物聯網環境下食品安全云計算平臺模型

張龍昌，楊艷紅，王曉明

(1.渤海大學 信息科學與技術學院,遼寧 錦州 121013；2.渤海大學圖書館，遼寧 錦州 121013)

物聯網環境下食品安全云計算平臺模型

張龍昌1，楊艷紅2，王曉明1

(1.渤海大學 信息科學與技術學院,遼寧 錦州 121013；2.渤海大學圖書館，遼寧 錦州 121013)

物聯網環境下，食品安全信息系統存在建設重復投資嚴重，缺乏完整統一的系統，海量食品安全信息處理、存儲、共享難等問題，對食品安全信息資源的有效管理和利用提出了嚴峻的挑戰。云計算取之不盡的計算和存儲能力不僅能有效處理海量數據，又能為用戶提供按需分配，減少信息系統建設投資，因此提出基于物聯網的食品安全云計算平臺模型。首先提出食品安全物聯網模型，刻畫物聯網環境下的食品安全應用系統運行模型；接著提出物聯網環境下的食品安全云平臺總體架構；最后提出物聯網環境下異構終端的整合機制和服務端來自不同服務提供商的服務整合機制。該模型不僅適合構建大型物聯網環境下的食品安全云平臺，也支持小型本地化物聯網環境下的食品安全云計算平臺。

物聯網環境；食品安全；云計算；服務；整合

1 概 述

2008年，IBM提出“智慧地球”的構想，隨后上升為美國國家戰略。為實現歐洲在物聯網功能架構上的主導作用，從而獲得經濟增長，給人們生活帶來益處，歐盟委員會提出《歐盟物聯網行動計劃》，通過十四個行動計劃實現物聯網。在《讓科技引領中國可持續發展》的重要講話中，溫總理提出包括物聯網在內的五大國家新興戰略性產業。隨后，物聯網成為學術界和產業界廣泛討論的熱點領域。農產品由生產到餐桌需要經過若干環節的處理，如種植養殖環節、加工處理環節、運輸倉儲環節、銷售環節等，任何環節處理不當都可能造成食品的污染，從而產生食品安全問題[1]。學者們開始研究物聯網技術在食品安全領域的應用，目前研究成果主要集中在4個方面。

(1)物聯網在食品、農產品生產環節的應用。采用傳感器對葡萄種植園的溫度、濕度、光照、風速、風向信息進行實時采集，同時利用傳感器對酒窖中的溫度、濕度信息進行檢測，形成一套完整的葡萄酒生產過程的傳感器網絡系統，有效監測高品質葡萄酒生產過程中的環境參數，大大提高了葡萄酒的質量[2]。將傳感器節點部署到食品加工生產企業加工過程的各關鍵節點上，采集環境信息，將信息通過GPRS傳送到PC端或手機端，從而形成一套基于物聯網技術的食品加工過程信息采集系統，能實時監控加工過程的環境信息，提高食品的安全質量[3]。

(2)物聯網在食品、農產品物流環節的應用。文獻[4]在裝有菠蘿的紙箱和塑料箱上安裝傳感器，采集長途運輸過程中的環境信息變化情況，將該方法與傳統的溫度記錄法進行比較，提出采用傳感器的方法更加高效和準確。將溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器應用到采用空陸聯運方式的新鮮魚長途運輸過程中，作為一次有效的嘗試[5]。將溫度傳感器從冷鏈運輸車中采集的信息，通過GPRS技術實時傳送到數據中心，從而做到實時監控溫度狀況[6]。水果聯運過程中安裝傳感器節點，基于ZigBee網絡進行聯網，檢驗傳感器節點在低溫環境下的有效性，通過對環境濕度的變化，建立快速確定水果中水分的模型[7]。將具有溫度傳感器的半被動式RFID安裝到冷藏車廂或保溫容器立體空間中，檢測廂內的最高溫度，從而建立冷藏空間中物品表面或內部的溫度與冷藏裝置顯示溫度的關系模型[8]。

(3)物聯網在食品溯源中的應用。文獻[9-10]分別設計了食品生產、加工、運輸、銷售各環節的信息采集集成系統，從而實現食品的溯源。為實現乳品從生產到消費過程的監控和溯源，文獻[11]在RFID技術基礎上設計了奶品質管理系統、現場監控分析系統、運輸監控系統和報警系統。基于帶有傳感器的RFID技術，文獻[12]提出一套食品安全監控預警平臺，并應用到廣東省某市的食品安全監控和預警中。將RFID技術、EPC技術應用到肉品企業信息資源平臺架構中，設計出肉品追溯體系，從而提高肉品信息的實時性、準確性和可靠性[13]。文獻[14]對食品生產、運輸、流通過程進行統一標識，采用EAN.UCC標準進行三維編碼，構建食品供應鏈的追溯系統。文獻[15]認為目前RFID技術在食品跟蹤行業的應用成本過高，在一些普通的低成本行業不太適用；提出了一種基于二維碼和互聯網的低成本技術的食品跟蹤、分析、監測的物聯網解決方案。

(4)基于物聯網的食品安全系統。為降低農產品物流成本，提高安全質量，向農產品供應鏈管理和安全質量追蹤溯源提供詳細、全面與準確的電子信息。文獻[16]提出了一種基于物聯網的農產品質量安全信息系統平臺，該系統側重于解決農產品在生產、流通、加工過程中的產品質量信息的獲取。

(5)基于云計算的食品安全系統。云計算作為物聯網環境下海量、異構數據存儲和計算中心，在食品安全監控中也有一定研究。文獻[17]認為食品安全監理體系中管理的數據量大、技術要求較高，構建了基于云計算的食品安全監理架構，實施對食品安全信息及風險評估的管理。現有淡水魚養殖各個環節的信息化系統孤立存在，并沒有形成整個環節的集成，文獻[18]在云計算基礎上提出淡水魚養殖平臺架構，由數據層、支撐層和應用層三個部分組成。已有食品安全信息監控與分析平臺在信息的及時性、準確性、全面性三個方面的研究存在不足，文獻[19]首先對信息采集的范圍、風險預警的目標等進行整體規劃，在其基礎上提出包括基礎設施層、計算框架層、信息處理層、用戶服務層的全球食品安全信息監控與分析云平臺架構。文獻[20]分析食品產業的發展狀況，提出食品安全信息具有量大、種類繁多、處理要求速度快、格式單一導致數據的價值偏低等大數據的特征，提出基于云計算技術的以檢測數據為支撐的交互平臺，將食品安全大數據信息在云平臺上進行匯集、整理、加工和分析，再通過網頁、電話、移動設備應用等方式向用戶提供服務。文獻[21]嘗試用云平臺搭建為農產品商流與物流的紐帶，通過信息平臺向用戶提供商流與物流資源信息，方便決策。管理平臺將絕對權威的政府引入管理體系，建立健全相關規章制度；由若干個業務子平臺構成，通過各種手段，管理平臺全程監控農產品流通。

上述研究主要將物聯網應用到食品安全監管的各個環節中，逐漸形成物聯網環境下的食品安全控制，但是上述研究成果都沒有解決下述問題：長期以來食品安全信息化建設重復投資嚴重，信息化長期落后；由于信息孤立不能形成完整、統一的食品安全信息；物聯網環境下海量食品安全信息處理、存儲、共享難等問題，對食品安全信息資源的有效管理和利用提出了嚴峻的挑戰。云計算取之不盡的計算和存儲能力不僅能有效處理海量數據，又能為用戶提供按需分配的個性化服務。云計算應用于食品安全領域的監管是不可避免的趨勢，因此文中提出基于物聯網的食品安全云計算平臺模型。

2 食品安全物聯網

由國際電信聯盟對物聯網定義的演變，食品安全物聯網是實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，它是通過二維碼技術、RFID識別技術、傳感器技術、全球定位技術等，按照約定的協議將食品供應鏈上的物流、信息流與互聯網相連，進行信息交換和通信。

食品供應鏈由食品的生產、加工、物流、銷售、消費等環節構成，物聯網在食品供應鏈中的應用包括生產監測及管理、加工過程監測及管理、流通環節監測及管理、食品質量溯源、食品質量檢測、食品安全信息監控和分析等。圖1描述了物聯網在食品安全中的應用過程。數據采集階段利用傳感器、音頻設備、視頻設備、GPS、手機、電腦、電視等采集食品在生產、加工、物流、銷售、消費過程中涉及的食品原材料、加工食品的相關信息，通過無線網、移動通信網、互聯網、廣播電視網將食品安全信息傳到互聯網上的數據處理中心，數據處理中心將食品安信息加工處理后通過業務融合網絡展現給消費者用戶、服務用戶(食品供應鏈上涉及的使用食品安全信息的用戶)、第三方(食品安全監管、檢測等機構用戶)。物聯網環境下的食品安全信息特點包括：

(1)數據海量，包括食品供應鏈上食品狀態、環境、設備及互聯網輿情等信息；

(2)數據類型多樣，食品安全數據不僅有業務處理的結構化數據，也有音頻、視頻等非結構化數據，同時存在文本、網頁等半格式化數據；

(3)多數據源，數據不僅來源于傳感器等設備的自動采集，也可能來自用戶的錄入，同樣也可能來源于互聯網的自動收集；

(4)數據格式異構，不同類型的數據描述的方式存在不同，即使同一類型的數據來源于不同系統其描述的格式也不盡相同。

圖1 食品安全物聯網

3 平臺總體架構及功能

根據文中提出的物聯網環境下食品安全信息化存在的問題和物聯網環境下的食品安全信息的特點，結合物聯網、云計算、SOA等技術，提出物聯網環境下食品安全云平臺總體架構(見圖2)。平臺由食品安全云計算終端平臺和食品安全云計算服務端平臺相互作用，支撐物聯網環境下消費者用戶、服務用戶、第三方用戶對食品安全信息的操控和檢索，實現完整、準確、及時、無縫地反映食品供應鏈上的食品安全信息。

圖2 物聯網環境下食品安全云平臺總體架構

3.1 終端服務平臺

食品安全云計算終端服務平臺面向計算機網、電信網、廣播電視網，提供統一的訪問方式，根據用戶的當前網絡環境、終端環境和偏好自適應切換網絡，通過統一終端應用支撐平臺訪問上述三種網絡，支撐用戶的異構終端環境(電腦、平板電腦、智能手機、電視等)，從而向食品安全云計算終端平臺發送請求/接收應答。

3.2 服務端服務平臺

食品安全云計算服務端平臺實現海量、異構、多源數據的存儲、計算，實現IaaS、PaaS、SaaS三層服務的集成，提供有區別的本地化服務和公共服務。下面詳細介紹服務端平臺的層次結構。

(1)IaaS服務層：基礎設施服務可以從第三方服務提供商購買，也可基于自有基礎設施建立。食品供應鏈上的參與單位(或主管部門主導)應當建設1個或多個共享云服務中心，對于部分食品安全信息保密、安全要求較高的單位搭建專門用于本單位食品安全信息監管的私有基礎設施平臺，同時能夠利用第三方提供的部分基礎設施。這里的基礎設施包括計算設備、存儲設備、感知設備、無線網絡、電信網絡、廣播電視網絡等，將基礎設施虛擬化，形成計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、I/O資源池，從而向上層服務或終端提供基礎設施服務。

(2)PaaS服務層：平臺服務層主要包含存儲類平臺和面向應用類平臺。存儲類平臺需要能夠支持結構化數據、半結構化數據和非結構化數據三種類型，因此由SQL類數據庫系統和分布式文件系統組成，存儲類平臺共同搭建1個或多個，對于有私用要求的單位可自行搭建本地平臺，也可使用第三方搭建平臺。應用服務類平臺提供應用系統運行環境、完成請求/計算/應答，為自動采集數據提供支撐環境，能夠實現自動化辦公及其他相關能力，應用服務平臺具有公共搭建、單位私用搭建和第三方提供三種方式。

(3)SaaS服務層：該層是實現食品安全監控的獨有、關鍵部分，平臺支持公共應用、本地應用和第三方應用，為實現更高的軟件復用，采用SOA技術設計該層。SaaS服務層設計若干公共Web服務、本地使用Web服務以及引用或直接使用的第三方服務，這些服務在SaaS服務管理層的服務注冊中心中注冊，通過服務推薦自動向用戶推薦與其偏好相符的服務，通過工作流技術將原子服務組合形成功能更強的服務供用戶調用，在SaaS應用層形成面向食品安全具體需求的若干食品安全公共應用系統、第三方應用系統以及本地應用系統。其中本地應用系統面向某獨有單位，確保數據的私密性和安全性，其由本地應用基礎平臺提供相關能力；第三方本地應用系統通過支持標準化接口，與本地基礎平臺無縫集成，成為本地食品安全應用系統的一個有機組成部分。

4 整合機制

物聯網環境下食品安全信息服務的整合需要考慮異構終端的整合和云計算服務端(即現有服務系統)的整合。異構終端的整合需要考慮電腦、智能手機、電視等，通過互聯網、電信網、無線網以及廣播電視網訪問食品安全云計算平臺和發布信息的情況，需要建立統一的訪問方式。現有服務系統的整合需要考慮硬件基礎設施的整合、平臺服務的整合和應用服務的整合。

4.1 異構終端的整合

由于無線網絡尤其是移動數據網絡具有傳輸速率慢、時延大、穩定性差等缺點，如果采用瀏覽器/服務器模式與云服務進行交互，將大大降低云計算平臺的效能。另外，食品安全業務量大、操作頻繁，使用單純的瀏覽器很難完成復雜的業務操作。通過將用戶界面的顯示進行最大程度的本地化，可以有效降低數據傳輸量；將計算和海量信息存儲到云端，充分利用云的超強計算和存儲能力；另外還能實現異構終端的有效整合。因此，采用C/S模式設計異構終端的整合機制，是實現異構終端、異構網絡下向用戶提供統一、無縫、自適應訪問方式的有效途徑。異構終端整合框架如圖3所示。

圖3 異構終端整合框架

考慮到異構終端框架應具有高度可擴展性，應能跨手機操作系統、計算機操作系統以及數字電視操作系統，還應能實現不同網絡協議之間的信息交換，不同的網絡產生不同的網絡協議，因此實現網絡協議的集成應在高層協議上實施。因HTTP協議簡捷、快速，能夠適應智能手機終端、計算機終端和數字電視終端，所以通過HTTP協議來傳輸數據。XML具有較強的自我描述能力，服務端、客戶端在信息交換過程無需事先約定數據格式，XML實現信息的交換具有較大的靈活性，因此采用XML作為云端和終端的數據交換。

由于終端包含了智能手機、電腦和數字電視等，操作系統繁多。為了更好地設計食品安全信息系統客戶端軟件，設計一個跨操作系統的開發平臺，該平臺可以向客戶端提供短信、彩信等通信能力和位置信息、多媒體播放、相關引擎及其他服務能力等接口，提供處理HTTP請求、連接管理、自適應用戶終端環境能力，同時也提供業務能力插件支撐環境。

在開放平臺上對應較為粗粒度，能夠完成一定功能的組件，如位置信息處理、多媒體集成、終端內容讀取、通信利用和訪問服務端能力組件等。在這些粗粒度的組件基礎上構建食品安全應用，向電腦用戶、智能手機用戶、數字電視用戶展示統一的應用界面。

4.2 云計算服務端的整合

云服務端的服務有IaaS、PaaS、SaaS三種類型，物聯網環境下食品安全云計算服務端的整合需要對這三種類型的服務進行整合，而IaaS、PaaS服務可以通過封裝成SaaS服務的形式被調用，因此云計算服務端的整合過程實質上是SaaS服務的整合過程。下面介紹SaaS服務的封裝技術和食品安全綜合業務整合過程。

(1)基于開放式API的服務生成。

通過開放式API向外提供服務是互聯網服務主流方法，該方式采用封裝技術實現用戶需求功能，開發者只關心API的功能和調用接口，不必關心具體實現，因此有利于開發人員專注于邏輯本身。Parlay API、JAIN、SIP Servlet是通信領域的主流技術，REST API和Web Services是互聯網領域的主流技術。

(2)腳本語言實現服務封裝。

腳本語言實現業務的開發，其抽象層次在API業務開發之上，但對低層的網絡能力的開發不如API，開發者使用特定的腳本語言對業務規則進行說明，該方式非常適合專業編程能力較弱、業務能力較強的開發人員。目前腳本語言大部分是基于XML形式實現，CPL、SCML、VoiceXML、XTML和CCXML等是基于XML的典型的通信領域的業務開發腳本語言，BPEL是廣泛應用于互聯網領域的Web服務腳本開發語言。腳本語言的好處是關注業務邏輯，具有高重用、可移植性等優點。

(3)構件實現服務封裝。

實現高度的軟件復用是現階段軟件體系結構設計的基本思路，構件是實現軟件服務的基本技術，通過構件實現代碼的重用，通過構件的組合實現更強功能，從而實現業務的快速開發。目前有CORBA對象、COM/DCOM、EJB等主流構件技術，構件的典型表現形式是類，具有規范的二進制編碼，可以獨立部署、運行的類。

(4)綜合服務整合。

綜合服務整合同時支持開放API技術、腳本技術和構件技術。圖4是融合了三種技術的食品安全綜合應用整合體系。XML翻譯和GAML腳本解析器為各種轉換過程，CPL腳本、BPEL腳本、EBPEL腳本(擴展的BPEL腳本)、食品安全領域構件、食品安全開放API是整合過程涉及的各種實體。

圖4 云計算服務端綜合服務整合框架

5 結束語

長期以來食品安全信息的監管存在不統一、信息不完整，食品供應鏈上單位信息化水平差距較大，相同類型單位信息系統重復投資嚴重，不能有效對食品進行監管等問題。隨著信息技術的迅速發展，將物聯網技術應用到食品安全監管領域，在提高食品安全監管能力的同時，也產生了數據量大、異構和多源等問題。

針對上述問題，提出物聯網環境下基于云計算的食品安全云計算模型。該模型能夠根據不同用戶的需求按需分配信息資源，適應物聯網環境異構大數據的存儲和計算，能夠有效整合異構終端和服務端的異構服務，能對物聯網環境下食品安全云平臺的建設提供有效的參考。

[1] 劉東紅,周建偉,莫凌飛.物聯網技術在食品及農產品中應用的研究進展[J].農業機械學報,2012,43(1):146-152.

[2] Anastasi G,Farruggia O,Lo Re G,et al.Monitoring high-quality wine production using wireless sensor networks[C]//42nd Hawaii international conference on systems science.Waikoloa,Big Island,HI,USA:[s.n.],2009.

[3] 高英明,金仁成,澎 渤,等.面向食品安全的無線傳感器網絡系統設計[C]//中國儀器儀表與測控技術報告大會.出版地不詳：出版者不詳，2008:434-437.

[4] Amador C,Emond J P,Maria C N N.Application of RFID technologies in the temperature mapping of the pineapple supply chain[J].Journal of Food Measurement and Characterization,2009,3(1):26-33．

[5] Abad E,Palacio F,Nuin M,et al．RFID smart tag for traceability and cold chain monitoring of foods: demonstration in an intercontinental fresh fish logistic chain[J].Journal of Food Engineering,2009,93(4):394-399．

[6] 王曉東,張宏建,周洪亮,等.GPRS技術在運輸食品溫度監測中的應用[J].農機化研究,2009,31(2):83-86.

[7] Ruiz-Garcia L,Barreiro P,Robla J I.Performance of ZigBee-based wireless sensor nodes for real-time monitoring of fruit logistics[J].Journal of Food Engineering,2008,87(3):405-415．

[8] Jedermanna R,Ruiz-Garciab L,Lang W.Spatial temperature profiling by semi-passive RFID loggers for perishable food transportation[J].Computers and Electronics in Agriculture,2009,65(2):145-154．

[9] Ruiz-Garcia L,Steinberger G,Rothmund M.A model and prototype implementation for tracking and tracing agricultural batch products along the food chain[J].Food Control,2010,21(2):112-121．

[10] Zhang Xiaoshuan,Liu Shunyi,Xu Mark,et al．Applying evolutionary prototyping model for eliciting system requirement of meat traceability at agribusiness level[J].Food Control,2010,21(11):1556-1562．

[11] 劉東紅,唐佳妮.乳品質量安全溯源和監控體系構建[J].東北農業大學學報,2010,41(5):149-153．

[12] 謝潔銳,胡月明,劉才興,等．基于無線傳感器和RFID的農產品安全全程監控平臺[J].中國農機化學報,2007(1):79-80．[13] 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.

[14] 梁正平,紀 震,林佳利,等.基于三維編碼的全流程食品追溯系統[J].深圳大學學報:理工版,2010,27(3):312-316.

[15] 鄧方源,景小平.基于物聯網的低成本食品跟蹤技術的應用研究[J].計算機科學,2011,38(10):26-29.

[16] 張 麗,余 華,馬新明.基于物聯網的農產品質量安全信息系統平臺[J].中國科學:信息科學,2010(S1):220-229.

[17] 鄧小云,劉宏志.基于云計算的食品安全監理研究[J].北京工商大學學報:自然科學版,2012,30(4):75-78.

[18] 劉光明,季延濱,孫學亮.基于云計算的淡水魚封閉循環式養殖平臺設計[J].湖北農業科學,2015,54(11):2755-2757.

[19] 黎建輝,楊風雷,崔建業,等.全球食品安全信息監控與分析云平臺架構研究[J].計算機應用研究,2014,31(8):2361-2366.

[20] 劉 彤,譚 紅,張經華.基于大數據的食品安全與營養云平臺服務模式研究[J].食品安全質量檢測學報,2015(1):366-371.

[21] 王娟娟.基于電子商務平臺的農產品云物流發展[J].中國流通經濟,2014(11):37-42.

Cloud Computing Platform Model of Food Safety under Environment of Internet of Things

ZHANG Long-chang1,YANG Yan-hong2,WANG Xiao-ming1

(1.College of Information Science and Technology,Bohai University,Jinzhou 121013,China; 2.Library of Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Under the environment of Internet of things (IoT),the problems exist in food safety information system like serious repeat construction investment,the lack of a complete and unified system,and difficult massive food safety information processing,storing and sharing,which severely hinders effective management and utilization of food safety information resources.Cloud computing,which is of massive computing and storing ability,not only can process the mass data effectively,but also provide on-demand resources to reduce the construction investment of information system,so the food safety cloud computing platform model is built based on Internet of Things.First,food safety of IoT mode is proposed,which portrays food safety applications running model in IoT environment.Then,the overall architecture of food safety cloud computing platform is presented under IoT environment.Finally,the integration mechanism of heterogeneous of terminal and of services from server are proposed.The model not only could construct large-scale food safety cloud computing platform in IoT environment,but also support small and localized one.

environment of Internet of Things;food safety;cloud computing;service;integration

2015-10-28

2016-02-25

時間：2017-01-04

教育部人文社會科學研究青年基金項目(15YJC870028);遼寧省自然科學基金(2015020009)；遼寧省哲學社會科學規劃基金項目(L15BTQ002)；遼寧省教育廳科學技術研究一般項目(L2014451)

張龍昌(1977-)，男，博士，副教授，碩士生導師，CCF會員，研究方向為數字圖書館和云計算。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1023.024.html

TP39

A

1673-629X(2017)01-0107-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.024