通過GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳送至internet上的服務(wù)器加以記錄,解決了以往只能單艘船自成體系的監(jiān)控方式,該技術(shù)可推廣到多艘漁船的廣域監(jiān)測。王曉東等設(shè)計了一種基于GPRS技術(shù),適用于冷鏈運輸車的食品溫度實時監(jiān)控系統(tǒng),可將溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。Shan等研究了Bluetooth、Zigbee、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能和模糊邏輯等技術(shù)應(yīng)用在冷鏈運輸中的可行性,提出了未來冷鏈運輸中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行追蹤和自動決策的技術(shù)方案設(shè)想。Ruiz-Garcia等研究了水果多聯(lián)運輸中WSN的應(yīng)用,驗證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點在低溫環(huán)境下的有效性,還提出可通過監(jiān)視環(huán)境空氣中含水率的變化,快速確定產(chǎn)品中水分的流失情況。Gras研究了在冷藏食品包裝中安裝具有溫度傳感器的被動式RFID,可以快速獲取并記錄物品的實際溫度,加快物流速度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可通過對食品在冷鏈過程中的溫度變化進行監(jiān)控(必要時還可設(shè)定一個報警值),從而為供應(yīng)商、監(jiān)管者及早發(fā)現(xiàn)問題并迅速作出決策提供依據(jù)。3.2溫度傳感器的布置由于冷庫、冷藏車廂、保溫容器冷鏈設(shè)施等皆為金屬封閉容器,業(yè)界一直對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所依賴的無線通信方式能否正常運作存有疑慮,Laniel和Fuhr等研究后得到了肯定的結(jié)論,并揭示433MHz是較適合的RF工作頻率[30~31]。被動式RFID標簽在數(shù)據(jù)讀取時,是憑借解讀器發(fā)出的射頻信號產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而獲得能量發(fā)送信息的。在微型RFID標簽中,天線常設(shè)置在其他金屬材料附近,這會引起天線的阻抗匹配、頻率響應(yīng)參數(shù)變化等問題。莫凌飛等研究了被動式RFID標簽中天線類型及與金屬表面距離對信號的影響,通過有限元模擬計算及實驗修正,獲得了超高頻(UHF)RFID標簽天線與金屬的最佳距離應(yīng)大于λ/4(λ為信號波長)的結(jié)論[32~34]。雖然冷藏設(shè)施都自帶溫控裝置,但是其溫度傳感器的布置通常位于靠近四壁或頂部的某一位置,而對于裝于其中的食品或農(nóng)產(chǎn)品表面或內(nèi)部(如果肉)的確切溫度卻無法得知。為了研究冷藏空間中物品表面或內(nèi)部的溫度與冷藏裝置顯示溫度的關(guān)系,Jedermanna等使用具有溫度傳感器的半被動式RFID,研究了冷藏車廂和保溫容器中溫度的三維分布情況,并提出在冷藏車廂中最少每米布置一個測點即可準確探知廂內(nèi)的最高溫度。4食品和農(nóng)產(chǎn)品的跟蹤和來源4.1其他國家和地區(qū)的追溯系統(tǒng)發(fā)達國家先從家畜產(chǎn)品(很多選擇牛肉)入手,通過頒布法律法規(guī)、設(shè)立專門研究機構(gòu)對實施可追溯系統(tǒng)的行業(yè)進行有效管理、評審和監(jiān)督,以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的快速溯源,切實保障消費者食用農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。1998~2001年法國、德國、意大利、荷蘭、葡萄牙和西班牙聯(lián)合實施了家畜電子標識(IDEA)項目,涉及這6個國家100萬頭家畜,已在牛和羊中使用了3種電子耳標(瘤胃球、耳標和注射式應(yīng)答機),為追蹤動物從出生到屠宰的系統(tǒng)提供建議。美國成立了由來自70多個協(xié)會、組織以及政府機構(gòu)的100余名畜牧獸醫(yī)專業(yè)人員組成的家畜標識開發(fā)小組(USAIP),共同參與制定家畜標識工作計劃,采用RFID電子標簽實現(xiàn)對畜產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯,其目的是在發(fā)現(xiàn)外來疫病的情況下,能夠在48h內(nèi)確定所有與其有直接接觸的企業(yè)。日本在肉牛飼養(yǎng)業(yè)中強制實施銷售點到農(nóng)場的追溯系統(tǒng),通過包裝盒上的牛身份號碼,即可獲取牛肉生產(chǎn)全過程信息。澳大利亞頒布了使用電子標簽技術(shù)的國家畜產(chǎn)品認證計劃(nationallivestockidentificationscheme,簡稱NLIS)。家畜產(chǎn)品中追溯系統(tǒng)的成功應(yīng)用,為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進一步在其他食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。日本已在蔬果EDI協(xié)議會的主持下,開展了蘋果、米、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)履歷和食品追蹤系統(tǒng)的建立,并在日本的千葉縣進行了實驗,取得了良好的效果。4.2食品溯源的應(yīng)用近年來,國內(nèi)在食品追溯系統(tǒng)的研究和應(yīng)用方面投入了大量的資源,多個省市開始嘗試對肉類等食品及農(nóng)產(chǎn)品進行追溯。北京市2006年在重點養(yǎng)殖基地通過對動物產(chǎn)品佩帶耳標、腳標等手段,在屠宰和流通環(huán)節(jié)應(yīng)用RFID等技術(shù),實現(xiàn)對畜禽產(chǎn)品養(yǎng)殖、收購、屠宰、分割、運輸、銷售等信息進行記錄,形成追溯檔案?！?008年北京奧運食品安全行動綱要》要求對奧運食品全部加貼電子標簽,電子標簽采用RFID技術(shù),實現(xiàn)奧運食品的全程追溯,其中首先以蔬菜、豬肉等重點食品為試點。上海市動物衛(wèi)生監(jiān)督所等單位研發(fā)了動物及其產(chǎn)品信息化安排監(jiān)管系統(tǒng),利用RFID技術(shù)實現(xiàn)對動物產(chǎn)品及衛(wèi)生的有效監(jiān)控和管理。此項目已經(jīng)在上海市12家規(guī)模屠宰場8個市道道口以及外省市供滬的167個養(yǎng)殖場中應(yīng)用。江蘇省建立了以超市流通模式為主的超市食品安全與預(yù)警信息系統(tǒng),以蘇果超市為基礎(chǔ)開發(fā)了集超市食品安全信息查詢系統(tǒng)、超市食品安全信息采集系統(tǒng)為一體的農(nóng)產(chǎn)品溯源模式。海南省有關(guān)部門通過采用EAN·UCC系統(tǒng),對該省水產(chǎn)品生產(chǎn)、包裝、儲藏、運輸、銷售的全過程進行標識,利用條碼和人工可讀方式使其相互連接,一旦水產(chǎn)品出現(xiàn)衛(wèi)生安全問題,即可通過這些標識追溯水產(chǎn)品源頭。4.3原料奶品質(zhì)監(jiān)控和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理Ruiz-Garcia和Zhang等分別研究了用于農(nóng)產(chǎn)品追蹤與溯源的設(shè)計原型系統(tǒng),這些系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)便捷地查詢農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、分銷、運輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)[42~43]。劉東紅等研究了基于RFID技術(shù)的原料奶品質(zhì)管理系統(tǒng)、原料奶品質(zhì)現(xiàn)場分析和監(jiān)控系統(tǒng)、乳品運輸過程品質(zhì)監(jiān)控及溫度監(jiān)控和報警系統(tǒng)的乳品質(zhì)量安全溯源和監(jiān)控體系,可對乳品從擠奶、裝罐到運輸實行全面的品質(zhì)監(jiān)測和溯源。謝潔銳等以WSN和RFID為基礎(chǔ),提出了一個技術(shù)方案,并為廣東省某市建成了農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)控與預(yù)警平臺。此類研究已成為目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究熱點之一。5存在的問題和解決方法目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大部分尚處于研究成果向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化階段,其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還存在以下亟待解決的問題。5.1低能耗網(wǎng)絡(luò)檢測影響食品品質(zhì)的因素眾多(如溫濕度、大氣環(huán)境、土壤成分等),所以為了保障食品安全,必須研究相應(yīng)的感知技術(shù);同時,低成本單品標識技術(shù)是農(nóng)產(chǎn)品和食品追溯與物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),為適應(yīng)規(guī)?；?、精準化、設(shè)施化的發(fā)展要求,具有良好環(huán)境適應(yīng)性、體積靈巧便攜、具備快速檢測能力的低成本硬件系統(tǒng)亟待開發(fā)研究。從技術(shù)上講,WSN用于監(jiān)測的主要優(yōu)點是傳輸距離比RFID大得多,且組網(wǎng)方式靈活、傳感器種類多樣、可探知的物理量眾多。RFID雖然閱讀距離短,但是被動式RFID的低成本、零能耗、易于與包裝結(jié)合是其獨有的優(yōu)勢?？茖W的規(guī)劃設(shè)計、合理的布局,解決WSN與RFID的融合問題,使兩者間取長補短,將是下階段研究的重點。5.2如何建立適合該模型的政府信息融合模型在溫度、濕度、光照度、振動頻率、氣體濃度等眾多傳感信息中,選擇何種信息或組合來表達食品新鮮度、貨架壽命期才最為合理?若需要多信息融合表達時,如何建立融合后能真正反映宏觀指標的模型?在以上模型的建立中,如何引入諸如模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等方法,才能使模型更具有實用性?以上基礎(chǔ)性問題解決后,才有可能建立一套有實用價值的快速評估其安全性及預(yù)測其貨架壽命的決策系統(tǒng)。5.3系統(tǒng)可推廣程度不高,且缺乏推廣效果從目前的研究進展來看,不少被證實具有應(yīng)用價值的技術(shù)方案尚處于原型階段或試運行狀態(tài),溯源過程的真實性、唯一性和一致性問題沒有徹底解決,缺乏有效可實施的信息傳遞載體以及相應(yīng)的硬件