基于物聯網技術的農產品供應鏈追溯體系研究

陳佳偉，劉文君 （南華大學 經濟管理學院，湖南 衡陽421001）

CHEN Jia-wei, LIU Wen-jun (School of Economic and Management, University of South China, Hengyang 421001, China)

0 引 言

近年來，農產品安全問題突顯，僵尸肉、地溝油、假牛肉等質量安全事故頻發，嚴重危害廣大消費者的健康和合法權益。我國傳統農產品生產加工、流通銷售的安全監管體系面臨巨大挑戰，如何確保農產品農藥殘留可控，如何杜絕農產品假冒偽劣現象，這一系列質量安全要求加快了我國農產品供應鏈追溯體系建設。而近幾年，物聯網技術快速發展，其信息集成、泛在識別、協同感知等技術利于解決農產品質量安全問題，以實現農產品定位、追溯和監控管理，從而支持和提升農產品追溯服務的可靠性和高效性。

目前國內外學者對物聯網技術在農產品追溯應用領域已逐步進行研究，部分文獻著重于研究RFID 技術解決農產品追溯難題，例如W.Gan[1]、黎安[2]、姚麗霞[3]等研究RFID 技術應用于農產品或食品冷鏈物流追溯；盧磊[4]等提出基于RFID 和Internet 的蔬菜追溯系統；也有學者研究RFID 技術結合其它技術應用于農產品追溯，例如劉曉霞[5]將RFID 與EPC 編碼、Savant 系統結合成EPC 網絡，構建肉類追溯系統；王棟[6]等設計與實現基于RFID、Web 技術、條形碼、非接觸式IC 卡等技術的肉類及蔬菜追溯系統；董君成[7]提出將ZigBee 技術以及GPS 模塊融入RFID 閱讀器，構建農產品冷鏈物流追溯系統等。

諸多文獻均以RFID 技術為研究核心，而WSN 技術未引起重視，鑒于農產品易腐蝕變質，對周圍環境非常敏感，利用WSN 技術實時采集農產品環境信息的重要性不可忽視；并且，文獻均側重研究物聯網技術層面，而對實現農產品溯源的過程分析有所忽略，沒有對可追溯信息進行細分且未構建完整的物聯網農產品供應鏈追溯體系。本文借鑒國內外相關研究，對農產品追溯模式進行探討，并研究EPC 網絡、WSN、GPS/GIS 和分布式數據庫結合應用于農產品追溯服務，結合供應鏈企業間和企業內追溯分析農產品溯源過程，構建基于物聯網的農產品供應鏈追溯體系。

1 農產品供應鏈追溯模式

2002 年，歐盟178 號法令定義“可追溯性”：食品、飼料、畜產品和飼料原料，在生產、加工、流通等所有階段具備追蹤其痕跡的能力[8]。農產品的可追溯性涵蓋供應鏈各個節點企業，貫穿生產、加工、流通、銷售等環節，要求對農產品從原料變成最終消費品的全過程所產生信息數據進行采集、傳輸、存儲和分析。

如圖1 所示，農產品供應鏈追溯模式可分為正向追溯和逆向追溯。正向追溯也稱預測結果追溯[9]，即追蹤農產品從供應鏈上游企業到下游企業流通過程中的動態信息或具體位置，如果上游企業發現問題產品已經流通至下游市場，可以及時查明該產品在供應鏈中具體位置，以便召回，減少各方企業損失和保障消費者利益。逆向追溯也稱診斷原因追溯[9]，指農產品供應鏈下游企業或消費者依據問題產品的信息鏈，向上游供應鏈追蹤該產品質量問題的根源和責任人。正向追溯與逆向追溯均由供應鏈企業間追溯和企業內追溯交替組成，企業間追溯是為了將追溯對象確定到具體企業，而企業內追溯是為了將追溯對象精確到具體的人、事、物。

2 農產品供應鏈中物聯網技術應用及其溯源過程

農產品涉及到種植業、畜牧業和漁業，品種多、范圍廣，在追溯業務實施過程中各有特色，故本文以蔬菜作為具體研究對象，分析多種物聯網核心技術結合應用于農產品供應鏈追溯服務。表1 介紹物聯網核心技術。

表1 物聯網核心技術

2.1 種植階段。蔬菜在種植階段要求對種子來源、質量參數、農藥化肥使用情況、產地等信息進行詳細記錄，采用EPC 網絡實時對此類靜態基礎信息采集、匯入數據庫并按規則編成EPC 碼，通過RFID 讀寫器將其寫入RFID 標簽；同時，鑒于蔬菜易腐敗變質的特殊性，對溫濕度環境、二氧化碳濃度等要求高，采用WSN 技術實時監測農產品生長時的溫濕度、二氧化碳等參數變化，在種植區域內靈活布置溫濕度傳感器、二氧化碳濃度檢測傳感器，每塊區域部署一個匯聚（Sink） 節點，匯聚節點負責接收傳感器實時動態信息并處理后通過互聯網傳輸給遠程監控中心。若種植區域規模龐大，則通過局域網將各塊區域的匯聚節點連接，實施分布式管理[11]。

若下游供應鏈將變質蔬菜追溯到種植基地，種植人員根據變質農產品化學檢驗結果，檢索EPC 網絡收集的蔬菜靜態基礎信息和WSN 收集的蔬菜生長動態信息，分析、判斷到底是種子有問題、農藥化肥使用不當，還是生長環境沒調控好等因素，最終找出問題所在；若種植基地發現已外銷蔬菜農藥含量超標，計劃追回問題蔬菜，則立刻檢索業務信息數據庫，找出并聯系下游采購商，協商處理問題產品。

2.2 加工階段。加工企業采用EPC 網絡將上游供應商提供蔬菜的相關基礎信息（已編碼） 利用RFID 讀寫器讀取存儲，再將供應商名稱、進貨數量、批次等采購信息和加工時間、負責人、產成品規格等加工信息匯入數據庫并編成EPC 碼，寫入RFID 標簽，以便將產成品倉儲時進行信息登記、核對；蔬菜加工時應采用監控攝像儀對加工車間進行實時監控，監測生產工人是否按要求操作，此類可視化動態信息通過專用網傳輸到監管平臺，分類儲存。

當下游供應鏈將問題產品追溯到加工企業，那么加工企業在排除后期倉儲和銷貨運輸過程無漏洞時，檢索EPC 網絡收集的蔬菜加工階段的靜態基礎信息和攝像頭拍攝的動態監控視頻，分析劣質品是原材料本身就有問題還是工人加工時操作不當造成，若是原材料問題，就可在政府監管機構協調下將劣質品追溯到上游種植基地，若是加工操作失誤，則可追責到車間負責人和操作員工。

2.3 倉儲階段。倉儲作業時，采用EPC 網絡將蔬菜加工信息利用RFID 讀寫器讀取核對，再將入庫時間、批次等信息轉化成EPC 碼，寫入RFID 標簽，以便在產品銷貨運輸前復核信息；鑒于蔬菜加工品雖經過包裝處理，但保鮮期短，對堆置方式、衛生條件有明確標準，對存儲環境溫濕度要求高，宜采用WSN 技術實時監測加工品倉儲時溫濕度環境參數變化，根據倉儲量大小，在庫房內靈活布置溫濕度傳感器，每個倉庫部署一個匯聚（Sink） 節點，負責接收傳感器動態信息并處理后通過互聯網傳輸給遠程監控平臺。若倉儲規模大，可實施分布式管理。庫房內也需配置監控攝像儀，監管倉管員是否按標準搬運、堆置產品，若操作不當易導致加工品受外力擠壓、腐??；也可預防員工偷竊、以次充好等弊端。

若下游供應鏈將問題產品追溯到加工企業，加工企業調查到倉儲部門，該部門可調出EPC 網絡采集的蔬菜產品倉儲階段基礎信息和WSN 采集的倉儲動態環境信息，以及視頻監控信息，分析劣質品是歸因于入錯庫房、倉儲環境未合理設置、搬運堆置方式出錯，還是內部人員以次充好等，進而找出相關責任人。

2.4 運輸階段。加工企業接到訂單并準備發貨，先采用EPC 網絡將產品出庫信息、訂單編號利用RFID 讀寫器讀取核對，再將發貨車輛、時間、路線等信息匯入數據庫平臺；針對運輸環節，將WSN 與GPS/GIS、監控攝像儀結合使用，傳感器節點負責采集處理在運蔬菜產品溫濕度環境信息，GPS 負責對運輸車輛實時定位和跟蹤，此類動態信息通過GSM 網絡傳入GIS 可視化系統進行信息集成[12]，GIS 將運輸車輛位置、運行參數、在運產品狀態顯示在電子地圖上，以實現對運輸車輛及運輸產品的動態追蹤；而攝像頭負責監控運輸車廂內部情況，預防運輸途中突發情況或運輸人員停車調包行為等。

若下游供應鏈將問題產品追溯到加工企業，加工企業查至運輸部門，該部門查詢EPC 網絡采集的蔬菜產品發貨前基礎信息，WSN 采集的運輸車廂溫濕度環境信息、運輸路線實時信息和車廂內監控視頻，判斷問題產品是歸因于發錯貨、運輸時溫濕度條件未合理設置、突發情況導致產品受損，還是運輸人員調包等，若存在上述問題，則找出責任人；反之，再調查企業內部其他環節。

2.5 銷售階段。銷售企業在接收蔬菜產品時，采用EPC 網絡將上游供應商提供蔬菜產品的基礎信息（已編碼） 讀取并存儲，再將供應商名稱、采購數量、時間等信息輸入企業數據庫并編入EPC 碼，當產品發往銷售網點時，還需將銷售點名稱、批次、賣出時間等信息匯入數據庫，編碼并寫入RFID 標簽，該標簽與產品一一對應。消費者購買產品后可通過查詢終端掃描RFID標簽，查詢產品在整個供應鏈過程中的公共基礎信息，若產品有質量問題，消費者直接憑RFID 標簽找銷售點，銷售點再反饋給銷售企業，逐層向上游供應鏈追溯劣質品的源頭。

3 基于物聯網的農產品供應鏈追溯體系構建

基于物聯網的農產品供應鏈追溯體系是物聯網技術在農產品追溯服務領域展開應用的基礎，該體系的構建有利于引導具體技術在具體追溯服務應用中的部署和實施。物聯網的一般體系結構可分為感知延伸層、網絡層、業務和應用層[13-15]。融入物聯網技術的農產品供應鏈追溯體系可以在物聯網三層體系架構的基礎上進一步拓展，如圖2 所示，該體系由感知層、網絡傳輸層、數據處理層、應用層和用戶層組成。

3.1 感知層。感知層主要實現對農產品在供應鏈各個環節中靜態、動態信息的標識、捕獲和采集。感知設備包括RFID 標簽和讀寫器、溫濕度傳感器、車載GPS、多媒體終端等。RFID 標簽可以貼在農產品各級包裝上，采取防水、防損、抗干擾處理；RFID 讀寫器則可以人工手持或安裝在倉庫內、出入庫口、物流關卡等地方，當農產品處于RFID 讀寫區域時，則對農產品基礎信息自動采集，該感知環節完成對農產品的標識信息，即靜態信息的獲取。在種植基地、倉庫、運輸車廂內靈活布置溫濕度傳感器，實時采集農產品溫濕度環境信息；車載GPS 實時上傳農產品運輸過程中的具體位置信息；視頻實時監控農產品生產加工、裝卸、搬運、倉儲、運輸等過程，此類感知環節完成對農產品動態信息的收集。

3.2 網絡傳輸層。網絡傳輸層應包括短距離無線傳輸和遠距離無線網絡傳輸。短距離無線傳輸融合藍牙、ZigBee 等短距離通信技術將讀寫器、傳感器、攝像頭等感知設備采集到的農產品數據信息傳輸給網關設備，當然，諸多文獻將短距離傳輸技術歸為感知層技術，但是，此處側重于強調網絡的傳輸功能，所以將其歸類到網絡傳輸層。遠距離網絡傳輸則以互聯網（IPv6） 和移動通信網為基礎，融合衛星網、專用網、異構網，將網關設備處的農產品數據無障礙、高可靠性、高安全性地傳輸給遠程服務器進行處理。

3.3 數據處理層。數據處理層利用分布式存儲技術自動分類存儲從感知層采集、通過網絡傳輸層傳來的數據信息并進行智能管理。從農產品種植到最終消費品全過程涉及到海量信息，可以將這些可追溯信息歸類為靜態信息和動態信息，靜態信息主要指農產品基礎標識信息，其中包括內部標識信息和公共基礎信息；動態信息包括溫濕度環境信息、實時監控信息、運輸追蹤信息等。分布式數據庫將農產品供應鏈各節點企業數據庫有效結合，各企業數據庫分別管理各自的農產品數據信息，為政府監管部門設置高級別訪問權限，而為節點企業設置普通訪問權限，當下游企業將問題產品向上游供應鏈追溯時，數據庫平臺根據普通訪問權限，將該產品公共基礎信息數據反饋給查詢企業，該企業根據反饋信息找出問題產品的直接供應商和上游供應鏈，并向政府監管機構發起追溯申請；直接供應商在政府監管機構監督下，檢索問題產品在本企業的所有歷史信息數據，包括內部基礎標識信息、溫濕度環境信息、實時監控信息、運輸追蹤信息等，若數據信息可疑，則在企業內部深度追溯，將可疑數據精確到與問題源發生的時間、地點、負責人一一對應；若所查詢的數據無爭議，則以相同的數據處理模式訪問上游供應鏈數據庫，直至搜索出問題信息數據，并將問題源所在數據庫進行標記，進行信用及風險評級。

3.4 應用服務層。應用服務層是整個追溯體系中最核心的部分，其目的就是提供高質量的追溯服務，追溯范圍可以拓展到整條供應鏈，也可以縮小到企業內部，保證用戶層能夠實時高效地追溯農產品供應鏈的每個環節，向前可以追蹤到農產品銷售分布情況，向后可以追蹤到農產品種植生產過程，不管哪個環節出現漏洞，都能夠快速找出根源，確認責任企業和責任人。整個應用服務層由農產品供應鏈企業間追溯服務和企業內追溯服務構成，企業間追溯服務主要通過農產品公共基礎標識信息追溯來實現，其目的是幫助企業找出問題產品的直接供應商和上游供應鏈，鎖定追溯對象和范圍，促成追溯服務在供應鏈企業間傳遞；而企業內追溯服務則是在下游供應鏈將本企業確定為直接追溯對象時開展，查證本企業是否為該問題產品負責，包括內部基礎標識信息追溯、溫濕度環境信息追溯、視頻監控信息追溯、運輸跟蹤信息追溯。農產品內部標識信息追溯服務幫助企業根據問題產品查詢其企業內專用的基礎信息，包括育種來源、農藥化肥使用情況、產出加工情況、出入庫、包裝、銷售情況等信息，有利于判斷問題產品是否因種植、加工、倉儲、運輸、銷售等環節的實際操作與標準操作不匹配而造成；溫濕度環境信息追溯服務為企業查詢分析問題產品在種植、倉儲、運輸階段的溫濕度環境信息，有利于找出農產品因環境條件出現漏洞，自身腐敗變質導致產品不合格的因素；視頻監控信息追溯服務幫助企業查詢問題產品在裝卸、搬運、進出庫、生產加工等環節的實時監控信息，有助于找出產品人為損壞、調包、不達標生產等行為所造成產品劣質的根源；運輸跟蹤信息追溯服務幫助企業查詢問題農產品全程運輸情況，有助于分析運輸車輛是否按時交貨，運輸途中有無突發情況等。

3.5 用戶層。用戶層涵蓋農業生產組織、加工流通企業、銷售企業、政府監管機構和最終消費者，形成完整的供應鏈體系，不同用戶對追溯系統有不同的管理、訪問權限。各供應鏈節點企業和最終消費者均可以根據問題產品向政府監管機構提出追溯申請，借助物聯網技術并結合企業間追溯和企業內追溯最終找出問題源。

4 結束語

構建統一的物聯網農產品供應鏈追溯體系，利于引導具體物聯網技術在具體追溯應用過程中的部署和實施，對農產品生產、加工、流通、銷售等各個供應鏈環節的有效信息進行標識、采集、存儲和關聯管理，對信息鏈實施動態監控和查詢，一旦發現產品存在質量問題，可以快速查出該產品的流通信息并對問題產品進行控制，結合供應鏈企業間追溯和企業內追溯，找出產品負責企業、企業內出錯環節及具體責任人，實現農產品信息全方位追溯，有效解決農產品追溯效率低、追溯精度差等難點，從而及時發現和排除農產品質量安全隱患。

當然，在科技迅猛發展的物聯網背景下，該追溯體系有待進一步完善和升級。T. Sa'nchez Lo'pez[16]等指出EPC 網絡仍無法較好地融合傳感器數據，有關處理傳感器數據的標準協議有待拓展。換言之，EPC 網絡目前只能與WSN 技術結合使用，滿足對不同性質數據的采集、傳輸。物聯網未來發展趨勢就是將WSN 技術植入RFID 芯片[16]，與EPC 網絡合二為一，提高感知層、網絡傳輸層對多樣性數據采集、傳輸的效率，優化物聯網環境下農產品供應鏈追溯體系結構。

[1] W.Gan, Y.Zhu, T.Zhang. On RFID Application in the Tracking and Tracing System of Agricultural Product Logistics[C]//CCTA2010, Part II, IFIP AICT345, 2011:400-407.

[2] 黎安. 基于RFID 的農產品跟蹤與追溯體系的研究[D]. 南京：南京農業大學（碩士學位論文），2009.

[3] 姚麗霞. RFID 技術在食品冷鏈物流追溯中的應用[J]. 物流工程與管理，2013(8):45-46,76.

[4] 盧磊，張峰. 基于物聯網的蔬菜可追溯系統的設計與實現[J]. 電子設計工程，2011(7):19-22.

[5] 劉曉霞. 物聯網在物流追溯服務中的應用[J]. 物流技術，2013,15:252-254.

[6] 王棟，朱祥賢，錢昕,等. 基于物聯網技術的肉類和蔬菜流通可追溯系統研究[J]. 湖北農業科學，2013,24:6166-6171.

[7] 董君成. 基于ZigBee 技術的農產品冷鏈物流追溯系統研究[J]. 物流技術，2014(6):85-88.

[8] 白云峰，陸昌華，李秉柏. 畜產品安全的可追溯管理[J]. 食品科學，2005(8):473-477.

[9] EAN. UCC Specification for the Identification and Traceability of Fruit, Vegetables and Potatoes[R]. EAN Belgium. Luxembourg, 2003.

[10] 王璐超，劉軍. 無線傳感器網絡在物流中應用的關鍵技術與前景分析[J]. 物流技術，2010(5):141-143.

[11] 韓震，萬華，王云皓. 無線傳感網在庫存管理中的應用研究[J]. 物流科技，2011(8):102-105.

[12] 林威，林振山. GIS 在我國物流領域中的應用研究[J]. 物流工程與管理，2011(2):1-5.

[13] 朱洪波，楊龍祥，朱琦. 物聯網技術進展與應用[J]. 南京郵電大學學報（自然科學版），2011(1):1-9.

[14] 朱曉榮，孫君,等. 物聯網[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[15] 孫其博，劉杰,等. 物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]. 北京郵電大學學報，2010(3):1-9.

[16] T. Sa'nchez Lo'pez, et al. Adding Sense to the Internet of Things[J]. Pers Ubiquit Comput, 2012,16:291-308.