農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

朱劍鋒，尹成國，熊志斌

(瓊州學(xué)院電子信息工程學(xué)院，海南三亞572022)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全日益受到重視。近年來，隨著肥料、農(nóng)藥、獸藥、飼料、飼料添加劑、動植物激素等的廣泛推廣和應(yīng)用，在促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量增長的同時，也帶來了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的隱患，加之城市生活垃圾等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的污染，農(nóng)藥殘留、獸藥殘留和其他有毒有害物質(zhì)超標(biāo)導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品污染和中毒事件時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著消費(fèi)者的身體健康和生命安全，已成為社會廣泛關(guān)注的焦點和熱點問題［1］。建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)，為防止農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事故發(fā)生，具有必要性。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的實時監(jiān)測等體系的核心組成部分，結(jié)合實際的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全生產(chǎn)和流通，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的分析與處理的功能，以推動農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量為目的。本系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，為實現(xiàn)“產(chǎn)地準(zhǔn)出、市場準(zhǔn)入、標(biāo)志溯源、實時監(jiān)控、消費(fèi)安全”的“田頭到餐桌”的農(nóng)產(chǎn)品全程質(zhì)量安全監(jiān)管，并且對提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全、保障人民群眾的身體健康、構(gòu)建誠信社會、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 系統(tǒng)的需求分析

農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)管難度高的主要原因在于農(nóng)產(chǎn)品“從田間到餐桌”的供應(yīng)鏈條長、環(huán)節(jié)多，應(yīng)著手建立健全貫穿農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)供銷整個流通環(huán)節(jié)的信息化質(zhì)量安全監(jiān)測管理體系、質(zhì)量溯源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)平臺等體系架構(gòu)，用現(xiàn)代信息技術(shù)手段對農(nóng)產(chǎn)品流通中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行信息化的監(jiān)測，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的產(chǎn)前管理、產(chǎn)中管理、產(chǎn)后管理、生產(chǎn)預(yù)警、統(tǒng)計分析、條碼打印、短信發(fā)送和消費(fèi)者端的質(zhì)量追溯、質(zhì)量反饋、健康指導(dǎo)等功能［3］。來提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管的效率、及提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)是實施《中華人民共和國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》的技術(shù)保障，明確了“從農(nóng)田到餐桌”全過程監(jiān)管［4］，具有統(tǒng)一質(zhì)量安全技術(shù)要求、規(guī)范農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工、保障人民消費(fèi)健康和安全、提高農(nóng)產(chǎn)品國際市場競爭力等方面的作用。參照《食品中污染物限量》(GB2762)、《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2760)、《食品中農(nóng)藥殘留限量標(biāo)準(zhǔn)》(GB2763)、《農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)》(NY1500)、《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》(GB/T 5009.33－2010)等標(biāo)準(zhǔn)，主要針對農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留和重金屬等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，規(guī)定了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全評價的重要依據(jù)、及安全管理的重要手段。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測是指按照國家、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合各大農(nóng)產(chǎn)品檢驗檢測機(jī)構(gòu)的實際業(yè)務(wù)情況、及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)要求，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行符合性測試，做出符合性評價，如對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行安全預(yù)警、鑒定檢驗、分析評價、匯總統(tǒng)計及溯源等，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管部門提供準(zhǔn)確、科學(xué)、客觀的質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)采用J2EE企業(yè)級技術(shù)架構(gòu)，如Hibernate、Struts等，為系統(tǒng)運(yùn)行的開放性、靈活性、穩(wěn)定性、安全性、可擴(kuò)展性、兼容性、可維護(hù)性等奠定的基礎(chǔ)。通過各業(yè)務(wù)功能組件化的開發(fā)設(shè)計，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程來完成客戶的各種業(yè)務(wù)需求。客戶可以通過Browner/Server(瀏覽器/服務(wù)器)模式訪問系統(tǒng)，方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息查詢系統(tǒng)的位置

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息查詢系統(tǒng)(以下簡稱質(zhì)量信息查詢系統(tǒng))處于IP網(wǎng)絡(luò)，IP網(wǎng)絡(luò)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，如圖1所示。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息查詢系統(tǒng)的位置

在IP網(wǎng)絡(luò)，有質(zhì)量信息查詢系統(tǒng)、各種客戶終端機(jī)(PC)等。質(zhì)量信息查詢系統(tǒng)處理來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，將處理結(jié)果提供給客戶終端機(jī)查詢。

3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的分析與處理

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計是核心業(yè)務(wù)內(nèi)容，把農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)按一定的關(guān)系模型組織起來，提供存儲、維護(hù)、檢索數(shù)據(jù)的功能，使信息系統(tǒng)可以方便、及時、準(zhǔn)確地從數(shù)據(jù)庫中獲得所需的信息，滿足各種用戶的應(yīng)用需求(信息要求和處理要求)。在此采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

3.1 建立權(quán)限管理數(shù)據(jù)庫將用戶操作權(quán)限信息、權(quán)限角色信息及系統(tǒng)權(quán)限定義信息等的操作權(quán)限直接與系統(tǒng)功能菜單信息、應(yīng)用系統(tǒng)模塊信息等系統(tǒng)操作類型相關(guān)進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)的權(quán)限基表。如用戶表、用戶權(quán)限表、權(quán)限角色表、角色功能表等。構(gòu)建認(rèn)證及訪問控制體系，解決系統(tǒng)身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)安全問題，為數(shù)據(jù)資源的安全訪問提供認(rèn)證和授權(quán)。

權(quán)限設(shè)計要體現(xiàn)實際檢測過程中的檢驗監(jiān)測、查詢及管理權(quán)限，可以使檢測人員，用戶及管理者處于安全性互動中，提高檢測效率、改善服務(wù)質(zhì)量。

3.2 建立質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)主要針對被監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品中的PH值、硝酸鹽和重金屬等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，因此根據(jù)上述的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立農(nóng)產(chǎn)品相對應(yīng)的PH值、硝酸鹽和重金屬等指標(biāo)體系表，用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的符合性測試時的符合性評價。如農(nóng)產(chǎn)品的PH值范圍指標(biāo)體系表、農(nóng)產(chǎn)品的硝酸鹽含量范圍指標(biāo)體系表、農(nóng)產(chǎn)品的亞硝酸鹽含量范圍指標(biāo)體系表、農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量范圍指標(biāo)體系表等。

3.3 數(shù)據(jù)采集管理數(shù)據(jù)庫農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點與RFID讀寫器組成一種新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。RFID讀寫器與傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的位置相同、每個RFID讀寫器與幾個不同傳感器(如PH值傳感器、硝酸鹽傳感器、重金屬傳感器等)節(jié)點構(gòu)成一組。RFID數(shù)據(jù)記錄了農(nóng)產(chǎn)品目標(biāo)對象的標(biāo)簽UID信息，用以標(biāo)識唯一的目標(biāo)對象;傳感器數(shù)據(jù)記錄了目標(biāo)對象的感知信息;每個傳感器節(jié)點附著一個RFID標(biāo)簽，即傳感器節(jié)點標(biāo)簽UID，此標(biāo)簽UID信息記錄了識別傳感器節(jié)點的唯一標(biāo)識信息。來自RFID讀寫器及傳感器節(jié)點的采集數(shù)據(jù)建立如下的關(guān)系型數(shù)據(jù)模型。

表1 RFID讀寫器與農(nóng)產(chǎn)品關(guān)系表

表2 RFID讀寫器與傳感器節(jié)點關(guān)系表

表3 傳感器感知表

按照如上的表1、表2、表3，通過一個RFID讀寫器可以將農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)簽UID信息與測量農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的傳感器建立一對一或一對多的關(guān)系，可以將農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)簽UID信息與其相應(yīng)的質(zhì)量感知信息相互關(guān)聯(lián)起來。PH值傳感器測量農(nóng)產(chǎn)品的酸堿度、硝酸鹽傳感器測量農(nóng)產(chǎn)品的硝酸鹽含量等。

3.4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息數(shù)據(jù)庫

根據(jù)傳感器節(jié)點的RFID標(biāo)簽可以融合農(nóng)產(chǎn)品的編碼標(biāo)識數(shù)據(jù)及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，再結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫可以得出該農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的狀態(tài)信息，如表4、表5。

表4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息表

表5 質(zhì)量狀態(tài)表

4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

堅持以人為本、安全消費(fèi)為目標(biāo)，提高從“田頭到餐桌”的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平，實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的實時監(jiān)測，采用MVC模型設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)(Gateway)是接受來自IP網(wǎng)絡(luò)的各種終端(PC、手機(jī)、PDA等)的請求，轉(zhuǎn)交給視圖處理;接受來自視圖的處理結(jié)果響應(yīng)，轉(zhuǎn)交給終端用戶。

系統(tǒng)視圖(JSP/VM)是與用戶交互界面，接受來自網(wǎng)關(guān)的請求，轉(zhuǎn)交給根控制器處理;接受來自根控制器的處理結(jié)果響應(yīng)，轉(zhuǎn)交給網(wǎng)關(guān)。

系統(tǒng)根控制器(RouteServlet)是系統(tǒng)控制的總調(diào)度接口，接受來自視圖的請求，轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的業(yè)務(wù)控制器來處理;接受來自業(yè)務(wù)控制器的處理結(jié)果響應(yīng)，轉(zhuǎn)交給視圖。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)控制器(Servlet)是處理與用戶的交互操作，接受來自根控制器的請求，轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的業(yè)務(wù)模型來處理;接受來自業(yè)務(wù)模型的處理結(jié)果響應(yīng)，轉(zhuǎn)交給根控制器。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型(Bean)是客戶機(jī)和服務(wù)器建立連接之后，業(yè)務(wù)模型有狀態(tài)會話Bean(Stateful Session Bean)及無狀態(tài)會話Bean(Stateless Session Bean)。接受來自業(yè)務(wù)控制器的請求，轉(zhuǎn)交給共通業(yè)務(wù)模型來處理;接受來自共通業(yè)務(wù)模型的處理結(jié)果響應(yīng)，轉(zhuǎn)交給業(yè)務(wù)控制器。

系統(tǒng)共通業(yè)務(wù)模型(EntityBean)是各業(yè)務(wù)實體持久Bean，共通業(yè)務(wù)模型有CMP(Container－Manager Persistence)及BMP(Bean－Manager Persistence)模型。接受來自業(yè)務(wù)模型的請求，操縱數(shù)據(jù)庫;將來自數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)交給業(yè)務(wù)模型。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(DataBase)提供農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管理的全部信息，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管理需要滿足穩(wěn)定性、安全性、可管理性，尤其是數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)。

本系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)基于上述系統(tǒng)的設(shè)計，在B/S架構(gòu)基礎(chǔ)上、采用JAVA框架技術(shù)及Oracle數(shù)據(jù)庫。

采用JAVA框架技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，在軟件結(jié)構(gòu)一致性、系統(tǒng)開放性、重用性、工作協(xié)同性、降低成本、靈活性等方面具有優(yōu)越性。JAVA框架有Web開發(fā)MVC框架STRUTS、O/R Mapping對象關(guān)系映射框架SPRING、持久層框架 HIBERNATE、作業(yè)調(diào)度框架 QUARTZ、模板引擎框架 VELOCITY、門戶系統(tǒng)框架JETSPEED、測試工具框架JUNIT及統(tǒng)合開發(fā)環(huán)境ECLIPSE等。用JSP/VM創(chuàng)建與用戶交互的視圖;用STRUTS創(chuàng)建根控制器、業(yè)務(wù)控制器、業(yè)務(wù)模型;用SPRING或HIBERNATE創(chuàng)建共通業(yè)務(wù)模型。

數(shù)據(jù)庫為了滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量管理及溯源等，采用Oracle為好。建立農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)信息庫、檢驗檢測數(shù)據(jù)庫等，支持生產(chǎn)者檔案管理(含信用評價檔案)、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)(時間、產(chǎn)地、投入品等)檔案編制、農(nóng)產(chǎn)品編碼管理、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)管理等。

基于經(jīng)ZigBee/IP網(wǎng)關(guān)傳來的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的RFID數(shù)據(jù)及傳感器感知數(shù)據(jù)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)運(yùn)用HACCP(危害分析和關(guān)健控制點)管理理念就可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息(PH值、重金屬含量、硝酸鹽含量等)的監(jiān)管。通過系統(tǒng)軟件對各類檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和制表處理，提供對農(nóng)產(chǎn)品的安全預(yù)警、抽樣評價、統(tǒng)計簡報功能服務(wù)，為政府各級監(jiān)管部門的決策提供科學(xué)客觀的數(shù)據(jù)支持，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平的進(jìn)一步提高。

5 結(jié)束語

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)是以提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為目的，運(yùn)用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、質(zhì)量檢測技術(shù)等，以先進(jìn)性、實用性、兼容性和可擴(kuò)展性創(chuàng)建一個農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的查詢平臺，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和控制管理。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測信息系統(tǒng)在完善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)產(chǎn)品編碼機(jī)制的基礎(chǔ)上，可以逐步建立具有安全評估、風(fēng)險分析、風(fēng)險評估、風(fēng)險管理、預(yù)警等功能的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量實時監(jiān)控檢測網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制的事前預(yù)防，為實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品“從農(nóng)田到餐桌”的全程質(zhì)量控制奠定基礎(chǔ)。

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