基于物聯(lián)網(wǎng)的光禽屠宰溯源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

馮大春劉雙印徐龍琴謝杰鋒張銓華

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院廣州市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510225；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510225；4.中山食安云科技有限公司,廣東 中山 528400)

近年來(lái)，由于禽流感、禽類私自屠宰等原因，帶來(lái)了一系列公共衛(wèi)生安全事件以及食品安全問(wèn)題。特別是新冠疫情后，該問(wèn)題更引起相關(guān)部門(mén)的關(guān)注。因此，多地政府開(kāi)始推廣“集中屠宰，生鮮上市”[1,2]。但對(duì)于屠宰后的光禽而言，存在難以對(duì)品種以及品質(zhì)鑒別等問(wèn)題，特別是當(dāng)前屠宰環(huán)節(jié)缺乏有效的光禽追蹤溯源，給政府市場(chǎng)監(jiān)管、市民放心消費(fèi)帶來(lái)極大難度。且由于市民消費(fèi)習(xí)慣，特別是在華南地區(qū)，儲(chǔ)藏較久的冰鮮禽類推廣受到一定的市場(chǎng)限制，人們對(duì)光禽屠宰信息的有效獲取更為關(guān)注。因此，如何利用當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光禽屠宰及流通環(huán)節(jié)的追蹤溯源，對(duì)保障食品安全問(wèn)題，提升我國(guó)出口禽類競(jìng)爭(zhēng)力，倒逼產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有現(xiàn)實(shí)意義及其緊迫性。

1 畜禽產(chǎn)品溯源研究現(xiàn)狀

在美國(guó)、歐盟、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，把畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源體系作為食品安全的重要保障，并紛紛以法制保障其得以強(qiáng)制執(zhí)行[3-7]。2003年我國(guó)國(guó)家質(zhì)檢總局開(kāi)始啟動(dòng)“條碼工程”，在2008年實(shí)現(xiàn)條碼系統(tǒng)成員保有量達(dá)到16萬(wàn)家[8]，隨后我國(guó)開(kāi)始規(guī)范農(nóng)產(chǎn)品溯源體系，而2009年頒布的《食品可追溯性通用規(guī)范》和《食品追溯信息編碼與標(biāo)識(shí)規(guī)范》進(jìn)一步對(duì)食品溯源體系進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)范[9]。同時(shí)，較多研究學(xué)者開(kāi)始從不同角度對(duì)禽類溯源相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了討論。如，黃麗瓊等開(kāi)發(fā)了基于條碼的家禽產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，把二維碼標(biāo)簽印貼或者印制在產(chǎn)品包裝上，實(shí)現(xiàn)了家禽養(yǎng)殖的全程監(jiān)控和精確查詢[10]；黃惠珍等使用RFID腳環(huán)對(duì)種鴨進(jìn)行個(gè)體標(biāo)識(shí)，應(yīng)用電子RFID腳環(huán)，通過(guò)電子視讀器較遠(yuǎn)地進(jìn)行接收信息[11]；朱同林提出在家禽的腳環(huán)或翅膀上植入RFID芯片[12]；而王華等針對(duì)小個(gè)體、大群體禽類不宜進(jìn)行個(gè)體標(biāo)記的特性，采用群體編碼技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)禽類進(jìn)行群體標(biāo)識(shí)，并將生成的溯源碼轉(zhuǎn)化為二維碼形式供溯源查詢[13]；祁釗開(kāi)發(fā)基于安卓手機(jī)的雞肉產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)[14]；陳長(zhǎng)喜等對(duì)肉雞可追溯標(biāo)識(shí)采用條碼與RFID相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)肉雞從生產(chǎn)、屠宰加工、冷鏈儲(chǔ)運(yùn)到銷售所有環(huán)節(jié)信息的可追溯[15]；趙新海等開(kāi)發(fā)了基于短信息的肉雞產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯平臺(tái)，當(dāng)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的肉雞產(chǎn)品出現(xiàn)了問(wèn)題，可以將產(chǎn)品包裝上印刷的追溯編碼通過(guò)手機(jī)發(fā)送到平臺(tái)進(jìn)行信息的查詢[16]。盡管上述技術(shù)在一定程度上解決了從飼養(yǎng)到銷售的問(wèn)題，但對(duì)光禽屠宰環(huán)節(jié)溯源較少涉及。且以離線二維碼為基礎(chǔ)的方案多以批量溯源為基礎(chǔ)，難以實(shí)現(xiàn)禽類個(gè)體追溯，特別是難以在屠宰環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)一禽一碼，而采用RFID芯片存在成本較高等問(wèn)題。針對(duì)屠宰環(huán)節(jié)，當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)了給光禽套上帶塑料二維碼腳環(huán)的溯源方案，但人工操作對(duì)光禽套腳環(huán)，存在人力勞動(dòng)強(qiáng)度大、信息人工批量錄入難以保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及真實(shí)信、標(biāo)簽可重復(fù)使用等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了基于光禽腳標(biāo)機(jī)的光禽溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光禽快速貼標(biāo)及屠宰信息的自動(dòng)實(shí)時(shí)獲取，保障了屠宰環(huán)節(jié)的可信溯源問(wèn)題。

2 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

光禽溯源系統(tǒng)由光禽腳標(biāo)機(jī)、二維碼標(biāo)簽及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)構(gòu)成。其涉及用戶包括屠宰市場(chǎng)(檔口)用戶、銷售市場(chǎng)用戶(如超市采購(gòu)員或者農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)采購(gòu)員等)、管理員、維修人員。屠宰市場(chǎng)(檔口)通過(guò)光禽腳標(biāo)機(jī)對(duì)每只屠宰完成的光禽貼二維碼腳標(biāo)，系統(tǒng)同時(shí)自動(dòng)采集光禽相關(guān)信息并關(guān)聯(lián)標(biāo)簽中二維碼，從而實(shí)現(xiàn)屠宰市場(chǎng)(檔口)、市場(chǎng)銷售的全程可追溯體系。“二維碼”是該光禽的身份證，消費(fèi)者通過(guò)手機(jī)掃描腳標(biāo)二維碼可查閱每只光禽的品名、原產(chǎn)地、屠宰市場(chǎng)(檔口)、屠宰日期、檢疫合格證明、去向市場(chǎng)、市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者等信息。系統(tǒng)通過(guò)與養(yǎng)殖環(huán)節(jié)及檢疫環(huán)節(jié)的管理，可以實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的溯源。從而確保上市的每只光禽信息真實(shí)可靠、屠宰流通環(huán)節(jié)透明、質(zhì)量安全優(yōu)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者放心購(gòu)買(mǎi)，政府易于監(jiān)管。系統(tǒng)可以對(duì)接養(yǎng)殖環(huán)節(jié)溯源體系，實(shí)現(xiàn)禽類全產(chǎn)業(yè)鏈的溯源。實(shí)現(xiàn)基本過(guò)程和技術(shù)原理如圖1。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程及技術(shù)原理

2.2 貼標(biāo)溯源流程

如圖2所示，銷售市場(chǎng)用戶通過(guò)應(yīng)用APP向委托屠宰市場(chǎng)(檔口)用戶進(jìn)行屠宰訂單下單，委托屠宰市場(chǎng)(檔口)用戶獲得訂單信息后，根據(jù)APP上身份二維碼進(jìn)行掃描登錄腳標(biāo)機(jī)，登錄成功后掃描由APP獲取得到訂單二維碼開(kāi)始進(jìn)行貼標(biāo)操作。貼標(biāo)時(shí)，通過(guò)PLC采集腳標(biāo)機(jī)內(nèi)的相關(guān)動(dòng)作(如夾臂夾持狀態(tài))，通過(guò)標(biāo)簽掃描模塊采集標(biāo)簽二維碼掃描結(jié)果，并同時(shí)完成標(biāo)簽二維碼與溯源特征信息進(jìn)行管理，其中，溯源特征信息包括標(biāo)簽二維碼數(shù)據(jù)、禽類品種、采集時(shí)間、屠宰檔口信息、去向市場(chǎng)用戶信息。上述信息在網(wǎng)絡(luò)暢通情況下實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，在離線情況下則緩存于本地服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)暢通時(shí)候進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。消費(fèi)者根據(jù)禽類標(biāo)簽二維碼獲得該只光禽屠宰數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)包括禽類養(yǎng)殖信息數(shù)據(jù)庫(kù)、檢驗(yàn)檢疫信息數(shù)據(jù)庫(kù)等第三方數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接。

圖2 貼標(biāo)溯源流程示意圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光禽腳標(biāo)機(jī)

如圖3所示，光禽腳標(biāo)機(jī)由機(jī)械部件，數(shù)據(jù)采集及控制模塊構(gòu)成。機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)腳標(biāo)機(jī)貼標(biāo)，相關(guān)貼標(biāo)信息由數(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳送至云平臺(tái)。基于機(jī)械及電子部件集成，腳標(biāo)機(jī)能實(shí)現(xiàn)120只·min-1的禽類貼標(biāo)任務(wù)。

圖3 光禽腳標(biāo)機(jī)

其中，數(shù)據(jù)采集模塊由用戶識(shí)別模塊、標(biāo)簽二維碼掃描模塊、衛(wèi)星定位模塊、電源模塊、PLC執(zhí)行模塊、通訊模塊及數(shù)據(jù)緩存模塊構(gòu)成。用戶識(shí)別模塊用于操作員二維碼掃描登錄，PLC執(zhí)行模塊用于接收指令并對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行控制，基于衛(wèi)星定位模塊的電子圍欄設(shè)計(jì)，可以保障該設(shè)備僅在指定地點(diǎn)使用，通訊模塊支持RJ45、WiFi、4G通訊方式，在通訊不暢時(shí)，通過(guò)緩存模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存并實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳。系統(tǒng)如圖4所示。

3.2 開(kāi)機(jī)流程設(shè)計(jì)

腳標(biāo)機(jī)是系統(tǒng)的核心裝備。當(dāng)用戶加電后，腳標(biāo)機(jī)首先完成系統(tǒng)自檢、衛(wèi)星定位獲取及通訊鏈路的獲取，隨后根據(jù)獲取得到的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進(jìn)行合法位置判別。當(dāng)屠宰市場(chǎng)(檔口)用戶登錄認(rèn)證成功后，腳標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)采集及控制模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器會(huì)話并判斷是否需要對(duì)禽類品種清單進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，通過(guò)掃描APP上受委托用戶訂單二維碼，開(kāi)始進(jìn)行委托訂單的貼標(biāo)操作。開(kāi)機(jī)流程如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

圖5 開(kāi)機(jī)流程

3.3 紙質(zhì)標(biāo)簽

光禽溯源標(biāo)簽由光禽腳標(biāo)機(jī)貼于光禽腳部或脖子部位，具有唯一性并實(shí)現(xiàn)光禽身份標(biāo)識(shí)，保障了一禽一碼，如圖6a所示。消費(fèi)者通過(guò)標(biāo)簽中“二維碼”實(shí)時(shí)獲得屠宰及交易信息，甚至養(yǎng)殖、檢疫信息，如圖6b所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)的光禽溯源貼標(biāo)系統(tǒng)軟件平臺(tái)分為Web云服務(wù)平臺(tái)和APP客戶端。通過(guò)Web云服務(wù)平臺(tái)，管理員實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合管理及溯源服務(wù)；APP客戶端服務(wù)于屠宰市場(chǎng)(檔口)及銷售市場(chǎng)用戶所使用。銷售市場(chǎng)用戶通過(guò)APP進(jìn)行下單操作；而屠宰市場(chǎng)(檔口)用戶可以根據(jù)訂單進(jìn)行登陸及貼標(biāo)操作。

圖6 光禽腳標(biāo)標(biāo)簽及其溯源信息

4.1 Web云服務(wù)平臺(tái)

Web云服務(wù)平臺(tái)分為前臺(tái)模塊及后臺(tái)模塊。

Web前臺(tái)模塊，以圖片加文字的形式展示屠宰場(chǎng)相關(guān)信息、禽類相關(guān)信息給游客用戶，并且可以提供溯源碼的查詢以及腳標(biāo)機(jī)的申請(qǐng)等服務(wù)。

Web后臺(tái)模塊，用于對(duì)貼標(biāo)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合管理。包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，腳標(biāo)機(jī)發(fā)放及回收，紙質(zhì)標(biāo)簽發(fā)放及回收，貼標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控及歷史貼標(biāo)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)大數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)在線及離線腳標(biāo)機(jī)位置標(biāo)示、光禽屠宰信息大數(shù)據(jù)分析與展示。主要功能模塊如圖7所示；部分實(shí)現(xiàn)界面如圖8所示。

圖7 Web云服務(wù)平臺(tái)功能模塊

4.2 APP客戶端

實(shí)現(xiàn)光禽屠宰訂單委托以及屠宰(檔口)用戶按單屠宰貼標(biāo)。如圖9、圖10所示，銷售市場(chǎng)用戶在APP選擇相應(yīng)的屠宰(檔口)用戶委托待屠宰的禽類品種及數(shù)量，當(dāng)完成相應(yīng)任務(wù)后APP實(shí)時(shí)提醒訂單完成情況。而屠宰(檔口)用戶根據(jù)接收訂單進(jìn)行禽類貼標(biāo)操作，并可以對(duì)完成訂單情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖8 Web系統(tǒng)部分界面

圖9 光禽屠宰(檔口)用戶 圖10 銷售市場(chǎng)用戶

5 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

為確保溯源系統(tǒng)整個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)安全，防止非法設(shè)備操作及人為標(biāo)簽信息的偽造，系統(tǒng)從硬件及軟件上進(jìn)行了不同層面安全性設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)的合法性。具體包括以下方面。

采用北斗衛(wèi)星定位模塊及電子圍欄設(shè)計(jì)，僅可以在指定合法地點(diǎn)使用。

基于動(dòng)態(tài)用戶二維碼及遠(yuǎn)程電子鎖，僅授權(quán)人員可以打開(kāi)設(shè)備。系統(tǒng)維修人員根據(jù)服務(wù)器授權(quán)的動(dòng)態(tài)二維碼，通過(guò)腳標(biāo)機(jī)掃描模塊登錄后可以由服務(wù)器遠(yuǎn)程下發(fā)指令打開(kāi)腳標(biāo)機(jī)機(jī)械，以進(jìn)行維護(hù)操作，防止機(jī)械非法打開(kāi)，進(jìn)一步避免了系統(tǒng)的非法使用。

標(biāo)簽防偽及防重復(fù)使用設(shè)計(jì)。對(duì)紙質(zhì)標(biāo)簽采用多重賦碼機(jī)制，除了唯一二維碼外，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)標(biāo)簽賦予特殊的唯一序列碼，保障標(biāo)簽的合法性。此外，對(duì)標(biāo)簽通過(guò)防重復(fù)使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一旦禽類消費(fèi)后即會(huì)被撕毀，避免了標(biāo)簽的重復(fù)使用。

動(dòng)態(tài)二維碼身份認(rèn)證。為防止用戶身份信息泄露，對(duì)腳標(biāo)機(jī)登錄用戶用二維碼都采用動(dòng)態(tài)生成機(jī)制，用戶在APP上登陸后，由服務(wù)器動(dòng)態(tài)生成用戶臨時(shí)身份二維碼，用戶通過(guò)該身份二維碼在腳標(biāo)機(jī)進(jìn)行掃描登錄。

6 結(jié)論

系統(tǒng)基于配置數(shù)據(jù)采集模塊的光禽腳標(biāo)機(jī)以及唯一的二維碼標(biāo)簽，對(duì)每只光禽賦予獨(dú)立的身份信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)禽類屠宰環(huán)節(jié)的追溯體系，克服了當(dāng)前光禽溯源環(huán)節(jié)存在的人力消耗大，信息可篡改，標(biāo)簽易重復(fù)使用等弊端。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上對(duì)禽類私宰肉、未經(jīng)合法檢疫等的肉類銷售做到了市場(chǎng)隔離，有助于活禽屠宰轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)降低了食品安全監(jiān)督、執(zhí)法的難度和強(qiáng)度，助力實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出的家禽“集中屠宰、冷鏈運(yùn)輸、新鮮上市”目標(biāo)。