譚裴，葉敏，薛偉

（中國移動通信集團設計院有限公司安徽分公司，合肥 230041）

1 引言

安徽省作為全國茶園主要省份之一，近年來，隨著人們對茶葉需求的逐年增加，茶產業(yè)經濟得到了高速發(fā)展，茶葉種植的規(guī)模也迅速擴大，茶產業(yè)已成為安徽省的支柱產業(yè)之一。

目前，茶產品企業(yè)種植加工方式落后，生產效率不高，生產與營銷尚未形成聯動機制。大數據[1]、云計算[2]、物聯網[3]等新技術的興起為傳統(tǒng)的茶產業(yè)升級和發(fā)展提供了重要機遇，通過新技術建設茶產業(yè)物聯網服務平臺對于改造傳統(tǒng)生產模式、帶動茶產業(yè)發(fā)展、提升地方經濟、促進集成商自身轉型等方面都有重要的意義。

為此，本文設計并實現一種智慧茶產業(yè)物聯網平臺，通過引入物聯網、云計算和大數據等技術，實現種植、加工、倉儲、物流等貫穿茶產品全生命周期的一體化物聯網解決方案，并建設基于SOA (Service-Oriented Architecture，面向服務的架構)架構的統(tǒng)一平臺，基于云計算和大數據實現企業(yè)數據分析和挖掘，提升相關企業(yè)的生產水平和市場營銷能力。

2 關鍵技術和方案介紹

2.1 大數據技術

大數據是指難以在短期時間內用一般數據挖掘工具和傳統(tǒng)數據庫等技術對數據內容進行采集、存儲、管理和分析的數據集合。大數據特征在于數據種類繁多、數據體量巨大、價值密度低、流動速度快。大數據的相關技術中，比較具有代表性的是以MapReduce[4]和Hadoop[5]為代表的非關系數據分析技術，憑借其適用于大規(guī)模并行處理、非結構處理和簡單易用等優(yōu)勢，在互聯網搜索等大數據分析技術領域取得重大成就，成為主流技術。MapReduce框架是谷歌公司提出的用來進行并行處理和生成大數據的模型，是一種線性的、可伸縮的編程模型，對非結構化、半結構化的數據處理非常有效。而Hadoop是MapReduce的開源實現，由于其開源和易用的特性，成為大數據處理的主流技術，其核心功能是提供一個穩(wěn)定的共享存儲和分析系統(tǒng)，存儲由HDFS[6](Hadoop分布式文件系統(tǒng))實現，分析由MapReduce實現。大數據技術并不是一種簡單的數據分析技術，而是一系列技術的集合，包括了數據挖掘、對比分析、存儲等多方面的技術。

2.2 基于SOA架構的云服務技術

SOA架構是一種軟件體系架構，基于SOA架構下，軟件的功能被定義為一系列相互獨立的服務，這些服務具有對外的輸入輸出接口，在業(yè)務流程確定情況下，只需要對各個獨立的服務按照一定順序進行組裝調用即可形成相應的業(yè)務功能。SOA架構考慮了服務的可重用性、松耦合、規(guī)范化等特性。云計算是建立在一系列進行虛擬化并相互連接的計算機群組之上，云計算具有并行計算和分布式計算特性，通過將存儲和計算資源進行虛擬化并根據事先約定的協(xié)議將資源以服務的形式提供給消費者。云計算可理解為基于SOA架構的一種擴展和深入應用，基于SOA的云計算技術架構是可以滿足在Internet環(huán)境下多項功能業(yè)務的需要，通過將各個對外提供的服務進行組裝，從而形成預定的功能，最終提供統(tǒng)一的云服務的技術架構。

2.3 物聯網技術

物聯網是通過傳感器設備，按照事先規(guī)定相關協(xié)議，將世界上的任何物品與網絡相連接并進行信息交互，從而實現物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。茶產業(yè)物聯網平臺應用的物聯網技術包括傳感器網絡技術、二維碼技術及智能終端技術等。

傳感器網絡[7-9]是由一定數量的傳感器節(jié)點通過位置規(guī)劃部署到監(jiān)測地域，并利用無線或有線介質將傳感器節(jié)點進行組織成網絡，各個傳感器節(jié)點將監(jiān)測的數據利用自組織網絡傳輸到匯聚節(jié)點，并進行數據的壓縮、融合處理，利用通信網絡提交給后臺管理服務器。茶產業(yè)物聯網平臺是利用傳感器網絡收集茶葉的生長、加工、倉儲、運輸等一系列過程中的環(huán)境狀況數據，及時進行監(jiān)控和管理。

二維碼技術是條形碼技術的一種。二維碼使用二維方向上分布的黑白相間的圖形來記錄數據信息的符號技術，二維碼技術具有存儲數據大，可靠性高、使用方便等技術特點，較大程度上提升了條形碼技術的應用水平。利用二維碼技術可以為每一件物品生成唯一標識，從而對物品進行統(tǒng)一管理。

智能終端設備是搭載智能操作系統(tǒng)的終端設備。利用智能終端設備可以方便管理者收集錄入管理數據，再通過移動通信網絡將數據傳輸給后臺服務器進行管理。茶產業(yè)物聯網平臺利用二維碼技術與智能終端技術實現了茶產品標識、茶產品數據采集以及相關數據管理等功能。

3 系統(tǒng)設計與實現

3.1 系統(tǒng)總體實現方案

本文搭建基于云計算技術的公共茶產業(yè)物聯網綜合服務平臺，組建近端的數據采集所需傳輸網絡，向茶產業(yè)鏈上的企業(yè)客戶提供貫穿種植栽培、加工、倉儲、物流和銷售等環(huán)節(jié)一體化的解決方案。其建設方案主要包括兩個部分：第一部分，茶企業(yè)基礎設施建設；第二部分，云計算綜合服務平臺建設。

第一部分，茶企業(yè)物聯網基礎設施建設。通過物聯網系統(tǒng)的部署實施，茶園的溫度、濕度、視頻等數據信息得到了實時采集，土壤和空氣狀況的變化以及茶園病蟲害等情況得到有效監(jiān)控，并結合遠程診斷確定防治最佳時期，制定精準施藥時間和方案，最終為現代農業(yè)綜合信息監(jiān)測、環(huán)境控制以及智能管理提供科學依據，提高勞動生產率，提升茶葉產品產量和質量。利用互聯網絡資源，實現茶產業(yè)基礎設施建設。網絡與云計算綜合服務平臺物聯網建設內容將依據國家物聯網技術標準規(guī)范建設，采用的二維碼標識技術將與國家的物聯網標識管理公共服務平臺兼容。

第二部分：云計算綜合服務平臺建設。本部分又包括應用軟件開發(fā)和云計算平臺硬件建設。其中，應用軟件開發(fā)的建設，采用SOA面向服務的平臺架構，通過SOA體系架構解決服務的重用和異構環(huán)境互聯，提高架構靈活性和系統(tǒng)響應速度，支持各功能模塊定制化服務，支持茶產業(yè)物聯網應用，可平滑擴展支持多種農產品物聯網應用，便于茶產業(yè)和相關農產品產業(yè)企業(yè)快速無縫接入；云計算平臺硬件的建設，通過租賃運營商云平臺基礎設施的方式，構建云計算綜合服務平臺。

茶產業(yè)物聯網平臺將以某集團基地為應用落地，從2014-2016年在某集團建設2萬畝標準化生態(tài)茶葉基地，建設方案包括智慧茶園綜合管理平臺，智能配送平臺、渠道管理平臺、智能追溯平臺和電子商務平臺。利用物聯網技術建立茶產品安全追溯系統(tǒng)，為茶產品增加二維碼或RFID(Radio Frequency Identification， 無線射頻識別)標簽，建立對茶產品的種植、采摘、加工、倉儲、配送和銷售的全過程跟蹤和監(jiān)控，實現“從茶園到茶品”的全過程質量管理和追溯體系。

3.2 網絡架構

設計整個茶產業(yè)物聯網的傳感層和網絡層架構如圖1所示。

圖1 茶產業(yè)物聯網網絡架構圖

在集團總部中心建設云服務中心，中心內部通過LAN互聯，實現視頻監(jiān)控、服務器和等設備的互聯，對于中心倉庫處使用部署Wi-Fi熱點，接入掃描終端。茶園基地通過一條100 Mbit/s專線上連至中心，其中視頻監(jiān)控設備通過光網絡上聯，環(huán)境采集設備通過GPRS無線通信信道上聯。加工廠通過一條50 Mbit/s專線上聯至集團中心，加工廠內的視頻監(jiān)控采用有線連接，環(huán)境監(jiān)控裝置采用無線GPRS信道上聯。渠道商處通過現有的ADSL網絡連接，部署視頻監(jiān)控和掃描終端，對其銷售過程和數量進行監(jiān)控。物流環(huán)節(jié)中的傳感監(jiān)控設備通過GPRS信道傳送實施環(huán)境監(jiān)控信息；消費者通過二維碼掃描通過互聯網連接公司平臺，獲取產品真?zhèn)魏蜕a過程等信息。

3.3 平臺架構設計

本平臺采用感知層、網絡層、數據服務層、應用層和訪問層的五層架構體系。技術功能架構圖如圖2所示。

傳感層：由傳感器、控制器、采控器、視頻監(jiān)控、邊緣網關等部分組成，數據采集、通信和協(xié)同信息處理等功能。該層作用為感知獲取茶園環(huán)境中發(fā)生的物理事件和數據信息，并通過邊緣網關上傳，并接受應用平臺指令，由匯聚點通過執(zhí)行器或其他智能終端對感知結果做出反應，實現智能控制(如噴灌等)。

網絡層：將來自感知互動層的各類信息通過多種網絡傳輸到應用服務層，為感知層和應用層提供可靠的數據傳輸的基礎。該層以無線蜂窩通信和有線傳輸網絡為主。

數據服務層：數據層實現茶業(yè)物聯網平臺中基礎數據、匯總數據和信息子層數據的存儲和管理功能。

應用層：是將物聯網技術與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)相結合，實現廣泛的物物互聯的應用。實現對茶業(yè)的種植、生產、加工、運輸與銷售的全過程跟蹤和監(jiān)控，實現“從茶園到茶品”的全過程質量管理體系，包括：智慧茶園綜合管理平臺、智能配送平臺、渠道管理平臺和智能溯源平臺等。應用層在系統(tǒng)功能架構上進行了適度的解耦，提升了基礎功能復用能力。

圖2 技術功能架構圖

訪問層：訪問層提供Web、手機客戶端等多種展示方式。

3.4 系統(tǒng)平臺功能

系統(tǒng)平臺主界面如圖3所示。平臺主要分為基礎平臺、智能決策中心、生產過程管理系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、溯源平臺、茶園管家系統(tǒng)等，各子系統(tǒng)具體功能描述如下。

基礎平臺：提供統(tǒng)一的用戶認證、管理、平臺子系統(tǒng)權限配置、接入企業(yè)配置等功能，主要為平臺的數據配置中心。

智能決策中心：實現各子系統(tǒng)的協(xié)調工作，完成子系統(tǒng)之間數據收集、交互等工作，并根據數據進行大數據分析，產生出相關指令向各子系統(tǒng)進行下發(fā)操作。

生產管理系統(tǒng)：對茶葉生產、加工過程中的數據信息進行收集和管理，根據生產指令進行加工生產工作。

倉儲管理系統(tǒng)：對茶葉產品進行倉儲管理，包括貨物的進出庫管理、移庫管理、倉庫盤查管理等工作。

溯源平臺：為消費者提供茶葉生產加工的溯源過程，同時為企業(yè)管理者進行茶葉質量的追溯功能。

茶葉管家系統(tǒng)：對茶園、加工廠、倉儲中的傳感器以及攝像設備進行統(tǒng)一管理，包括設備配置、數據收集、數據展示等功能。

4 系統(tǒng)應用效果分析

茶產業(yè)物聯網平臺可為茶產業(yè)企業(yè)帶來了一定的經濟收益。

（1）提高茶園畝產收益，實現企業(yè)增收。通過茶產業(yè)物聯網進行實時采集、分析預測和科學管理等，提高農業(yè)生產的科學性、主動性，改變傳統(tǒng)農業(yè)用大量施肥、用藥提高產量的方式，消除傳統(tǒng)農業(yè)造成的資源浪費和環(huán)境污染等不良影響，從而提高茶園畝產的經濟效益。

（2）提高茶葉加工企業(yè)產品收益，促使企業(yè)做大做強。通過構建基于物聯網的茶園環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的信息采集模式，實現農作物生產信息的實時檢測與控制，并在專家知識庫輔助下，實現農業(yè)生產過程的智能化、科學化管理。完整的茶葉溯源過程展示提升了客戶對茶企業(yè)的認同感，為茶產品在市場上贏得更好的聲譽，從而提高產品的銷量，為企業(yè)帶來更多的利潤。

圖3 物聯網平臺主界面

（3）信息化、標準化的物聯網管理模式不僅可以有效降低茶葉加工企業(yè)的產品質量控制成本，還可以降低管理運營及人力資源成本等，大大提升企業(yè)競爭力。

本平臺在某市的茶產業(yè)企業(yè)得到實踐和應用，通過云平臺、大數據等新技術的應用，也帶來了較大的社會效益。

（1）云平臺的推廣，可同時服務多家茶產品企業(yè)，促進產業(yè)信息整合與共享，推動產業(yè)發(fā)展。

（2）改變了茶產業(yè)傳統(tǒng)生產模式，提升了企業(yè)生產效率和企業(yè)形象。

（3）促進了集成商自身由傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成商向物聯網服務商進行轉型，為以系統(tǒng)集成商為主導的商業(yè)模式提供實踐經驗。

（4）茶業(yè)物聯網平臺的推廣和應用，可為智慧農業(yè)在茶產業(yè)的實踐應用提供探索。

5 結束語

綜上，本文在傳統(tǒng)茶產業(yè)中引入物聯網、大數據和云計算等新技術，建設貫穿茶產品全生命周期的綜合管理平臺，可以有效改進原有產業(yè)生產模式和運作模式，提高生產的標準化、信息化水平，起到良好的效果，具有較高的應用價值。

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