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1、基于数字化农机装备的青贮饲料可追溯系统简要：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
2、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 2022，效劳器采用的是阿里云 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给链上全过程信息可追溯，同时系统具有质量平安预警机制，确保青贮饲料平安可靠。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，结果说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：2022-08-20关键词
3、;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根底粗饲料之一。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开展的要求，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。欧美兴旺国家在青贮饲料种植、加工方面已经形成了系列成套产品，
4、根本实现全程信息化、机械化生产作业。农产品溯源系统开展较早并已经开始发挥作用，目前已建立起相比照较完善、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效劳平台，无法真正为广阔消费者效劳9-10。大量的研究仍停留在追溯系统构建与实现技术层面，大局部数据由人工输入，追溯结果过于主观无法判定质量是否平安，企业应用追溯系统时投入大、本钱高导致难以推广，而同时消费者对饲料平安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平安可追溯系统，采用多传感器
5、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、质量平安预警功能、基于 B/S 模式结构体系和 短信平台的质量平安溯源等功能。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 局部。1)种子的选取：通过评定种子供给商的建厂规模及种子品质，设定供给商级别，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
6、60%-70%，切碎，参加添加剂，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平安 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
7、 所示分别为传感器层、数据层、效劳层、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;效劳层保证数据的同步及效劳的质量;应用层负责各类产品的溯源及管理;用户层那么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效劳 LBS (location based ser
8、vice)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，且能到达数据持续更新。在青贮饲料溯源时，首先通过移动端定位效劳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
9、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 模块和效劳器等局部组成。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
10、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，其根本思想是选择一个地块边界的基准
11、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 10m10m 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
12、 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，其精度到达亚米级。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 2022 年 4 月及 5 月在吉林省长春市九台区龙嘉镇(E12550，N4408) 进行试验。试验田地土壤为黑钙土，在 06cm 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
13、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
14、 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。种植地块被划分为假设干网格，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拟。假设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，那么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，那么用最小网格的相应比例填充该网格;否那么，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拟，其误差再与监测人员设定值作比拟，以不同颜色填充不同情况。计算每一网格的收
15、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局部。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适宜。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。假设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，而协调器节点那么将这些数据与 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 局部组成，分别
