基于物聯網的畜產品溯源系統的構建

王雪 馬鐵民 謝秋菊 劉金明

摘要 [目的]提高畜產品從生產到消費流通過程中的管理和質量追溯能力。[方法]通過結合物聯網、二維碼及溯源等技術，構建基于物聯網的畜產品溯源系統。[結果]該系統為養殖戶和管理者提供畜產品在欄內的管理及在流通中的管理和查詢，并能為消費者提供產品的溯源信息。[結論]該系統具有靈活性和通用性，可以成為養殖戶、質量監督部門及消費者的信息平臺，還可以促進畜產品的品牌建設，提升畜產品的品牌效應。

關鍵詞 物聯網；RFID；二維碼；追溯系統

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05318-02

隨著信息透明度的增加，管理者和民眾均對食品的安全體系越來越重視。近年來，研究者也在食品安全領域開展了各項研究，其中最受應用者矚目的是食品的溯源系統。食品的溯源系統是在食品的整個供應鏈體系中利用各種信息及電子技術將產品的各類信息采集并存儲記錄下來的質量保障系統。對于畜產品的溯源系統來說，這個供應鏈包括牲畜養殖、運輸、屠宰、肉制品批發、深加工、零售的全過程[1]。

國外對于畜產品溯源的研究及應用要早于國內。英國在1996年瘋牛病事件之后就建立了基于互聯網的家畜跟蹤系統（CTS）[2]，加拿大也從2002年起開始施行對于火牛及牛肉制品的強制性標識制度[3]。澳大利亞、日本以及歐盟等均對畜產品的身份系統和質量追蹤等系統進行了建立，并對畜產品均采用了強制性標識制度。在國內，追溯系統由于肉類加工行業的信息化程度的限制，能夠付諸實際應用的很少，但也不乏成功的應用案例。由北京永泰普諾瑪開發，并在上海某食品有限公司實際運行的“RFID屠宰加工實時生產管理和安全信息追溯系統”，實現從活體動物入廠到屠宰交易的全程實時生產管理。該系統在上海市2006年9月的“瘦肉精”中毒事件中，應用肉類食品安全信息追溯技術，對事件的解決和防止危害范圍的進一步擴大起到了決定性的作用。

但是諸如此類的畜產品的追溯也只是實現了牲畜從入廠到屠宰交易的全過程，而并沒有對牲畜的生長過程及環境進行實時監控和記錄。由此可見，畜產品的溯源系統僅僅利用互聯網是不夠的，所以將物聯網的概念和技術引入到溯源系統的研究和構建中是極其必要的。對于物聯網的理解可以分為兩個主要部分，一部分的主體是互聯網，另一部分是由射頻識別裝置（RFID）、全球定位系統（GPRS）、Zigbee通信協議和激光掃描器等構成的傳感器網絡。在畜產品溯源系統中，物聯網可以用來監控牲畜生長環境情況，為系統提供牲畜在生長過程中的基礎數據，使得溯源真正地從源頭開始，在保障食品安全方面具有重要的社會意義。

1 系統構成的總體思路

該研究所構建的系統是面向牲畜產品的全產業鏈條的溯源平臺，它涉及的鏈條包括牲畜的養殖、運輸、屠宰、肉制品批發、深加工以及銷售環節等。在養殖環節中，主要采用物聯網技術對牲畜養殖的基本數據進行實時監控、跟蹤及分析，并將牲畜的飼料信息、就醫信息及生長環境信息利用RFID作為牲畜個體的唯一標識進行記錄，構成牲畜的個體檔案。在屠宰環節中，使用讀寫器將RFID數據采集出來與屠宰加工廠的相關信息一起通過特定的算法生成二維碼，并將此二維碼作為牲畜進入市場的溯源標簽。之后該牲畜對應的肉食品每進行一道加工程序，就將原有的二維碼信息讀取出來與新的加工信息一起生成新的溯源二維碼。在銷售環節中，銷售者或消費者就可以通過智能手機等電子設備讀取該畜產品的二維碼，獲取其溯源信息。

2 物聯網的構建

在畜產品的溯源中，構建物聯網的主要目的是對牲畜生長環境及過程的監控。牲畜的養殖一般為群體養殖，對于其日常行為的監測是必要的。基于物聯網的監測主要包括環境監測傳感器網絡、群體行為監測、無線數據傳輸以及基于嵌入式的監測終端4個部分。

基于嵌入式的監測終端是由上位機和下位機兩部分構成。上位機主要包括一個基于Xscale-WinCE嵌入式平臺的硬件環境和用戶界面的應用程序；下位機主要是牲畜養殖舍內的監控信號的數據采集系統，采集是通過超低功耗的TI—MSP430芯片與大量傳感器所構成的傳感器網絡構成的。牲畜養殖舍內所安裝的傳感器為無線傳感器，以實現移動的智能監控。傳感器接收到的現場數據將連接到下位機的信號調度部分，通過AD轉換并由MSP430單片機芯片打包后經過串口發送到上位機，具體實施方案結構圖如圖1所示。

圖1 傳感器網絡設施方案 環境監測傳感器網絡主要包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度及牲畜養殖舍內各種可能的有毒氣體等環境參數的監測。在牲畜養殖舍的適當位置設置相應的無線傳感器，每個傳感器作為傳感器網絡中的一個節點，每個節點向監測平臺傳送采集來的數據。傳感器網絡節點的設計結構如圖2所示。下面對幾個常用傳感器節點進行說明。

圖2 傳感器節點結構圖 空氣的溫濕度和光照強度是影響牲畜生長的兩個最基本的環境條件。空氣溫濕度和光照強度將會通過影響牲畜的日常行為而直接影響牲畜的生長、進食、在群體中互為影響的程度等各項生理性或心理性的活動。所以針對空氣溫濕度的監測對控制作物生理性活動有著重要而直接的影響。空氣溫濕度傳感器的選擇既可以選擇溫濕度分別采集的傳感器作為兩個節點，也可以選擇溫濕度一體采集的傳感器作為一個無線采集節點。一般情況下牲畜養殖舍溫度上限不高于25 ℃，所以選擇溫度在-40～120 ℃測量區間、濕度的穩定性小于1%RH/a的溫濕度傳感器，傳感器節點電路連接圖如圖2所示。該節點的設計既可以測量空氣溫度，也可以測量空氣濕度。牲畜養殖舍得監測設計將無線空氣溫濕度傳感器與定時器構成空氣溫濕度測量電路。牲畜養殖舍采用的是ZD.AC型光照傳感器，對弱光也有較高靈敏度，并且能夠丈量以lx為單元的照明光，無線傳輸時具備傳輸間隔長的特性，對抗外界干擾的能力也很強。

牲畜養殖舍內由于各種原因常會出現一些有毒的氣體，例如，在豬舍內，由于糞尿、墊草、飼料等含氮有機物分解出的氨氣，或是由于豬進食過量的蛋白質造成消化機能不良時就會在動物體內產生并通過腸道排出的硫化氫氣體，還有一氧化碳、二氧化碳等不利于動物生長的氣體等。這些有毒氣體容易引起牲畜呼吸道感染和眼炎等疾病，還可以影響牲畜的神經系統，導致抵抗力下降、發病率和死亡率升高、生產性能下降等不良結果。二氧化碳雖然無毒，但牲畜養殖舍內含量過高，也會使牲畜出現慢性缺氧、精神萎靡、食欲下降、增重緩慢等不良影響。所以對于牲畜養殖舍內的各種氣體的監測非常重要。針對各種氣體的監測傳感器均采用無線傳感器。這些無線傳感器是基于ZigBee技術構建的物聯網智能傳感器，用于監測空氣中的氨氣、二氧化碳等濃度，并將監測數據通過無線傳輸模塊傳送到設備終端的數據管理模塊中。

群體行為的監測包括牲畜的體重監測和實時的行為監測。體重監測是通過稱重傳感器實現的[4]。而實時的行為監測是通過USB攝像頭模塊實現的，監測啟動時自動與基于嵌入式的終端設備進行數據連接。

無線傳感器數據的傳輸采用已經非常成熟，并形成統一標準的ZigBee技術實現。ZigBee屬于一種開放式的、短距離的無線通信協議。基于物聯網的牲畜生長監測將采用智能化的設計實現基于 ZigBee協議棧的無線傳感器網絡進行空氣溫度、空氣濕度等影響溫室作物生長因素的監測。

在設計中每種節點都需要設置多個同類型傳感器，具體數量依據溫室的面積而定。通過傳感器控制處理器來接收從ZigBee無線通信模塊中發送數據的請求標志時，將各種參數數據通過串口方式進行傳輸數據。

3 RFID標識的應用

牲畜個體的身份識別主要是通過基于RFID的電子標簽來實現的，并且標識信息是唯一的。該信息的編碼方式應符合農業部頒布的《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》[5]的規定，牲畜的標識編碼分為3個部分：①牲畜的類別，用1位數字標識；②行政區域代碼，用6位數字標識；③同種類牲畜的順序號，由8位數字組成標識。

4 二維碼的應用

在畜產品流通及消費過程中，二維碼發揮著至關重要的追溯作用。考慮到二維碼在追溯系統中的安全性，將二維碼分為兩個部分，即信息部分和認證部分。信息部分為畜產品從養殖到流通環節所有的產品信息，并且采用特別設計的二維碼生成及解碼裝置為其服務。認證部分為當畜產品流通到一個新的環節時，需要通過認證部分的信息向二維碼生成及解碼裝置進行驗證，認證通過后允許將當前的二維碼解碼，添加當前畜產品的流通信息后再生成新的溯源二維碼。這樣不僅提高了二維碼使用的安全性，并且在溯源過程中盡量避免大數據查詢及存儲，只有在相應的環節中通過專門的讀取和生成裝置進行生成和讀取二維碼的操作，用戶通過產品相對應的二維碼就可以對產品實現追溯。只是追溯到的

信息為畜產品的簡單信息，如果想追溯產品的全面豐富的信息也可以通過此二維碼中的信息登陸溯源平臺進行查詢。

5 應用分析

5.1 采集環境與溯源對象信息構建電子檔案 根據系統的牲畜個體的編碼規則，利用基于物聯網的牲畜養殖溯源信息采集系統采集牲畜的養殖信息，再將采集到的養殖信息與人工錄入的牲畜的免疫信息及檢驗數據等構建成牲畜的電子檔案。

5.2 應用效果 充分考慮到消費者在注意畜產品安全的同時，也越來越關注畜產品的生長環境，所以，該溯源系統在設計時利用物聯網技術對牲畜的養殖環境的各項指標進行了監測，并將相應的信息添加在畜產品的追溯信息中。在實現溯源查詢時，利用二維碼技術結合特定的生成規則，支持簡化的產品信息查詢。

6 結論

將物聯網技術引入到傳統溯源系統中，能夠極大地豐富畜產品的溯源信息，促進畜產品的品牌建設，提升畜產品的品牌效應，推動畜產品的標準化和規模化養殖的進一步發展。

參考文獻

[1] 羅遠明.基于物聯網和云計算技術的畜產品安全溯源平臺解決方案[C]//中國畜牧獸醫學會信息技術分會2012年學術研討會.上海，2012：165-171.

[2] HOBBS J E.Information asymmetry and the role of traceability systems[J].Agribusiness，2004，20：397-415.

[3] SCHWAGELE F.Traceability from a European perspective[J].Meat Science，2005，71：164-173.

[4] 劉秀菊.基于嵌入式系統物聯網的智能監測系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（9）：2375-2388.

[5] 中華人民共和國農業部第67 號令.畜禽標識及養殖檔案管理辦法[EB/OL]. http：//www.agri.gov.cn/blgg/t20060628_638621.htm.安徽農業科學，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5342-5344

責任編輯 徐寧 責任校對 李巖