基于物聯網的農產品質量安全溯源系統

白紅武， 孫愛東， 陳 軍， 孫立榮， 盧海燕， 梁 穎， 劉賢進

(1.江蘇省食品質量安全重點實驗室，農業部食品質量安全監控重點開放實驗室，農業部農產品質量安全風險評估實驗室(南京)，江蘇 南京 210014;2.南京未來星傳感技術有限公司，江蘇 南京 210042)

現今人們越來越重視飲食與健康的關系，然而由于某些食品生產者和經營者法律意識和衛生意識淡薄，農藥濫用現象尚未得到有效控制，導致農產品中藥物殘留與重金屬等有害物質超標事件不時發生。農產品的質量安全不僅關系到農業的可持續發展，更是關系到人類身心健康，是亟待解決的社會問題之一。

物聯網(Internet of things)將相關物品通過信息傳感設備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等裝置與互聯網結合起來，實現智能化識別和管理［1-3］。在現代農業領域，物聯網可用來監視農作物灌溉情況、空氣溫濕度、畜禽的環境狀況以及大面積的地表檢測，自動收集溫度、濕度、風力、大氣、降雨量等數據，為研究人員進行科學分析提供基礎數據［4］。

溯源系統(Traceability system)是在產品供應整個過程中對產品的各種相關信息進行記錄存儲的質量保障系統［5］，其目的是在產品質量出現問題時，能夠快速有效地查詢到產生問題的原料或加工環節，必要時進行產品召回，實施有針對性的懲罰措施，由此來提高產品質量水平。農產品溯源系統是追蹤農產品(包括食品、飼料等)進入市場各個階段(從生產到流通的全過程)的系統，有助于質量控制和食品安全。

歐盟的農產品溯源系統應用最早。2000年1月歐盟發表了《食品安全白皮書》，以控制“從農田到餐桌”全過程，明確所有相關生產經營者的責任［6］。美國的農產品溯源系統主要是企業自愿建立，政府起到推動作用。日本不僅制定了相應的法規，而且在零售階段，大部分超市安裝了產品溯源終端［7］。英國政府建立了基于互聯網的家畜跟蹤系統(CTS)［8］。加拿大從2002年7月1日起開始實施強制性活牛及牛肉制品標識制度［9］。澳大利亞通過國家牲畜標識計劃(NLIS)實現牲畜溯源［10-11］。中國物品編碼中心在2007年開始啟動中國條碼推進工程，在上海、武漢等地推出了試點，2008年提出要全面推行農產品可追溯系統［12-13］。因此，綜合利用物聯網技術，開發農產品溯源系統具有非常重要的社會意義。

1 材料與方法

1.1 溯源對象

農產品溯源系統，是應用標識技術，對農產品的生產、加工、流通和檢測等環節實施全程監管的系統?；咀龇ㄊ菍r產品的種植區域進行規劃，對生產情況進行電子記錄，對使用者和檢驗結果記錄在案，對生產場所實施危害分析與關鍵控制點管理，建立中心數據庫，記錄各環節的信息，實現對農產品生產過程的跟蹤和溯源管理。建立農產品溯源系統，必需3個基本要素，即產品標識、數據庫和信息傳遞。本研究的溯源對象主要涉及到蔬菜、瓜果、豬肉、雞肉4大類，30多個品種。

1.2 標識設計

根據生產實際情況，農產品標識的設計要考慮的首要問題是低成本、易用性以及與現有的生產管理相融合。在無線射頻識別(RFID)標識尚未達到大規模推廣應用之前，條形碼標識仍然是使用最廣泛的農產品標識。人工輸入追溯碼，速度慢且易發生錯誤，為實現追溯碼的自動獲取，我們采用二維條碼技術。如圖1所示，在產品標簽1上，顯示有電子質量安全(eQS)標志，詳細記錄了該產品的產地安全、投入品安全和產品安全等檢驗結果。在產品標簽2上，簡潔顯示該產品的安全信息(如追溯碼、品種產地、責任人等)，提示了如何使用該追溯標簽，最下面的一維條碼方便現場查詢，二維條碼(QR碼)可供手機識讀。此外，對于高附加值的農產品(如茶葉)，我們還在標簽背面增加了RFID芯片，進行非接觸式識讀。農產品的編碼規則參照《NYT 1431-2007農產品追溯編碼導則》。有2種方式:一種是采用20位長碼，其含義為1類別+6行政區劃+2公司+2產品+6日期+3批次號;另一種是采用10位的短碼，其含義是1類別+5日期+2品種+2序列，方便消費者通過短信或電話的方式查詢。

圖1 農產品的標簽設計Fig.1 Label design for agricultural products

1.3 功能模塊

為了增強該系統應用的生命力，系統設計時采用統一的數據流程，并采用相應的策略控制數據的流向。數據流圖的統一和規范，不僅適應本系統查詢功能的要求，而且使系統能更好地與相關系統進行數據交流和共享，特別是能更好地完成系統在運行后長期而繁重的系統維護任務，減少維護開發的工作量，增加了系統的可擴展性。在此基礎上，按照系統的功能進行組件式開發，圖2顯示系統的核心組件和基本功能。

圖2 溯源系統功能圖Fig.2 Function of traceability system

1.4 開發語言

農產品質量安全溯源系統主要包含6部分:網絡管理平臺、短信管理平臺、智能手機管理平臺、條碼打印系統、查詢機軟件和查詢網站。系統使用的開發語言有:VB.net、C#、Asp 和 Html。數據庫選用SQL Sever 2005企業版。系統針對生產者、經營者和消費者，分別提供不同級別的密鑰。

1.5 硬件設備

查詢機是農產品質量安全追溯系統的重要展示窗口，因此查詢機的外觀和功能非常重要。根據企業的需求，設計開發智能終端——RFID多功能查詢機。該查詢機支持自動上網、自動播放廣告、自動顯示查詢結果。結構和外觀如圖3所示:正面布置了弧線型有機玻璃罩;在支柱上部安裝了LCD顯示器和觸摸屏;在支柱上部安裝了激光條碼掃描裝置;在支柱中部安裝了RFID讀寫器;在支柱下部安裝了微型電腦和音箱;預留了電源接頭、網線接頭和視頻輸出HDMI接頭;符合人體工程學原理，便于操作，整體性好，便于移動，維護方便。查詢機尺寸為500 mm×800 mm×1 700 mm。硬件包括:19寸LCD顯示器、INTEL酷睿E2210、華碩主板、金士頓4G內存、日立500G硬盤、長城電源、支持雙顯示器的顯卡、觸摸屏、展盟S-7030掃描平臺和RFID讀寫器FS-3601。軟件包括:Windows XP操作系統、NET 2.0 框架、Supermarket查詢軟件。

圖3 JAAS-1型RFID多功能查詢機Fig.3 JAAS-1 multi queny machine with RFID

1.6 信息鏈

根據農產品的追溯要求，設計了如圖4所示的追溯信息鏈，實現中央數據庫和信息傳遞功能。

圖4 農產品溯源信息鏈Fig.4 Information chain for agricultural product traceability

在生產階段，解決2個基本問題:一是農產品的田間信息記錄;二是農產品的環境信息記錄。問題1通過置于田間的防雨記錄卡來實現。每次進行田間操作后，操作員記錄當日的具體實施情況，例如2010-11-14，某人，噴灑除草劑50 ml。問題2通過基于物聯網的環境信息采集系統來實現。該系統通過太陽能供電，利用Zigbee的自組網性，實時記錄田間的環境信息(例如溫度、濕度、光照、土壤濕度等)，通過GSM網關發送到遠程的服務器，為農產品溯源提供源頭信息。

在加工階段，解決2個基本問題:一是農產品的保鮮問題;二是農產品的包裝問題。農產品在采收后，立即進入冷庫進行預冷處理，之后在5℃的溫度下進行擇揀和包裝處理。農產品的溯源標簽在包裝前預先打印好，方便操作員快速包裝。

在運輸階段，對農產品的生產者和參與者進行記錄，同時對農產品的冷鏈運輸過程中的環境進行監測和控制。通過GPS自動記錄運輸車輛的出發地和目的地，最大限度保障農產品運輸環節的安全性。

在銷售階段，對所有記錄在案的農產品進行eQS認證，貼有專門設計的農產品溯源標簽，不僅實現現場查詢，還提供網絡查詢、短信查詢、電話查詢、手機識讀等功能。

1.7 供應鏈

典型的農產品供應鏈如圖5所示，包括生產基地(農戶、農場或種植基地)、加工包裝環節(加工車間、批發市場或物流中心)和銷售環節(農貿市場、超市網點或專賣店)。各環節的生產主體不同，分布地域不同，管理方式也不同，信息采集、交換與發布也不同。追蹤系統能夠明確供應鏈的信息流，便于供應鏈中的責任界定，同時方便問題食品的召回，降低了食品安全問題的外部成本。

圖5 農產品供應鏈Fig.5 Supply chain for agricultural products

2 結果與分析

2.1 自動采集環境信息

利用物聯網技術，在生產基地的蔬菜大棚里，布置功能性智能無線傳感器節點，實時采集植物生長的環境信息(如溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度等)，當溫濕度不符合植物生長需求時，可以短信的方式向管理者報警，可對溫室大棚進行遠程監控;當植物缺水時，根據不同植物的需水模型，可自動打開電磁閥，對作物進行高效節水管理。系統自動記錄植物生長的各項參數，經過數據整理，存入指定的數據庫，為最終的農產品溯源提供重要的源頭信息。把設施監控系統與溯源系統有機結合起來，從一定程度上解決了溯源的源頭信息。

2.2 原始檔案電子化

對于生產操作過程人工記錄檔案。首先，記錄生產基地所購買的農藥、化肥等基礎資料，注明生產商及其聯系方式;其次，在田間地頭設置一個具有防雨功能的記錄卡，每次進行田間操作后，操作員記錄當日的具體實施情況，以此考核工人的績效;最后，在加工車間，記錄工人的消毒和操作時間，最大限度保障加工過程中責任到人。在保留原始憑證完整性、真實性和有效性的基礎上，由專人錄入數據并拍照存檔，實現生產檔案的電子化。

2.3 快速錄入信息

由于是通過組件式開發，溯源系統允許在條碼打印時，自動錄入固定信息，例如品種、產地、責任人、資質證明等。質檢員也可以在網站遠程添加該批次產品質檢報告。在3G網絡覆蓋的地方，生產責任人使用智能手機的拍照功能實時傳送該批次產品的照片和生產記錄卡。利用Web2.0發微博的方式，最大程度提高溯源信息錄入的效率和便捷性。

2.4 用戶查詢

在貼有追溯碼的最終產品包裝上，可通過現場查詢機查詢到該產品的詳細安全信息，例如品種、產地、責任人、產地環境、投入品檢測、生產記錄、產品檢測報告等(圖6)。此外，消費者購買產品后，發現問題，可通過短信的方式查詢到該產品的基本安全信息以及相關責任人。普通手機用戶，可通過Wap方式獲得產品的檢測報告等安全信息。對于智能手機用戶(例如Android、手機)，我們提供了開放式的QR碼標簽，用戶只需輕輕一拍，即可快速獲得該產品的詳細信息。

圖6 查詢首頁(A)和查詢結果頁(B)Fig.6 Query page(A)and query result page(B)

2.5 應用效果

基于QR碼的農產品質量安全追溯系統已成功應用于江蘇省明天農牧科技有限公司、無錫水蜜桃科技園、江蘇江山農業科技有限公司、東臺市益群植保專業服務合作社、泗洪縣華翔蔬菜專業合作社等多家企業。系統通過使用物聯網技術、二維碼技術和網絡技術，實現了“從農田到餐桌”的產品追溯標識以及生產過程的電子化監管，能夠唯一確定農產品的產前、產中和產后的安全信息，實現從種植到生產到流通全方位的安全信息的追溯。根據用戶的反饋信息，使用追溯系統后，可增加消費者對其產品的信任度，提高品牌效應，增加了產品的附加值。此外，為了更好的滿足不同用戶的需求，我們把溯源系統設計成合作社版、企業版和集團用戶版，同時增加了消費者評價的功能，以加強對產品質量的監督。

3 討論

本研究在消化吸收國內同類技術基礎上，分析區域農產品生產鏈的特點，將物聯網技術應用于農產品的生產鏈，構建了基于QR碼的農產品質量安全追溯系統。在實際推廣應用中，用戶反映良好，一方面保障了消費者對產品的知情權，另一方面，增加了農產品的信任度和附加值。與其他溯源系統［12-17］相比，我們開發的農產品質量安全追溯系統更注重于應用企業的需求，減少溯源過程的重復勞動，注重溯源結果的展示度，提高與消費者的交互性(微博式評價)。當前，國家支持有一定特色的溯源系統，但在推廣應用中也遇到了一定的阻力，主要是企業的投入產出比和消費者的信任問題。企業的投入產出比，可通過提高產品品質、優質優價的方式來解決。而消費者的信任則需要全社會的努力，尤其是加強法制建設，加大對不誠信企業的懲罰力度，公開生產過程，讓食品企業在陽光下經營。

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