基于二維碼的稻米質量安全追溯系統的設計與實現

雷 云,李怡青，李曄孜,潘磊慶,屠 康,*

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095;2.江蘇伊云貝爾飲料股份有限公司，江蘇連云港 222200；3.南京農業大學信息科技學院,江蘇南京 210095)

基于二維碼的稻米質量安全追溯系統的設計與實現

雷 云1,李怡青2，李曄孜3,潘磊慶1,屠 康1,*

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095;2.江蘇伊云貝爾飲料股份有限公司，江蘇連云港 222200；3.南京農業大學信息科技學院,江蘇南京 210095)

為了快捷高效地對稻米質量安全進行追溯,設計開發了成本低、設備便攜性高的基于二維碼的稻米質量安全追溯系統。該系統包含基于C/S的產品信息二維碼生成子系統和基于Android手機二維碼識別子系統,分別用于企業內部的生產、流通跟蹤和消費者的追溯查詢。運行結果表明,本系統的二維碼生成子系統可以將供應鏈各環節質量安全信息記錄在單個二維碼中;手機二維碼識別子系統可以解讀二維碼中包含的供應鏈各環節稻米質量安全信息。本文為稻米質量安全追溯提供了可行的方案,并為其他農產品的質量安全追溯研究提供了參考。

稻米,二維碼,質量安全,追溯

稻米是人類重要的主食和食品原材料之一,其質量安全與人民的健康息息相關。稻米通常需經過多個環節的加工才能成為商品到達消費者手中。然而,缺少廉價便捷的稻米質量追溯系統,使得消費者對所購買的稻米產品安全性難以得知。

農產品的質量安全追溯在國外已經有了較為成熟的應用,歐盟已形成較為完善的農產品/食品質量安全追溯法律體系[1],美國于2002年提出了建設“從農場到餐桌”的食品質量安全管理體系[2-3],日本于2003開始強制全面推行牛的追溯[4],Katia等建立了基于DNA分子的橄欖油追溯方法[5],Siwatt建立了基于多環芳烴的大豆產品追溯方法[6]。而中國還處于初步探索和研究應用階段,且主要集中在畜禽及水產品領域[7-9],例如任守剛等提出了基于RFID/GIS物聯網的肉品跟蹤及追溯系統[10],孫傳恒等系統地提出了一種基于行政監管的適合中國國情的水產品追溯系統架構方式[11]。二維碼具有信息存儲量大、保密性和跟蹤性高、抗損性強、易信息化管理等優點,其中Quick Response(QR)碼識讀速度高、中文漢字編碼效率高[12-14],應用于食品溯源可實現廉價快速的食品追溯。近年來,劉鵬等研究了糧食安全追溯的模型和技術[15-16],并開發了基于RFID的糧食質量安全追溯系統[17],但基于QR二維碼的稻米質量安全追溯系統尚未見報道。

本研究基于QR二維碼技術,分析稻米供應鏈流程,設計開發基于QR二維碼的稻米質量安全追溯系統,用于企業內部的生產、流通跟蹤和消費者的追溯查詢。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

稻米質量安全追溯系統主要包含記載稻米質量安全信息的二維碼生成系統和識別系統。在稻米生產過程中,種植、儲存、加工、零售各個環節均需采集質量安全信息,由于稻米產品產量大、供應鏈長、生產過程流通快、質量安全信息量大,因此要求二維碼生成系統能夠在短時間內將稻米產品質量安全信息編譯為信息含量大的二維碼;在稻米產品銷售過程中,由于稻米產品銷量大、銷售范圍廣、消費人群多樣且交易過程通常在超市或農貿市場進行,因此要求二維碼識別系統成本低廉、攜帶方便、操作簡易、識別速度快。

根據系統功能需求將系統劃分為兩個子系統,根據使用對象不同,分為面向企業的產品信息二維碼生成子系統和面向消費者的手機二維碼識別子系統,如圖1所示。

圖1 基于二維碼的稻米質量安全追溯系統總體設計圖Fig.1 Design of rice quality and safety traceability system based on two-dimension barcode recognition

1.2 二維碼生成系統

基里爾告訴記者，BPC希望滿足各國的市場需求，對于中國能否繼續保持100美元/噸的差價，市場沒有更多的利好信息。他說：“我看到很多市場大出口商尚在調整銷售方向，就是因為這個差距太大了，所以大家都在關注巴西市場。我們覺得，中國與BPC之間的新價格將會對中國市場和國際市場帶來一些新的推進。”目前來看，包括加拿大在內的一些大供應商的供給壓力很大。基里爾希望與中國盡快達成大合同價格共識，給予中國市場一定數量的保障。

系統開發工具為Visual C++6.0(Microsoft)和SQL Server 2005(Microsoft),以C++語言開發,在普通PC機環境下可運行。實現種植基地、儲存、加工、流通銷售環節中QR code的編碼、解碼、打印的功能。利用數據庫實現用戶權限的管理,編輯信息生成二維碼并保存、打印,對打開的二維碼進行編輯、保存、打印。系統功能模塊如圖2所示。

圖2 產品信息二維碼生成子系統功能模塊Fig.2 QR code generating system of products information

1.3 手機二維碼識別子系統

系統開發工具為Eclipse(IBM)+Android SDK(Google),以Java語言進行開發,在Android系統下可運行。實現利用手機攝像頭掃描QR code后,自動對圖像進行處理并解碼,顯示二維碼附帶信息的功能。系統功能模塊如圖3所示。

圖3 手機二維碼識別子系統功能模塊Fig.3 Function model of QR code identification system based on Android cell-phone

2 系統實現

2.1 二維碼生成子系統的實現

2.1.1 主程序界面布局 主程序界面被分為3部分,如圖4所示,左上的客戶區,負責二維碼的繪制和呈現;左下的信息展示區,用來解譯二維碼包含的產品質量信息;右側的信息采集區,是用戶輸入產品質量安全信息的主要操作區域。

圖4 二維碼生成系統主程序界面Fig.4 Interface of the main program of QR code generating system

2.1.2 追溯內容設計 陳艷紅等研究了稻米產業鏈并將其劃分為種植、儲存、加工及流通銷售幾個環節[18],因此本系統主要采集上述四個環節的關鍵質量安全信息,如圖5所示。

圖5 稻米供應鏈質量安全信息Fig.5 Quality and safety information of rice supply chain

種植階段是稻米安全生產的基本階段,相當多的質量安全信息在這個階段產生。對行業標準《稻米生產良好農業規范》中指標進行篩選[19],采集種植階段的信息有:種植基地、施肥灌溉、病蟲害管理及負責人,點擊生成二維碼,帶有該稻米生產階段質量安全信息的二維碼生成,打印粘貼于包裝袋。

儲存階段是稻谷在糧庫中貯藏的過程,這個周期比較長,是容易發生質量安全問題的階段。根據張來林等對稻谷儲藏品質的影響因素研究,本階段采集的信息包括:糧庫名稱、溫度濕度、品質分級及儲藏時間[20-21]。通過專用二維碼設備掃描得到從種植環節運輸來的稻米產品信息,在此基礎上加入儲存環節質量安全信息,并生成新的二維碼,打印粘貼于包裝袋。

加工階段是稻谷加工為稻米的過程,也是稻米容易發生質量安全問題的階段,結合吳林蔚等對大米品質的研究[22-24],本階段需要采集的信息有加工企業、蒸煮品質、色澤、氣味及負責人。通過專用二維碼設備掃描得到從儲存環節運輸來的稻米產品信息,在此基礎上加入加工環節質量安全信息,并生成新的二維碼,打印粘貼于包裝袋。

流通銷售階段也是質量追溯需要關注的一個重要環節,主要問題是流通過程中的外界污染,這個階段需要采集的信息有零售商及注冊編號。該環節是追溯的最后階段,通過專用二維碼設備掃描得到從加工環節運輸來的稻米產品信息,在此基礎上加入零售環節質量安全信息,并生成新的二維碼,打印粘貼于包裝袋。

2.1.3 用戶登錄與權限管理模塊 為保障產品信息的安全性,企業用戶在進入主程序前需通過登錄認證。首先,系統獲得用戶輸入的用戶名和密碼,連接數據庫進行驗證,如果與表中數據匹配則獲取此用戶的權限并彈出主界面,否則停留在登錄界面并彈出錯誤提示信息。

通過驗證數據庫中存儲的用戶信息與輸入信息是否一致實現用戶登錄。登錄成功后,將該用戶的信息(包括該用戶的名字、密碼、權限等)記錄在內存中,主程序將根據用戶不同的權限來呈現不同的操作內容和操作限制。例如,農田的工作人員可以將稻米在基地中的生長信息存儲到二維碼中,但不能對銷售環節的信息做任何操作;同樣,銷售人員可以在二維碼中添加銷售環節的相關信息,卻不能對前面環節的信息做任何修改,這樣可以防止供應鏈環節更改稻米安全信息的情況。

2.1.4 解碼與編碼模塊 獲得相應權限的用戶可進行二維碼的編碼與解碼操作。在稻米種植、儲存、加工、零售環節,某環節上的操作人員解譯上一環節傳輸過來的二維碼,并將當前環節的相關信息和二維碼中包含的產品信息混合,編譯為新的二維碼,傳輸到下一環節,這個過程分別是二維碼的解碼和編碼過程。

編碼類函數實現將文本信息轉化為二維碼圖片的全部操作。首先對文本內容進行數據分析,選擇相應的數據編碼模式并分段,計算每段位流長度[25];根據版本和選定的糾錯等級將數據碼字序列分為多個塊,分別進行糾錯運算并添加到數據碼字的后面,將所有的數據碼字和糾錯碼字按照一定的排列規則排成最終的碼字序列[26];布置模塊,將所有功能圖形放入指定位置,將最終碼字序列填入剩余的編碼區域中;加入掩膜將深淺色模塊均勻地排布在QR code符號中,增強其可讀性;然后加入格式信息和版本信息以便準確譯碼;最后通過主程序框架類函數完成二維碼圖形的繪制并呈現于二維碼顯示區。譯碼過程是編碼過程的逆操作。

譯碼類函數實現二維碼的解碼操作。首先,響應菜單中“打開”事件,可打開一個二維碼圖片,顯示在左上方的客戶區中。通過圖像類函數預處理圖片,采用加權平均值法灰度化處理,將灰度圖像轉化為僅有黑白兩色的二值圖像,得到識別圖像深淺模塊的布爾陣列;采用坐標法探測三個位置探測圖形的中心坐標以確定尋象圖形及符號旋轉角度,從而確定符號版本號;對格式信息進行譯碼,得到糾錯等級和掩膜圖形號,消除編碼區域的掩膜,恢復數據碼字和糾錯碼字;按照排列規則確定碼字并根據版本和糾錯等級重新按塊排列碼字序列,進行錯誤檢測和糾錯譯碼,恢復原始數據的位流并分段進行譯碼;最后,得到該二維碼圖片的文本信息,并顯示在頁面左下方。

2.1.5 文件管理模塊 可在菜單欄中選擇保存、打印客戶區中的二維碼。

依靠MFC提供的文件保存和打印功能實現文件管理。為了更便于稻米的流通,獲取更好的識別效果,本系統采用專業的二維碼打印機和二維碼專用紙來打印。

2.1.6 操作方法 種植、儲存、加工、零售供應鏈環節用戶獲得相應權限進入系統后,在數據輸入區中輸入相關質量安全信息后點擊“確定”按鈕后提交相應的數據內容,如果用戶在提交信息前已在客戶區打開一個二維碼,那么提交的信息包含之前二維碼的內容。選擇下方的糾錯等級,點擊“生成二維碼”按鈕,二維碼輸出到客戶區。

2.2 手機二維碼識別子系統的實現

2.2.1 圖像采集及預處理模塊 調用攝像頭的自動對焦API控制攝像頭,系統啟動后,攝像頭將一直處于對焦模式,當成功對焦后,調用圖像預處理程序,經過彩色圖像灰度化、二值化、條碼的定位與矯正預處理之后進行解碼,提高解碼的成功率。

2.2.2 解碼模塊 二維碼的解碼應用程序采用了開源的Zxing核心庫[27],并對其進行了優化,只保留其中圖像采集、圖像處理、條碼解碼等功能,并加入了GBK編碼漢字的處理功能[28],并基于此編寫了應用于Android平臺的二維碼識別軟件。

2.2.3 操作方法 打開軟件,將手機攝像頭正對二維碼圖片,使二維碼置于二維碼識別框,產品信息顯示于手機屏幕上方。

3 系統運行

3.1 二維碼生成子系統

采集稻米供應鏈各環節關鍵質量安全信息。在種植環節中,輸入追溯內容:生產基地為江蘇、灌溉用水為農家肥、基地土壤為無農藥、病蟲害管理負責人為雷#,生成二維碼標簽;儲存環節,打開上一環節即種植環節的二維碼,輸入本環節追溯內容:糧庫為南京1號、溫度12℃濕度為12%、電子鼻檢測等級為二級、儲存時間3個月,生成二維碼標簽;加工環節,打開上一環節即儲存環節的二維碼,加入本環節追溯內容:加工企業為鐵心橋、蒸煮品質為一級、色澤為一級、氣味為一級、負責人為雷#,生成二維碼標簽;銷售環節,打開上一環節即加工環節的二維碼,加入本環節追溯內容:銷售商為蘇果、注冊編號為123456。至此,整個供應鏈環節的產品追溯二維碼形成。

3.2 手機二維碼識別子系統

當消費者購買稻米產品時,通過手機二維碼軟件掃描得到該產品的供應鏈全程質量安全信息,包括種植、儲存、加工及零售幾個環節,掃碼結果如圖6所示。

圖6 手機二維碼追溯結果Fig.6 Traceability results of QR code based on Android cell-phone

4 結論

通過分析稻米種植、儲存、加工、流通環節存在的質量安全風險,建立了稻米供應鏈關鍵指標篩選。

針對現有稻米質量安全追溯系統成本高、設備便攜性差等問題,以QR碼為追溯載體,構建了一個基于QR碼識別的稻米質量安全追溯系統,實現了稻米從種植、儲存、加工到流通銷售的全程質量追溯。

開發了基于Android平臺的二維碼識別軟件,方便了公眾參與到食品安全監督體系中,實現從行政監督到社會公眾自發監督的轉變。

[1]Schwagele F. Traceability from a European perspective[J]. Meat Science,2005,71(1):164-173.

[2]Smith G C,Tatum J D,Belk K E,et al. Traceability from a US perspective[J]. Meat Science,2005,71(1):174-193.

[3]Murphy R G L,Pendell D L,Morris D L,et al. Review:Animal identification systems in North America[J]. The Professional Animal Scientist,2008,24(4):277-286.

[4]鄭火國.食品安全可追溯系統研究[D].北京:中國農業科學院,2012.

[5]Katia R,Livio M,Vittorio C. A novel reliable method of DNA extraction from olive oil suitable for molecular traceability[J]. Food Chemistry,2015,172:596-602.

[6]Siwatt P. A preliminary study of using polycyclic aromatic hydrocarbons as chemical tracers for traceability in soybean products[J]. Food Control,2015,47:392-400.

[7]王虎虎,徐幸蓮. 畜禽及產品可追溯技術研究進展及應用[J].食品工業科技,2010,31(8):413-416.

[8]劉堯,高峰,徐幸蓮,等.基于RFID/EPC物聯網的豬肉跟蹤追溯系統開發[J].食品工業科技,2012,33(16):49-52.

[9]顏波,石平,王廣文.基于RFID和EPC物聯網的水產品供應鏈可追溯平臺開發[J].農業工程學報,2013,29(15):172-183.

[10]任守綱,徐煥良,黎安,等.基于RFID/GIS物聯網的肉品跟蹤及追溯系統設計與實現[J].農業工程學報,2010,26(10):229-235.

[11]孫傳恒,楊信廷,李文勇,等.基于監管的分布式水產品追溯系統設計與實現[J].農業工程學報,2012,28(8):146-153.

[12]劉東,高西全. QR碼圖像處理及識別算法的研究[J].電子科技,2003,22:42-44.

[13]王文豪,張亞紅,朱全銀,等. QR code二維條形碼的圖像識別[J].計算機技術與發展,2009,19(10):123-126.

[14]施連敏,郭翠珍,蓋之華,等.基于二維碼的綠色食品溯源系統的設計與實現[J].制造業自動化,2013,35(8):144-146.

[15]劉鵬,屠康.稻米質量安全追溯過程FMECA研究[J].中國糧油學報,2010,25(11):8-12.

[16]劉鵬,屠康,侯月鵬.基于EPC體系的稻米安全追溯編碼系統研究[J].中國糧油學報,2009,24(8):129-134.

[17]劉鵬,屠康,侯月鵬.基于射頻識別中間件的糧食質量安全追溯系統[J].農業工程學報,2009,25(12):145-150.

[18]陳艷紅,胡勝德.優質稻米產業鏈整合的框架設計[J].中國農機化學報,2014,35(2):67-70.

[19]NY/T 1752-2009,稻米生產良好農業規范[S].

[20]張來林,李巖,陳娟,等.不同儲藏溫度及儲藏方法對稻谷品質的影響[J].糧食與飼料工業,2011,7:17-19.

[21]賀梅,張文忠,宋冬明,等.不同儲藏溫度及儲藏時間對稻米品質的影響[J].沈陽農業大學學報,2007,38(4):472-477.

[22]馬永強,韓春然,劉靜波.食品感官檢驗[M].北京:化學工業出版社,2005.

[23]張啟莉,謝黎虹,李仕貴,等.稻米蛋白質與蒸煮食味品質的關系研究進展[J].中國稻米,2012,18(4):1-6.

[24]吳林蔚.基于氣味和理化指標評價稻米儲藏品質的研究[D].南京:南京農業大學,2013.

[25]郭琳. QR code二維條碼編譯碼及自動識別技術的研究[D].昆明:昆明理工大學,2008.

[26]劉光輝.基于QR code的食品安全追溯物流研究[D].青島:山東科技大學,2011.

[27]Google. Zxing[EB/OL].[2014-11-10]http://code. google.com/p/zxing.

[28]袁人杰.二維QR碼識別算法研究及在智能手機上的應用[D].南京:南京理工大學,2012.

Design and actualization of rice quality and safety traceability system based on two-dimension barcode recognition

LEI Yun1,LI Yi-qing2,LI Ye-zi3,PAN Lei-qing1,TU Kang1,*

(1.College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Jiangsu yiyunbeier Beverage Co.,Lianyungang 222200,China;3.College of Information Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Tracing quality and safety of rice in a fast and efficient way is needed. A rice quality and safety traceability system with low cost and high portability based on two-dimension barcode recognition was developed.The system included two parts:a generating two-dimension code system of the product information based on the composite structure of C/S,and a recognizing two-dimension code system based on Android cell-phones. They were used for companies and consumers tracing production and distribution of rice products. The test results showed that the generating two-dimension barcode system could record safety and quality information of rice supply chain in a two-dimension code. The recognizing two-dimension code system could read the information in the two-dimension code. This research provided a viable scheme for rice quality and safety traceability and a reference for quality and safety traceability of other primary agricultural products.

rice;two-dimension barcode;quality and safety;traceability

2014-11-05

雷云(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：農產品加工與貯藏。

*通訊作者:屠康(1968-)，男，博士，教授，研究方向：農產品無損檢測、貯藏與加工。

公益性行業(農業)科研專項(201303088)；糧食公益性行業科研專項(201313002-01)。

TS213.3

A

1002-0306(2015)11-0257-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.044