基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺的設計與實現

黃葉玨

（浙江經貿職業技術學院 信息技術系，浙江 杭州310018）

1 引言

近幾年來，食品安全問題日益突出，食源性疾病危害巨大，因此食品安全問題逐漸成為人們關注的焦點。國際上有瘋牛病、口蹄疫、豬鏈球菌感染以及禽流感等疾病的爆發和傳播，國內有蘇丹紅、三聚氰胺毒奶粉、瘦肉精豬肉、抗生素超標雞肉等食品質量安全事件的發生。目前，歐盟、美國等地區與國家相繼立法來強制實行食品質量安全追溯制度，質量安全追溯制度通過對產品生產和流通過程中各個關鍵環節的信息加強管理來實現預警和追溯，一旦出現質量問題可迅速追溯到問題源頭，進行相應的處理［1～3］。文獻［4］綜合應用動物個體標識、二維條碼、RFID射頻電子標識和一維條碼標簽技術，將網絡技術、數據庫技術與傳統的養豬業和屠宰加工業結合，構建了一種適合中國國情的肉用豬和豬肉安全質量監控可追溯系統。文獻［5］基于產品批次記錄與逐級編碼方式，將肉雞生產、加工、物流銷售等與雞肉產品安全有關的信息串連起來，建立電子文檔記錄，構建肉雞安全生產質量監控可追溯系統，通過該系統消費者可逆向追溯肉雞飼養管理信息、疾病防治與免疫情況等多項可追溯內容，達到監控肉禽食品安全目的。文獻［6］為適應中國牛肉出口需要，采用耳標與分割肉號碼及對應的EAN／UCC條碼技術等動物標識方法，構建了牛肉安全生產加工全過程質量跟蹤與追溯系統。文獻［7］為實現蔬菜質量安全可追溯系統中蔬菜產品的標識，應用EAN／UCC系統，制定了蔬菜產品追溯碼編碼方案，設計實現了蔬菜產品質量追溯標簽。

文獻［8］提出一種基于混合模式的農產品質量安全可追溯系統的集成方法，采用C／S和B／S混合模式來構架系統，利用射頻識別和條碼技術對產品進行標志、信息采集和傳輸，使用組件技術開發系統的關鍵模塊。文獻［9］提出了一套統合性的食品生產追溯操作理論。文獻［10］通過對某蔬菜企業的實際調研，分析了蔬菜生產管理流程，設計了系統基本框架，建立了基于Web的蔬菜質量安全可追溯系統?？梢詾橄M者提供詳細的蔬菜產品信息，還為企業的生產管理和蔬菜質量安全監控提供了良好的操作平臺。文獻［11］分析了RFID技術框架，設計了一種包含產品信息和公鑰的RFID標簽。設計了一種基于網格技術的質量追蹤分布式模型，該模型通過網格服務解決不同供應商之間的質量信息追蹤問題，并通過一個實例來描述產品從加工到流通環節信息追溯的實現方法。文獻［12］對食品生產鏈的檢測和追溯模型展開了研究，文獻［13］通過運用射頻識別技術與二維碼技術，構建了一種農產品可追溯系統。文獻［14］在對農產品從田間到貨架流程進行了分析的基礎上，設計了基于RFID的追溯系統架構。文獻［15］從農產品安全管理技術的現狀出發，介紹基于RFID的物聯網技術在農產品安全領域中的應用實例，表明在農產品安全領域中運用物聯網技術，構筑農產品供應鏈的新型管理模式，從而實現農產品質量的可視化和可追溯，使農產品的質量更加安全、有保障，將對農產品產銷價值鏈產生巨大的影響。

在上述的各類農產品質量安全追溯系統中，不少方法在處理對象上是針對肉雞、牛肉、蔬菜等某類特定類型的農產品，沒有形成一個完全的面向農產品的通用質量安全追溯平臺。另一方面，不少方法在技術層面上只采用單一的RFID和條碼技術，沒有形成一個具有RFID、GIS、GPS、智能傳感器等各傳感器聯合的物聯網。

2 基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺架構設計

物聯網顧名思義就是物物相連的互聯網，是新一代信息技術的重要組成部分。物聯網有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是通過RFID、紅外感應器、GPS、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺的實現需要構建一個統一的農產品相關資源管理平臺，對農產品生產、流通、庫存和檢疫等各環節的信息進行記錄、管理和共享，為各種信息系統提供可共享、可集成的數據?；谖锫摼W的農產品質量安全可追溯平臺架構如圖1所示，由數據層、業務層和客戶層構成。數據層包含業務數據庫、GIS空間數據庫和GPS實時數據庫。業務數據庫實現對農產品生產、流通、庫存和檢疫等各環節所發生的業務數據的存儲；GIS空間數據庫存儲與業務發生地相關的地形、道路等基礎圖形數據，以及與這些圖形數據相關的地名、高程、坐標、經緯度、行政區代碼等屬性數據；GPS實時數據庫存儲物流過程中，運輸車輛通過GPS獲得的實時位置與狀態等信息。業務層提供系統的核心功能，根據功能分為業務流程模塊和物聯網感知模塊。業務流程模塊由農產品生產子系統、農產品庫存子系統、農產品銷售子系統以及農產品跟蹤與追溯子系統組成；物聯網感知模塊提供物聯網相關的各個子系統數據接口模塊，主要包括RFID子系統、GPS子系統、GIS子系統和智能傳感器子系統?？蛻魧佑糜谔峁┙o終端用戶多樣化系統使用界面，主要分為手機客戶端、瀏覽器Web界面和用戶定制軟件客戶端等方式的界面。

圖1 基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺架構

3 基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺的分析

農產品質量安全的追溯依賴于農產品從生產、加工、檢疫到流通整個過程的信息記錄。實現優秀的追溯平臺需要建立一個跟蹤體系，采集和記錄農產品各個環節的信息。追溯體系是跟蹤體系的逆過程，從農產品零售商開始追溯到上級經銷商直至生產廠商的第一個產品生產和流通環節獲取農產品生產流通數據，并將數據與各環節的地理信息結合起來在GIS地圖上直觀的提供給用戶。所以以上兩部分構成了一個完整的農產品質量安全跟蹤追溯體系。

3.1 基于物聯網的農產品跟蹤分析

在農產品生產過程中，生產廠商需要記錄該批次農產品相關的溫度、濕度和檢疫等信息。對于牲畜家禽等大型人體的農產品可以在一開始就安裝RFID標簽，以便系統自動采集和記錄溫度、濕度和檢疫等信息。對于未裝配RFID的農產品，在生產完成之后在包裝上安裝RFID標簽，同時利用子系統導入該批次生產過程中相關的溫度、濕度和檢疫等信息。農產品出廠之后，可根據唯一的RFID標簽信息實現對該農產品的標識。農產品入庫時，可以在安裝RFID讀寫器的庫門中記錄入庫信息。

在運輸過程中，農產品可根據出庫時讀取的RFID信息記錄車輛裝載信息，運輸車輛安裝GPS、溫度和濕度等相關的傳感設備。這些運輸過程中所獲得的實時信息可進行記錄，并根據需要通過3G無線通信技術實時上傳給服務器，或者在運輸車輛到達目的地后，在入庫時一次性導入到后臺服務器中。農產品入庫后，繼續根據RFID信息與倉庫的溫度和濕度等傳感信息以及同批次檢疫信息相關聯記錄在后能服務器的數據庫中。

在農產品銷售環節中，農產品的RFID標簽可以作為該產品的唯一標識與價格關聯，同時記錄進入市場所進行的抽樣和檢疫等相關信息。

3.2 基于物聯網的農產品質量安全追溯分析

可追溯的定義為：“通過記錄的標識，對某個實體歷史、用途或者位置予以追蹤的能力”，即利用已有的、唯一對實體對應的記錄標識，追溯產品的歷史、應用情況、所在位置或者類似產品、活動的能力。農產品的追溯系統就是基于物聯網技術，根據農產品在生產和流通各個環節采集和記錄的數據對農產品進行追蹤溯源的操作。

具體操作步驟如下：①用戶根據農產品的RFID信息在手機客戶端、瀏覽器客戶端或者用戶定制軟件界面中查詢系統數據；②系統根據用戶輸入的農產品RFID信息以及用戶的權限訪問該農產品在生產流通過程中各個環節所記錄的各種信息，并根據用戶的訪問權限對信息進行過濾；③系統將過濾后的信息與地理信息系統進行結合，在GIS系統中進行顯示，給用戶直觀和便利的產品追溯體驗；④用戶可以根據GIS顯示的信息，在各個環節的節點中對農產品信息進一步交互查詢，以獲取更詳細的農產品信息。

農產品質量安全追溯平臺的用戶包括普通消費者用戶和監管部門用戶，二者的需求存在差別，在追溯平臺中對不同的用戶設置不同的數據訪問權限。對于普通消費者用戶，其對農產品質量安全追溯的需求限于對該農產品生產、檢疫和流通過程中的一些基本的信息；而對于監管部門用戶，其對農產品質量安全追溯的信息要求更詳細，需要訪問生產、檢疫和流通過程中各種詳細信息，包括物聯網中涉及的智能傳感信息、流通過程中的實時GPS信息以及同批次產品的流向信息等。

4 基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺實現研究

基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺的實現需要各個子系統有機地結合在一起，以共享信息。平臺基于三層架構，采用Visual Studio 2008作為開發工具，Web服務器部署采用Tomcat，應用服務器軟件采用JBoss，后臺數據庫采用SQL Server 2008。系統在實驗室的模擬環境下運行良好，數據采集自動化程度高、速度快。在平臺的可追溯功能中，根據用戶的類型分為普通消費者用戶和監管部門用戶。普通消費者用戶購買了農產品之后，可利用追溯終端提供的RFID讀寫器輸入到系統進行產品追溯，系統顯示該農產品從生產廠商到零售所在地所經歷的路徑，并在GIS地圖上顯示各個關鍵環節以及相關的信息。普通消費者用戶可以進一步在GIS地圖上進行操作，點擊各個環節以進一步顯示更詳細的產品數據。監管部門用戶可以完成比普通消費者用戶更多的功能，以便實現對出現質量安全問題的農產品進行追尋源頭、同批次農產品查封召回銷毀等操作。監管部門用戶登陸之后，根據農產品的RFID信息在GIS地圖上顯示生產流量的各個環節以及相應的各種詳細信息，并可以查看同批次農產品的流向信息以及物流的實時GPS信息，一旦出現質量安全問題，可為監管部門快速、準確的處理提供足夠的信息。

5 結語

基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺是一個包含數據層、業務層和客戶層的層次式體系架構，該架構的設計和實現表明采用統一的基于物聯網的農產品質量安全可追溯平臺層次式體系架構是可行的。在層次式體系架構中，在業務層中獨立各個業務功能的子系統一方面可以在系統開發和實施過程中降低難度，減少除錯的成本；另一方面獨立物聯網的各個子系統可以讓業務功能開發只關注于業務的本身，降低物聯網各種傳感器細節的掌握難度，同時也方便對新型傳感器的擴充?；谖锫摼W技術，可以讓追溯平臺數據擁有采集過程自動化程序更高、速度更快、信息顯示更直觀等特點。

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