基于物聯網和云計算的農產品質量安全追溯管理平臺

張舒寧

（山西農業大學 軟件學院，山西 晉中 030801）

0 引 言

隨著民眾生活水平質量的不斷提高，農產品的質量安全問題越來越受國家及人民的關注[1]，大眾提倡健康飲食，更加看重食品的質量安全。為了提高并保障日常食用的農產品的安全質量，需要從多角度多方面進行監管管理，如規范、標準農產品的生產流程與生產環境，加大對產品安全質量的監控管理[2]，建立完善農產品相關法律規定[3]，使農產品投入和生產更加嚴格化、規范化。利用物聯網技術對農產品的生產全過程進行跟蹤追溯，實現互聯共享的信息安全體系[4-6]，建立實現政府監管、企業生產基地管理、消費者查詢農產品質量信息的系統平臺，對提高我國農產品質量安全水平具有重大意義[7]。

為了加強農產品質量安全監管能力，提高農產品企業質量安全意識[8]，滿足公眾的農產品質量安全追溯需求[9]，本文提出一種基于物聯網建設穩定可靠的農產品質量安全追溯管理平臺[10-11]。

1 系統設計

1.1 總體技術設計

1.1.1 頂層設計方法

本文采用頂層設計方法構建農產品質量安全追溯管理統一平臺，支撐區/縣、鄉鎮多層級使用，實現市內公眾農產品質量安全追溯信息跨區域、零距離查詢的創新業務模式。

1.1.2 “數據+服務”系統構架

本設計采用此設計思路進行系統構架，以支撐業務發展過程中的數據統計分析、統計報表、業務流程配置等靈活便捷的業務需求。

1.1.3 開發環境

本文采用Windows 操作系統、JDK（J2EE）開發環境、Java 開發語言，數據庫采用Oracle 11g、B/S結構，確保追溯管理平臺高效、順暢運行，具有安全性、可靠性、穩定性、開放性和拓展性等特點。

1.2 技術開發路線設計

因為Java具備面向對象且不依賴于硬件環境的開放架構，具有較好的可移植性、較高的安全性、敏捷的響應和強交互能力，因此采用Java進行平臺設計，可保證系統具有良好的擴展性、安全性和維護性。整個系統需要一個強的交互性數據庫應用，所以需要將多種Java 技術相結合以動態實現系統的交互，即將JSP、Java Applet、JavaBean、Servlet等技術相結合，協同處理系統的交互、操作功能。數據庫訪問、會話采用JSP技術和JavaBean，圖像處理、網絡傳輸、查錯檢錯采用Servlet，一些應用模型則采用JavaBean、JTA技術。

MVC框架應用了當下最流行的SpringMVC。Spring框架不僅可以利用策略接口對其進行高度配置，還具有多種視圖 技術，如 JSP、POI、Velocity、iText和 Tiles等。Spring MVC將控制器、分派器、模型及程序對象進行了分離，易于后期對其定制。

通過MyBatis對數據庫進行了快速連接。MyBatis以更靈活的方法訪問數據庫，以及管理事務和多線程，并且還支持對數據庫的數據集、SQL語句、會話管理等的連接與管理功能。

數據的交換使用XML可以簡化、規范對分布式[12]數據的耦合操作。

1.3 系統設計特點

本文從多性能與需求對平臺進行了全面設計構建，設計的系統具有以下特點：

（1）面向對象系統，其擴展性和移植性得到了較好提升；

（2）三層架構系統，有利于系統橫縱向的平滑擴張；

（3）用戶業務邏輯獨立于數據信息，存儲于服務器層，方便系統修改業務；

（4）模塊化系統設計，不僅擴大了空間，還便于系統的更新操作；

（5）中間件技術提升了系統的性能，如安全性、可靠性等；

系統是一個集成的整體，用戶可以用不同的方式對其進行訪問，看到一致的系統界面。

1.4 系統架構和軟件架構設計

1.4.1 系統架構

基于物聯網和云計算技術的農產品質量安全追溯管理統一平臺如圖1所示。

圖1 系統架構

1.4.2 軟件架構

系統平臺的軟件架構如圖2所示。

圖2 軟件架構

1.4.3 服務器設置

平臺共安裝2臺服務器，1臺服務器專門用于運行農產品質量安全中心數據庫，1臺服務器用于提供農產品質量安全追溯管理平臺核心應用服務。

為了保證傳輸速率，將服務器直接同核心交換機進行連接。服務器上安裝操作系統、數據庫和應用軟件，實現集中運行業務應用軟件，為客戶提供相應的業務服務。

2 系統組成

系統由“一庫四平臺”構成，如圖3所示。包括農產品質量安全追溯信息數據庫、政府監管平臺、企業管理平臺、公眾信息查詢平臺、數據分析平臺。

圖3 系統構成

2.1 農產品質量安全追溯信息數據庫

通過系統平臺獲取的數據信息，建立統一全面的農產品質量安全追溯信息數據庫，運用大數據存儲實現云計算數據庫建設。數據庫是農產品質量安全追溯管理信息平臺應用的核心，結合農產品信息化建設現狀，實現與已有數據資源的共享，避免重復建設，滿足綜合應用系統的各種需要，為各部門業務平臺提供穩定、可靠的數據源，同時提供完善的權限管理機制，以及對共享數據的更新和維護機制，實現對共享數據的及時更新。

2.2 政府監管平臺

該平臺實現政府管理者對農產品生產經營企業的生產過程、流通過程、檢驗檢測、農資投入等信息的實時監管[13]，統一管理農產品質量安全追溯信息數據庫，實現品牌農產品管理。通過該平臺設立市、區/縣、鄉鎮、企業多級賬號、分配多級權限進行使用。

系統由以下子系統組成。

（1）系統用戶管理子系統。主要針對用戶的信息進行管理，平臺管理員可以根據需求靈活配置各級用戶的查詢、統計、配置等操作權限[14]。用戶管理如圖4所示。

圖4 用戶管理構成

（2）體系機構管理子系統。錄入、管理轄區機構對農產品安全質量監測等基本信息。

（3）農產品生產經營企業管理子系統。錄入、管理轄區內所有農產品生產經營企業的基本信息、地理信息、農產品信息、初加工信息、倉儲信息、銷售信息、誠信信息等；錄入對轄區內農產品生產經營企業的管理信息，包括每次監管總體情況信息和違規企業的具體違規信息和不合格產品的具體信息。

（4）品牌農產品管理子系統。錄入、管理轄區內所有已獲得認證的無公害農產品、綠色食品、有機食品、地理標志農產品和名牌農產品即“三品一標[15-16]一名牌”農產品的基本信息。如產品名稱、注冊商標、產地名稱、產地地址及GPS位置、產品數量、包裝規格、銷售去向[17]、證書編號、認證期限、認證類別、誠信信息等。根據企業信息，在平臺內置GIS地圖上進行定位，并生成“三品一標一名牌”企業分布圖。

（5）農事活動監控管理子系統。涵蓋企業各項農事活動的完整記錄，要求可提供視頻監控接口，實時掌握企業生產狀況，對不規范的農事活動及時整改。預留視頻數據接口，有條件的企業可安裝監控設備，其實時視頻可在平臺上進行查看。

（6）生產初加工監控管理子系統。記錄產品初級加工各個流程及各道工序的實施人員及實施時間，由企業自主錄入數據。

（7）投入品監控管理子系統。記錄投入品基本信息（名稱、規格、有效成分）、來源（生產廠家、經銷商）、庫存[18]、領取和使用情況，由企業自主錄入數據。

（8）預警報警管理子系統。涵蓋禁用、限用農藥、獸藥、非食用物質目錄及上千種常規農藥、獸藥、非食用物質的使用限量，及時對使用禁、限用農藥、獸藥、非食用物質和超劑量使用常規農藥、獸藥和非食用物質的行為通過農產品質量安全平臺發布預警報警信息，通過平臺短消息、手機短信等方式進行信息推送。

（9）產地準出證明管理子系統。記錄農業生產主體企業生產的產品每一批次獲得農業部門相關產地準出證明證書，并按照一證一編碼[19]實施管理，政府監管平臺保留對應證書的副本文件。

2.3 企業管理平臺

對農產品生產企業主要實現：基地地塊、農事活動、生產加工、原料半成品、投入品、農產品等數據的采集、審核和管理，實現追溯鏈條全線貫通。

包括如下主要功能。

（1）基地地塊管理子系統。記錄企業所屬的基地地塊信息、認證信息及環境監測情況。

（2）農事活動記錄管理子系統。針對不同企業定制適宜的農事活動記錄表。

（3）生產初加工活動管理子系統。針對不同企業定制適宜的生產加工活動記錄表。

（4）企業原料、半成品管理子系統。記錄企業原料、半成品原料投入情況。

（5）企業投入品進銷存管理子系統。記錄農藥、獸藥、肥料、飼料、種子等農業投入品的進貨渠道、進貨量、領取情況、庫存等。

（6）產品質量監控子系統。記錄企業生產的產品質量信息、批次信息以及二維碼信息。

（7）企業農產品倉儲物流管理子系統。記錄企業農產品的倉儲物流信息。由企業自主錄入數據。

（8）企業農產品銷售信息管理子系統。管理農產品的生產數量、銷售數量及庫存、產品銷售價格、銷售去向等，為企業提供長線價格行情數據分析。由企業自主錄入數據。

（9）企業管理子系統。管理企業本身的部門、人員、倉庫、場地信息，便于填寫生產信息時的調用。

（10）投訴管理子系統。對公眾客戶、對企業及產品投訴建議的實時受理和回復。

2.4 公眾信息查詢平臺

公眾信息查詢平臺通過移動終端、二維碼查詢機、互聯網等方式，實現農產品質量安全信息查詢[20]，實現消費者對農產品質量安全信息跨區域、零距離查詢。

該平臺主要包括移動終端二維碼掃描、手機短信、微信公眾賬號、農產品質量安全追溯網等。查詢功能主要包括以下內容。

（1）企業信息查詢。企業名稱、所在區域、企業分類以及企業誠信級別等信息。

（2）產品信息查詢。基本信息（產品名稱、產品生產過程、認證類別、證書編號、所屬行業、產品種類、產品銷售區域）、產地環境、生產記錄、質量檢測、物流記錄等信息進行單一條件查詢和復合條件查詢。

（3）網頁展示。農產品質量安全追溯網以及所瞎區/縣級、鄉鎮級追溯網的新聞資訊、法規政策、網站公告、曝光臺、追溯企業、產品基地廣告內容展示。

2.5 數據分析平臺

數據的來源與分析如圖5所示，該分析平臺主要包括如下功能。

（1）中心數據庫的首要任務就是建立農產品質量安全元數據體系。元數據體系是數據資源庫資源體系的內在核心和描述基礎。

（2）建立農產品質量安全數據指標體系。元數據指標體系是業務元數據中最基礎、最重要的組成部分，下面對指標的農產品質量安全數據定義、特性、分類等方面進行描述。

（3）農產品質量安全追溯管理平臺將為農委多部門提供數據分析和數據報表支持。平臺中心數據庫將根據農委業務需求建設多個農產品質量安全追溯管理專題數據庫，提供多種數據分析報表，并生成多個數據分析專題，根據農產品的生產時間、生產區域、產品種類、產品認證類別等多個維度進行專題數據分析。

（4）中心平臺的數據采集方式，在示范點企業主要通過人工方式對農產品質量安全數據進行錄入，經鄉鎮、區縣各級部門審核后上報市級平臺入庫。

（5）快速檢測數據則通過快速檢測設備連接PC機接入平臺，數據自動上傳至平臺中心數據庫。

（6）中心數據庫自動檢測模塊。

（7）由平臺中心數據庫向平臺各子系統、功能模塊提供統一的數據查詢服務。

（8）平臺數據自動統計企業類型、生產產品種類，標準和各地區分布數據。

（9）統計企業打印追溯碼的數量及查詢次數并自動生成圖表。

圖5 數據來源與分析示意圖

數據分析過程如圖6所示。

圖6 數據分析過程

3 結 語

農產品質量安全追溯管理平臺是將物聯網和云計算技術相結合，以實現對研發的農產品安全進行實時、在線追溯。本文系統具有很高可用性、可靠性及安全性的數據庫、應用支撐平臺和應用系統，擁有多種接入方式的高速網絡傳輸系統，數據處理和存儲系統。通過研發能實現信息采集和信息展現，以快速安全的方式與網絡系統交互，具備先進感知與數據傳送技術的物聯網終端。開發集“管、防、控”于一體，面向生產企業、加工企業、流通企業、銷售終端和消費者的農產品安全實時、在線追溯系統，可為政府決策、企業管理、消費者追溯提供全方位服務。