物聯網技術在食品安全領域的集成應用研究

王宇飛

（黑龍江信息技術職業學院電子工程系，黑龍江哈爾濱150086）

物聯網技術在食品安全領域的集成應用研究

王宇飛

（黑龍江信息技術職業學院電子工程系，黑龍江哈爾濱150086）

食品安全作為國民生活最為重要的基礎層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光，對食品安全的重視程度，比以往任何時期都顯得更為重要和迫切.基于此需求，在食品生產、流通、環節，出現了多種物聯網技術和解決方案.利用一套標準兼容、跨越多個垂直解決方案，整合食品安全生產、流通、管理各個環節，融合物聯網技術和云計算技術，形成食品安全大數據服務的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過程管理問題，形成可信的第三方食品安全數據資料.

物聯網；食品安全云計算；食品溯源；北斗物流應用

中國自古以來就是一個農業大國，地域遼闊，我國農業起源的時間上推至萬年以前.農業的生產發展對我國的經濟發展至關重要.但是在中國自然災害頻發，氣候復雜多變，將物聯網技術用于解決“三農”問題是一個很好的發展機遇.

食品安全作為國民生活最為重要的基礎層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光，對食品安全的重視程度，比以往任何時期都顯得更為重要和迫切.基于此需求，在食品生產、流通、環節，出現了多種物聯網技術和解決方案.利用一套標準兼容、跨越多個垂直解決方案，整合食品安全生產、流通、管理各個環節，融合物聯網技術和云計算技術，形成食品安全大數據服務的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過程管理問題，形成可信的第三方食品安全數據資料.

1 物聯網技術在食品安全領域的應用需求

近年來，各項食品安全事件層出不窮，保衛舌尖上的安全，已經成為各級政府、食品行業相關企業的核心問題.食品安全的源頭在于農產品，農產品一旦遭受污染，整個食品產業鏈的安全就無法得到保證.因此，把好“源頭關”顯得至關重要.曾幾何時，部分農戶和企業受經濟利益驅使，違反生物生長規律，過度噴灑農藥、施放化肥，投放添加劑和激素，以期縮短生長周期，增加農產品產量.殊不知這樣的生產方式雖然帶來了短暫的經濟利益，但給土壤、水源等生態環境造成很大破壞，甚至直接威脅人們的身體健康.如何在選種、用肥、施肥等方面采用嚴格標準，進行標準化的生產是食品安全源頭的保障.

物物互聯在農業和農村信息化領域已經有了初步應用，如傳感技術在精準農業的應用、智能化專家管理系統、遠程監測和遙感系統、生物信息和診斷系統、食物安全追溯系統等.

通過物聯網的實時傳感采集和歷史數據存儲，能夠摸索出植物生長對溫、濕、光、土壤的需求規律，提供精準的科研實驗數據；通過智能分析與聯動控制功能，能夠及時精確地滿足植物生長對環境各項指標的要求，達到高幅度增產的目的；通過光照和溫度的智能分析與精確干預，能夠使植物，特別是名貴花卉的花期完全遵循人工調節.目前，關于農業物聯網應用的發展項目有很多，比如：土壤養分、墑情監測，為作物選擇和耕種方式提供指導；糧情信息監測，為監管部門科學決策保護糧食安全提供有效數據；農業大棚溫室監控、田間自動化管理，通過連續監測土壤濕度數據，實現多點同時滴灌補水；二維碼動物溯源，通過食品追溯標簽使消費者全面了解產品信息，確保食品安全.

其次，在食品流通環節，如何有效的利用好各管理部門的流通檢測能力、建立高效共享的數據平臺.掌控流通的數量、溫度、時間等重要信息，避免食品在流通環節的變質、摻雜、造假等問題的出現，也對食品的倉儲、物流、終端銷售信息的及時傳遞提出了更高的要求.

國內已出現的食品安全追溯系統，正是這一環節的管理.以豬肉安全為例：進入農貿市場的豬肉安裝上電子芯片，以跟蹤豬肉產品的生產、加工、批發，以及零售等各個環節.具體來說，即在農貿市場的豬肉經營店配備電子溯源秤，消費者在購買豬肉時可索取含有食品安全追溯碼的收銀條，憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來源、屠宰場、質量檢疫等多方面的信息.

但是，如何將農業生產、食品流通、監督檢驗，各個系統，各個環節的信息自動化、高效率的進行同步，形成一套完整的應用系統，來全面系統的涵蓋食品生產流通的全過程，就需要采用物聯網、云計算、大數據這三種技術.將信息整合，形成集成應用.

2 物聯網技術在食品安全領域的技術基礎

2.1 生產監測及管理系統

通過傳統傳感器技術.可以獲取到農業生產環節的各項原始數據.典型應用如農田，溫室大棚，果園的采集光照、溫度、土壤水含量、CO2濃度等影響農作物生長信息的采集.漁塘中放置傳感器，實時監測魚塘溶解氧、水質情況，自動控制氧泵開啟和關閉，同時顯示在監控子系統上，大大的提高魚苗的成活率，而且能有效的防治水污染.或禽舍的溫度,濕度,空氣質量等數據采集等.

這些數據的采集，可以通過傳統傳感器網絡配合網絡傳輸模塊傳輸到后臺中心.數據可儲存為食品生產的基礎信息供分析和查詢，也可根據預設的配置策略，對農田生產端的遠程設備進行自動化的開啟或關閉，實現自動灌溉，自動施肥的精細化農業生產.

2.2 溯源查詢系統

溯源查詢系統，是基于物聯網技術，可以采集生長、物流、加工及流通銷售過程中的數據，建立食品溯源數據中心.消費者和稽查人員不但可以實時的通過物聯網連接至后臺追溯數據中心，了解食品的前世今生，而且可以及時反饋虛假、錯誤信息.已有的相關標準及功能包括：在線實時生成追溯信息Web二維碼、設計適合食品安全信息的加密機制和策略、設計Web二維碼生成算法及開發套件、支持混合網絡協議在邏輯層的智能融合傳輸機制、支持食品安全追溯業務對食品數據的時空屬性序列化要求、提供異構終端鑒權接入的統一食品安全查詢服務平臺等多個層面的內容，共同構成了食品安全溯源體系.

溯源體系的運營核心，是產品的生產、流通信息.這些信息來源的真實和可靠，是溯源信息真實的重要基礎.所以，盡可能的在溯源系統中引入物聯網技術，最大程度的減少各生產環節數據的人為干擾，才能實現溯源信息的客觀、公正、透明.

2.3 流通環節GPS監控及溫控系統

流通環節的規范運行，是食品行業保障食品安全的重要一環.不同的食品種類，對倉儲、流通，有著不同的溫度、濕度等環境要求.優質的食品，如果不能在適宜的條件、規定的時間內完成食品的物流環節，勢必將變成過期食品、變質食品.針對流通的狀態監控，主流的應用是GPS與無線數據網絡集成的模式.通過GPS模塊獲取位置信息、額外通過其他的溫度探測模塊，獲取到貨箱溫度信息.將信息編碼后通過無線數據網絡發送到平臺.相對更為優越的方案，是北斗系統.依靠北斗系統獨有的報文上傳技術，在定位的同時，通過衛星網絡獲取到位置、溫度、速度等相關信息，將使得流通環節的監控系統運行更為高效穩定.

2.4 第三方檢測及報告系統

第三方檢測報告系統通過數據的持久化及終端虛擬化技術.將分散在農技站、質量技術監督、食品藥品監管，等多個部門、多種終端、多種數據格式的信息.通過數據抓取，同步到服務平臺，供溯源查詢及管理使用.

3 物聯網技術在食品安全領域的集成應用

3.1 物聯網技術在食品安全領域的應用集成框架

食品生產源為食品分配二維碼，在食品生產過程中，食品生產商與質量認證機構分別采集食品詳細信息、認證狀況等食品安全數據，存入食品安全追溯數據中心；并利用二維碼在線生成系統，打印標簽，粘貼在食品包裝上；稽查人員使用二維碼識讀系統，可以方便的進行抽樣檢查.消費者購買產品時，只需手機掃碼或編輯短號發短信，即可隨時隨地查詢食品源信息與質量認證等信息，并可及時舉報虛假、錯誤信息.

整個系統采用分層架構模式來實現，分別由數據采錄層、融合網絡層、時空數據引擎層、業務應用層四層組成，技術架如圖1所示.

圖1 物聯網技術在食品安全領域的應用集成框架

3.2 食品生產環節的信息獲取和生產控制

食品生產環節的信息獲取和生產控制主要包括三方面內容:傳感設備、傳輸網絡、應用服務.通常分解為感知層：傳感器網絡（溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、CO2濃度等傳感器等）和無線監控終端（用于水、飼料的遠程投放開關控制）；傳輸層：傳感器網絡由zigbee協議組成前段網絡，CDMA 1X/GPRS協議組成遠程數據傳輸網絡；應用層：由數據持久化中間件、業務處理中間件、邏輯控制組件構成業務應用及管理系統.圖2展示了相關生產信息通過物聯網實現管理及控制的過程.

圖2 生產信息的物聯網管理及控制過程

3.3 食品流通環節的數據同步

在食品流通環節，各項數據信息的獲取存在兩種情況：一種是原始數據直接通過通信接口，上傳到系統平臺.這種形式，只要在通信層確保數據協議的一致，正確的響應通信協議的應答，并對數據包進行正確的解析即可.另一種相對復雜的情況，是原始數據存儲于第三方系統.在這種情況下，就需要進行異構數據的同步.

采用類似MobiLink這樣的工具，可解決將一個統一數據服務器與大量遠程數據庫進行同步（通常包含多個移動數據庫）的問題.此同步策略是基于連接的，遠程同步的數據源可隨時進行連接.在每次進行連接之后，數據庫是完全同步的.

具體工作方式是：將遠程數據庫上的多個事務的結果合并成一個更改集，然后應用到統一數據庫中.因為同步始終在事務邊界進行的，所以保持了參照完整性.不保留在組件事務過程中所做的各個更改的順序：因為從不復制未提交的數據，所以保留了數據完整性.

MobiLink分為服務器端和客戶端兩部分.MobiLink服務器與統一數據庫連接，MobiLink客戶端則與遠程數據庫連接.進行同步時，當MobiLink遠程站點打開與MobiLink同步服務器的連接時，通常便開始了同步過程.同步期間，遠程站點的MobiLink客戶端將上載自上一次同步以來對遠程數據庫所作的更改.MobiLink同步服務器在收到這些數據時開始更新統一數據庫，然后將統一數據庫中的更改下載到遠程數據庫.

所以，建立食品流通環節的數據同步信息數據庫，只需要在原有的各業務系統遠程數據庫上建立發布，將發布信息發送給MobiLink Client，即可完成異構數據庫的數據同步.

3.4 物聯網技術在食品安全領域的集成應用前景

物聯網技術在農業應用鏈上的其他環節，如電信運營商以及終端商應充分發掘潛在市場，為各自在物聯網版圖上占有一席之地作好準備.為監管部門提供食品安全追溯的行業解決方案，并進一步將方案發展到奶制品、畜牧業、養殖業和漁業等方面；整合農業信息資源，為農民提供具有針對性的信息服務；與有關行業協會、統計部門展開合作，為農戶提供有用的農作物產銷信息，為溫室、系統和芯片生產企業提供行業信息；在芯片生產上應具有針對性，開發適合特定業務（如信息溯源）的芯片；加大對芯片應用配套設備的研發.

農產品生產不同的階段，都可以用物聯網技術來提高工作效率.在種植和培育階段，應用物聯網技術分析實時的土壤信息，來選擇合適的農作物；在農產品的收獲階段，應用物聯網技術可以實現一個廉價的信息采集，從而在種植收獲階段進行更精準的測算.

在生鮮農產品流通方面，需要對儲運環境的溫度和農產品的水分進行控制.環境溫度過高，可能會發生大批農產品的腐爛，水分不足，會使品質受到影響，在這個環節要借助物聯網的幫助.

物聯網技術可以實現畜禽產品從養殖、屠宰到運輸、銷售的全過程質量控制，并實現質量溯源，可實現畜禽生產檔案管理（畜禽信息、飼料信息、疾病防疫等），實現RFID標簽和條碼間信息的轉換，條碼標簽的打印，基于網站、電話和手機短信的畜禽產品質量安全的溯源查詢功能.

4 結束語

盡管物聯網相關應用在農業生產、食品流通等環節已經有一些應用.但各應用環節相脫離的問題仍存在.而且我國的農業生產能力與國外先進國家相比，仍存在很大的差距，平均單位產量低于國外的30%，單位產量成本大于國外的50%，由于不合理的使用農藥，產品質量遠低于國外水平.其落后的主要原因是資金缺乏、設施農業技術裝備落后；沒有獲取專家指導的途徑，大多沿襲傳統的種植方法，生產管理粗放，造成設施的智能化水平低.

物聯網技術的發展，為解決農業生產、食品流通環節出現的相關問題，提供一條技術支持的思路.為農業高效生產、保障食品安全提供信息化的支撐.

〔1〕趙春江.農村信息化技術[M].北京:中國農業科學技術出版社,2007.

〔2〕彭力.物聯網技術概論[M].北京:北京航天航空大學出版社,2011.9.

〔3〕暴建民.物聯網技術與應用導論[M].北京:人民郵電出版社,2011.10.

〔4〕陳一飛.智能農業：十二五期間我國農業科技進步前瞻[J].中國農業科技導報,2010,12(6):1-4.

〔5〕張海濤,馬建,熊永平.物聯網技術應用[M].北京:機械工業出版社,2011.5.

〔6〕http://www.m2mun.com/nongye/2012060113349.htm l.〔7〕http://www.scs.moa.gov.cn/gzjb/201110/t20111013_235604 5.htm.

TP39

A

1673-260X（2014）05-0010-03