基于物聯網的林產品可追溯系統設計

王興　郝吉　孔德強　馬楠　畢聰強　安立華

摘 要：為加強林產品質量安全管理，實現林產品生產加工及流通過程的標準化及透明化，解決目前林產品對可追溯信息網絡的需求，提出建立林產品可追溯系統。本文主要針對可食用林產品，確定追溯系統的體系架構，對追溯系統進行的設計，以及對林產品的生產、加工、銷售等環節的研究，利用二維碼技術、數據庫技術、RFID技術等物聯網技術將林產品納入追溯網絡，建立林產品可追溯系統。該系統可以較好地解決林產品來源和質量安全問題，維護消費者權益，并且強化政府對企業的監管能力、提高企業生產產品時的質量和自我約束能力，同時也為其他產品溯源提供基礎。

關鍵詞：林產品；可追溯系統；物聯網；質量安全；追溯

中圖分類號：S661；TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2018）05-0114-07

Abstract： In order to enhance safety management of forest products， and to achieve standardizing and hyalinizing on forest products planting， processing， transporting and other procedures， meet the needs of forest product requirement on the traceability information network， we brought up the forest products traceability system. This paper mainly works on the edible forest products， by establishing the structure of traceability system， designing the traceability system， and studying on producing， processing， selling and other links of the forest products， using two dimensional code technology， database technology， RFID technology and other Internet of Things technology to bring the forest products into tracing network and establish the forest products traceability system. The system can better solve the problem of forest product source and quality safety， safeguard consumer rights， strengthen the governments ability to supervise the enterprise， improve the quality and self-discipline ability of the company when producing products， and provide the basis for traceability of other products.

Keywords： Forest products； traceability system； Internet of Things； quality and safety； tracing

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對各種產品的質量要求也在不斷提高。我國是林產品生產大國，林產品市場十分景氣，但林產品市場也存在很多不和諧因素，特別是林產品的安全問題備受人們關注，如產地環境、土壤重金屬含量超標、農藥殘留、違規使用保鮮劑、防腐劑等添加劑和包裝材料、不按規定建立和保存生產記錄等[1]。

針對我國林產品的生產現狀以及存在的問題，可以借鑒數據庫技術、RFID技術和二維碼技術等已有農林產品質量安全追溯系統的研究成果，實現對林產品追蹤溯源。黃梅芳提出將RFIC技術、NFC技術與其他物聯網技術用于林產品尤其是森林木材的追根溯源[2]；葉祥根提出要以林產品標準化生產管理數據庫為基礎，移動二維碼技術為依托，通過二維碼所采集編碼信息為入口，通過物聯網技術，實現隨時隨地溯源管理[3]；林宇洪等人研究開發了基于二維碼技術的“農超對接”追溯系統，讓消費者參加并監督農產品的生產質量[4]。林產品可追溯系統，既可以讓政府監管部門實時監督林產品生產經營情況，又可以在林產品質量出現安全問題時，快速準確地追蹤到問題環節，及時召回問題產品，避免事件升級[5]，危害到更多消費者的權益。通過建立的林產品可追溯系統，最終實現提高林產品整體質量水平的目的。

1 追溯系統總體架構

林產品生產各個環節復雜，參與者眾多，為提高追溯系統的準確性，采用面向服務的體系架構（Service-oriented Architecture，SOA）。林產品可追溯系統總體架構如圖1所示，分為設備層、數據層、支撐服務層、應用層、用戶層和展示層6層結構。

（1）設備層。設備層位于系統架構的最基層，為系統運作提供初始數據。系統數據主要來自于工作人員錄入信息和使用聯網設備自動收集兩種途徑，系統通過為林產品供應鏈上的各單位開放信息錄入渠道來獲取一定的原始數據。該層以無線二維碼掃描儀、電子標簽打印機等為數據采集終端[6]。

（2）數據層。數據層是系統的數據庫，用于存儲系統數據，為應用層提供數據支撐，是系統運行的基礎。在本系統中，追溯系統的數據庫主要分為企業數據庫、生產數據庫、產品數據庫以及其他數據庫等[7]。這些表均以產品信息表為核心，同時又各自彼此獨立。對數據庫的此類設計，可以保證不同數據庫之間的獨立性與完整性，同時提供了較強的可操作性，實現從種植、采摘到產成品的正向追蹤及其過程的逆向追蹤，實現消費者、企業、政府之間的信息共享[8]。

（3）支撐服務層。支撐服務層是整個追溯系統的核心，其強大的信息綜合能力是整個追溯系統的基礎，為設計基于林產品可追溯系統業務和信息處理提供技術保障，主要包括：面向對象的設計和開發架構、網絡組件服務、數據通信、權限管理服務等[9]。

（4）應用層。應用層是系統的最高層和核心層，由數個功能合并成一個系統完整的功能。應用層的主要任務是在實現多個功能模塊信息交流的同時，完成一系列工作需要的任務，把系統的功能整體展現給企業或者終端用戶[10]。針對林產品質量安全追溯系統的關鍵環節和核心內容，按照林產品供應鏈流程以及管理單位，劃分為生產管理、企業管理、政府管理及其他管理。整個系統能夠實現數據的多維輸入和供應鏈全程追溯[11]。

（5）用戶層。指林產品可追溯系統涉及到的所有用戶，包括：消費者、管理員、政府監督部門人員、企業人員和基地人員等。基地人員通過基層終端負責原材料數據收集、轉運監測、向政府監管人員索取標識并打印標識；企業人員可以通過生產管理終端實施對生產環節的控制與管理；管理員和監管部門人員可以通過監督終端實施對基地人員工作和生產管理工作監督；消費者使用查詢終端如手機、個人電腦等用于查詢溯源信息[12]。

（6）展示層。為系統用戶提供人機交互界面，用戶可根據自身需要，通過網頁、手機、個人電腦、PAD等多種渠道完成交互。對于企業內部，提供的是一個林產品生產管理系統，方便企業獲得與林產品生產相關的信息，為企業更好地管理和組織林產品生產；對政府監管部門來說，提供的是監管系統，監管部門人員可利用權限實時對林產品生產進行審核、監督和管理；對消費者來說，該系統提供的是一個林產品信息查詢網站，消費者可通過輸入追溯碼或者掃描二維碼的方式來獲取林產品生產檔案信息，包括其種植、加工、運輸和配送等各個環節的信息，保障消費者知情權[13]。

2 系統設計

林產品可追溯系統的工作流程如圖2所示。

林產品從種植地開始，經過采摘、檢驗、生產、運輸、倉儲和銷售等環節，每到一個節點或是在運輸過程中都需要記錄大量的信息，所以需要一個完整的數據庫來記錄。為方便系統的維護和信息的收集，按不同的功能為系統設計子系統，并且按照節點信息的流動方向為系統設計數據庫表。詳細內容如下：

（1）系統功能結構設計。基于物聯網的林產品可追溯系統是以二維碼及與之對應的追溯碼作為標識碼，針對林產品從種植采集到銷售各個環節的信息及時收集和上傳，給產品建立檔案數據庫，為生產者對林產品的管理提供依據，同時也為監管部門提供有效的林產品質量安全機制[14]，為最終消費者提供準確的林產品質量安全追溯查詢服務。當消費者購買的林產品出現質量問題時，可以向政府監管部門進行反映和投訴，實現種植、生產、加工和銷售全過程的閉環管理。將整個系統的主要功能模塊分為七個部分，基地注冊子系統、生產加工信息子系統、企業銷售信息子系統、運輸信息子系統、倉儲信息子系統、監管部門子系統和用戶查詢子系統，各系統之間的數據傳輸流程如圖3所示。每個子系統也可分為多個小的模塊，針對于不同的相關主體錄入和采集信息，這樣就組成了一個完整的林產品可追溯系統。

（2）系統數據庫設計。服務器：操作系統WINDOWS 2000 Advance Server以上；數據庫服務器端SQL server 2010以上版本， Framework 3.5。結合數據庫設計原則并根據實地的調研和分析，創建如下數據庫表：企業信息表（company.info）、基地信息表（base.info）、質量檢測表（test.info）、生產加工檔案表（productfile.info）、種植分布表（plantingdistribution.info）、運輸信息表（transporting.info）、銷售信息表（sell.info）、標識信息表（id.info）和用戶信息表（user.info）等。數據庫表之間的關聯關系如圖4所示。整個數據庫圍繞林產品可追溯系統的主體，記錄了從種植到銷售全過程詳細的信息，為林產品建立電子信息檔案，實現了對林產品生產履歷信息的統一管理。

（3）標識的選擇。林產品標識設計要考慮成本問題和不同場景下的實用效果。如RFID標識雖然可以做到非接觸實現射頻自動識別，并且可以適應多重惡劣環境，但其成本較高，尚未達到大規模推廣應用；條形碼標識仍然是使用最廣泛的標識[15]；二維碼能夠做到儲存信息量大，信息密度高，容錯能力強且可以根據定義的要求給信息加密[16]，所以為了實現標識設計的低成本、易用性、可靠性和分類性等目標，本系統建議選擇快速響應二維碼技術。如在種植基地，生產環境惡劣，自然天氣對標識的影響較大，但是采用RFID的成本較高，可以采用二維碼，雖然易損，但是可以定期更換，成本也相對較低；而在運輸環節及倉儲環節統一使用二維碼可以方便系統的整體管理；在生產加工過程中，每一批次的商品需要記錄大量必要的數據，使用二維碼可以存儲的數據較多，而且也可以跟隨產品進入后續環節，也方便商品在銷售時的信息增刪。

3 林產品質量追溯各環節及各系統的應用

（1）林產品種植采集環節。原產地是林產品的初始環節，是林產品的質量和安全的保證，基地注冊子系統主要應用于種植基地，負責人及單位給種植區域安置攝像頭、GPS、溫濕度傳感器、光強傳感器和紅外傳感器等感應設備以在系統內記錄產地信息，方便監測環境并且產地應負責記錄對此區域產品的肥料、農藥維護保養信息，以及采摘信息，并上傳相應的視頻；產品在種植時就劃分好區域，配以對應的條形碼標識，以便于以后負責單位申請追溯碼，將信息寫入追溯碼對應的記錄[17]。

（2）林產品運輸及倉儲環節。進入運輸環節時，每輛運輸車專門配置與系統匹配的GPS，記錄物流運輸過程中產品的流通軌跡。同時，在車上應裝配RFID標簽，在貨車出入庫并裝卸貨時，通過讀寫器讀取RFID標簽中的信息，上傳至運輸信息子系統，并詳細記錄貨物運輸的裝卸貨時間、車輛信息、運輸路線、運輸時間等信息和完成信息的傳遞。

（3）林產品生產加工環節。在工廠進行加工環節時，工廠在生產加工信息子系統中記錄該批次貨物的工廠信息、產品的生產加工時間、生產批次和出入庫時間等信息。此處的設置可以更加方便政府管理，不僅可以保證工廠生產的質量，也可以在資金上更方便監管。

（4）林產品倉儲環節。倉庫管理者在庫內放置多種傳感器以記錄倉庫倉儲環境，如溫度等。倉儲信息子系統主要利用二維碼將林產品在倉儲環節內的林產品批次等信息、生產信息和包裝信息等進行錄入和存儲，并根據產品相關信息安排產品的庫區、貨架以及貨位等，二維碼能夠大大縮短不必要的時間，實現對林產品的快速盤點并自動生成清單錄入倉儲信息子系統。通過以上信息，根據訂單需求決定貨物是否出庫。

（5）林產品銷售環節。銷售環節是供應鏈的最終環節。銷售方在商品進行售賣時，跟蹤記錄配送信息，產品根據物流信息或零售商記錄等方式結束銷售環節，并將銷售信息上傳至企業銷售子系統。林產品大多是以零售的方式到達消費者手中，這也是最重要的消費方式，林產品在銷售環節中的停留時間也會影響到產品質量，并且消費者對于產品質量的信任也主要取決于零售商，因此所有的這些重要信息都應該被記錄處理，作為追溯的依據。

系統在每進入一個環節時都要更換標簽，重新寫入二維碼標簽內信息，產品除在商品上留有價格條碼外，也需要在確定單件商品的所有信息之后，在包裝上粘貼二維碼以及與二維碼所包含信息對應的追溯碼，以方便客戶查詢追溯信息；消費者如果想了解所購買林產品的情況，則可以用電腦到指定的查詢網站利用信息查詢子系統查詢，或是用手機掃描二維碼查詢，以獲取產品從種植到銷售之間所有環節的可能對質量有影響的信息；當產品出現問題時，政府監管部門可以利用其監管系統，根據追溯碼提供的信息進行溯源，可以很容易和快速地定位其他產品，并及時查封和銷毀，而消費者也可以快速檢查自己所購買的產品是否屬于問題產品。

4 追溯系統模擬展示

查詢網站基于Eclipse開發平臺建設，瀏覽器可以采用IE瀏覽器、360瀏覽器和谷歌瀏覽器等。用戶可以在電腦上登陸查詢網站，進入登錄界面，保存個人信息以及個人購買林產品的信息，登錄界面如圖5所示。點擊自助查詢可以進入根據用戶在查詢頁面輸入在包裝上寫有的追溯碼獲取對應的查詢信息。查詢到的信息按照追溯流程中的各個環節和路線排列，點擊各個環節的鏈接可以獲取該環節的產品信息、節點信息和運輸信息等。地圖選擇用百度地圖API制作的系統內置地圖，在查詢到追溯過程當中記錄的各個環節及路徑時將節點及路徑坐標按照相應的位置在百度地圖內進行標記，查詢結果如圖6所示。

5 結束語

在借鑒現有研究成果基礎上，從物聯網的角度出發，綜合運用了二維碼技術、數據庫技術，以及各種物聯網技術，構建了基于物聯網的林產品物流追溯系統。該系統是由物聯網技術與林產品物流相結合產生的，用戶利用終端設備如手機或電腦等對追溯碼進行掃描即可獲得林產品從種植、生產一直到上架銷售整個過程的追溯信息。系統可以有效解決市場上林產品來源信息不完善的問題，從根本上解決林產品來源和質量安全問題，保證林產品各個環節的公開化和透明化，維護消費者權益，并且強化政府對企業的監管能力、提高企業生產產品時的質量和自我約束能力，促進產品質量的提升，以滿足電子商務飛速發展的同時，對林產品物流信息方面的需求，同時也為其他產品溯源提供基礎。

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