基于RFID的無公害蔬菜質量安全管理系統設計與實現

摘 要： 以RFID技術為依托，以農超對接中的“基地-加工企業-超市”為主要模式，圍繞無公害蔬菜生產、包裝、銷售的主要環節，建立基于RFID的無公害蔬菜質量安全管理系統，實現對無公害蔬菜從產地到加工經營企業整個流程實施有效監管和追溯，增加對無公害蔬菜產品農藥殘留檢測的密度和范圍，及時依據檢測結果做出準否上市的正確判斷。

關鍵詞：RFID；無公害蔬菜；質量安全；追溯

中圖分類號：F253.3 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.018

1 研究背景及國內外進展

1.1 研究背景

蔬菜質量安全在世界范圍內都引起了人們的廣泛關注，我國也十分重視蔬菜質量安全管理工作，中央一號文件中明確提出要加強農業標準化和農產品質量安全工作，對農產品的質量安全提出了要建立“市場準入”和“源頭可追溯”的要求。近年來，天津市在加強農產品質量安全工作方面開展了許多工作，如“天津市無公害蔬菜示范工程”、“天津市種植業產品專項整治行動”等工作，有力地推進了農產品質量安全工作。天津市在不斷擴大蔬菜生產能力的同時，如何提高無公害蔬菜質量安全監管的水平和能力顯得尤為重要和緊迫。利用RFID（Radio Frequency Identification）、物聯網等信息技術，可有效提高農產品質量安全管理水平，建立以“市場準入”和以“產地準出”相配套的監管追溯體系，把質量安全管理的關口前移到種植生產環節，實現對無公害蔬菜從產地到加工經營企業整個流程實施有效監管和追溯，增加對無公害蔬菜產品農藥殘留檢測的密度和范圍，及時依據檢測結果做出準否上市的正確判斷，有利于發現問題并及時處理，做到防患于未然，保障農產品質量安全，維護消費者權利。

1.2 國內外研究進展

1.2.1 RFID技術研究與應用 RFID基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電磁耦合或電磁傳播）傳輸特性，實現對物體的自動識別[1]。由射頻電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）、應用系統構成。RFID在應用時，在被識別的物體上安裝RFID電子標簽，只要RFID讀寫器的可讀取范圍內有帶有電子標簽的被識別物體通過時，就可以遠距離將RFID電子標簽中輸入的信息讀取出來。目前，RFID技術已經在零售業、運輸與配送、安全與認證等領域有比較成功的應用案例。在農業生產中，許多國家將RFID技術在畜牧、禽類產品質量安全管理上開展了廣泛應用，如歐盟、新西蘭、日本、澳大利亞等國家建立了追溯系統，有效地提高了農產品質量安全管理效率。

我國在RFID技術標準方面也開展了許多工作，國家信息產業部于2007年對RFID技術的頻率進行了規劃，為RFID技術在我國的應用和發展提供了無線電頻譜資源保證。“十一五”期間，我國推動“射頻識別（RFID）技術與應用”在多領域展開，包括超高頻RFID防沖撞技術、RFID標簽設計技術、RFID天線設計技術、RFID信息集成管理技術、RFID中間件研究、RFID系統測試技術等。

1.2.2 農產品質量安全管理與決策系統的應用 為了保障農產品安全生產，國外針對農產品產地認證和生產過程控制制定了一系列措施，如GAP（Good Agricultural Practices）、HACCP（Hazard Analysis Critical Control Point）等，不僅在發達國家得到了廣泛應用，而且在我國也逐步得到重視和認可。GAP是以能持續改進農作物體系的先進技術為載體，通過有害生物綜合管理和作物的綜合管理，以風險預防和風險分析（尤其是通過HACCP）為基礎，以食品安全、環境保護、職業健康/安全與福利、動物福利和可持續農業為目標，是在HACCP基本原理的指導下制定的技術規范[2]。根據我國實際情況，農業部實施了無公害農產品產地認定與產品認證措施，規范了農產品安全生產，促進了農產品品牌建設，提高了農產品市場競爭力。

1.2.3 農產品質量安全追溯系統的應用 “可追溯性”即“通過記載的識別，追蹤實體的歷史、應用情況和所處場所的能力”[3]，目的是提高產品安全管理的水平。ISO9002-1994《質量體系—生產、安裝和服務的質量保證模式》中對標識和可追溯性提出：要規定有可追溯性要求的場合，供方應建立并保持形成文件的程序，對每個或每批產品都應有唯一性標識，這種標識應加以記錄[4]。我國許多省市也開始了農產品溯源體系方面的建設工作。如農業部下達的“進京蔬菜產品質量追溯制度試點項目”，以河北省6個縣市的蔬菜基地做為試點，在蔬菜包裝上粘貼統一制作的二維條碼，作為產品追溯碼，向北京市場定點供應蔬菜；上海市農產品身份網上查詢系統全面投入使用，所有農產品實現可追溯查詢；南京市、深圳市、廣州市等大中城市，在農產品質量安全及追溯工作方面也都開展了一系列有效的工作。

1.3 研究解決的主要問題

隨著政府對農產品質量安全的深度重視和消費者質量安全意識的逐步提升，迫切需要了解整個生產過程及檢測信息，因此，建立起覆蓋生產及檢測包裝過程的無公害蔬菜質量安全管理系統對于保障全程可追溯系統的建立顯得尤為重要。目前的粗放型管理模式離建立電子化、精細化的管理系統還存在著一定差距，主要表現在3個方面。

（1）對于基本生產單元不能做到精確標識，溫室大棚的生產管理措施不完全相同，需要對這些單元進行精確標識，做到“一棚一檔”。

（2）對于生產過程記錄還不完善，而且效率低。生產記錄是追溯的數據基礎，目前各基地還未形成很好的生產紀錄，已有記錄多采用手工記錄方式，不便于標準化及統計分析，需要引入信息化管理系統規范生產記錄，提高管理效率。

（3）對于包裝單元與生產單元關聯基本脫節，由于產品包裝不能關聯到生產單元，追溯鏈就不能建立起來，因此，需要采用簡單易用的電子化手段建立包裝單元與生產單元之間的關聯。

2 系統設計

2.1 系統架構設計

基于RFID的無公害蔬菜質量安全管理系統采用微軟的.NET技術路線進行系統架構，基于C/S架構，面向農戶、技術人員、檢測人員、基地生產管理者和企業管理者，形成數據服務層、系統支撐層、業務應用層三層體系結構，如圖1所示。

2.1.1 業務應用層 針對無公害蔬菜質量安全管理的關鍵環節和核心內容，面向農戶、技術人員、檢測人員、基地生產管理人員和企業負責人分別設計開發了便攜式無公害蔬菜生產信息采集系統和無公害蔬菜質量安全管理系統，針對不同的應用系統和平臺分別開發了大棚RFID讀取、采收筐RFID讀取、采收信息錄入、信息上傳、統計分析、RFID設備配置、生產資料管理、生產過程管理、檢測管理、追溯標簽打印等構件化組裝。

2.1.2 系統支撐層 系統采用基于XML與Web Services組件化開發模式，實現了業務模塊/組件的松藕合，集成RFID中間件、數據同步技術、無線通信組件、權限管理組件和用戶管理組件等，搭建系統平臺的應用框架，系統各組件之間應用通過用戶管理、權限管理、日志管理和安全管理實現信息與服務的充分集成與共享，滿足系統的安全性、實用性和擴展性。

2.1.3 數據服務層 針對無公害蔬菜質量安全管理的實際需求，結合數據分析的信息化建設需要，采用數據庫構建和數據挖掘技術，整合蔬菜生產各個不同環節的數據資源，構建無公害蔬菜質量安全數據庫，包括無公害標準數據庫、生產管理數據庫、產品檢測數據庫和產品包裝數據庫等涵蓋核心業務的數據庫，形成無公害蔬菜質量安全管理系統的核心數據庫。

2.2 系統運行流程設計

系統由RFID電子標簽全程連接，通過移植有生產信息采集系統的RFID便攜式讀寫設備對田間農事操作進行采集，采集時先讀取溫室大棚的RFID，再采集定植、施肥、防治病蟲害、灌溉等信息，采集后RFID便攜式讀寫設備通過短信息、數據同步和GPRS等方式將采集的數據添加到用戶端PC機上，再通過無公害蔬菜質量安全管理系統軟件對采集數據進行匯總；對采收筐應用RFID進行標識，采收時將移植有生產信息采集系統的RFID便攜式讀寫設備進行采收信息采集，采集時首先讀取大棚RFID，再讀取采收筐RFID，接著輸入采收時間、采收品種、負責人等信息，采集后RFID便攜式讀寫設備通過短信息、數據同步和GPRS等方式將采集的數據添加到用戶端PC機上，再通過無公害蔬菜質量安全管理系統軟件對采集數據進行匯總。

產品以采收筐的方式運輸到包裝車間后，檢測合格后進行包裝，包裝時利用桌面式RFID讀寫器讀取采收筐上的RFID，再通過無公害蔬菜質量安全管理系統軟件檢索出與采收筐RFID對應的生產履歷編號，根據該生產履歷編號及追溯碼生成規則，生成產品標簽，打印后貼制到產品包裝上，便于追溯。打印完后在無公害蔬菜質量安全管理系統軟件通過WebService，以XML格式的文件傳輸到追溯服務器數據端，服務器端通過對XML解析將上傳數據添加到服務器數據庫中，由此建立了與追溯碼對應的追溯數據。系統運行流程如圖2所示。

2.3 系統功能設計

2.3.1 便攜式無公害蔬菜生產信息采集系統功能 便攜式無公害蔬菜生產信息采集系統通過RFID便攜式讀寫器，采集育苗信息、定植信息、施肥信息、防治病蟲害信息、灌溉信息、收獲信息等。系統與無公害蔬菜安全生產管理系統之間的數據傳輸采用有線和無線兩種方式，有線采用USB數據傳輸，無線采用GSM短信或GPRS方式進行數據傳輸。系統包括種植管理信息采集模塊、采收管理信息采集模塊和數據管理模塊3個部分。系統功能如圖3所示。

2.3.2 無公害蔬菜質量安全管理系統功能 系統以良好農業規范（GAP）體系為基本框架，GAP體系的構建以安全主導型栽培配套技術為核心。通過便攜式農事信息采集設備、手工記錄等方式采集產地環境信息和生產履歷信息，將信息采集到數據庫中，通過GAP關鍵控制點的分析處理實現產前提示、產中預警和產后反饋。產品包裝或出廠時，通過系統統一數據接口將數據傳送到中心數據庫（圖4）。

2.4 數據庫設計

2.4.1 數據庫的表設計 數據庫采用了SQL Server 2005，依據面向對象分析模型中列出的各類對象的屬性和服務以及他們之間存在的各種關系，進行關系數據表的設計。這些數據表包括了農資生產企業表、企業自檢表、包裝信息表、收獲信息表、用藥信息表、施肥信息表、定植信息表、產品信息表、生產資料表、采收信息表、地塊信息表等多個表結構。

2.4.2 數據庫表之間的關系 系統采用的數據庫是關系模型數據庫SQL Server 2005，依據面向對象分析（OOA）模型中列出的各類及對象的屬性和服務，以及它們之間的各種關系，將對象模型中的內容映射成關系數據表（圖5）。

2.5 程序流程設計

無公害蔬菜質量安全管理包括蔬菜生產種植管理、采收包裝管理、產品檢測管理和質量安全管理幾個部分。筆者重點對無公害蔬菜采收包裝管理模塊進行程序流程設計，來展現其流程，其余程序流程與此思路相同，不在本文中詳細說明。

采收管理是影響無公害蔬菜質量安全的重要環節，通過制定和實施農產品采后技術標準，規范農產品采收、包裝、貯藏、運輸以及物流信息的全過程，對于提高產品質量具有重要作用。無公害蔬菜采收管理模塊中主要完成以下幾項任務：第一，確定種植期間是否使用有殘留的農藥，如果使用了有殘留的農藥，必須保證采收時間與用藥時間的差大于農藥的殘留期，否則不能進行采收；第二，對采收筐應用RFID進行標識，產品成熟采收時，將移植有生產信息采集系統的RFID便攜式讀寫設備進行采收信息采集，采集時首先讀取大棚RFID，再讀取采收筐RFID，接著輸入采收時間、采收品種、負責人等信息；第二，采集后RFID便攜式讀寫設備通過短信息、數據同步和GPRS等方式將采集的數據添加到用戶端PC機上，再通過無公害蔬菜質量安全管理系統軟件對采集數據進行匯總。

3 系統實現

3.1 便攜式無公害蔬菜生產信息采集系統的實現

3.1.1 平臺概述 系統開發在VS2005語言環境下開發，支持Mobile5.0操作系統，移植到遠望谷XC2900型RFID便攜式讀寫器中。用戶采集農藥使用、肥料使用、地塊情況等生產管理信息和蔬菜采收信息后，系統自動生成XML文件保存在RFID便攜式讀寫器中作為臨時數據庫。系統可通過短信方式、數據同步、GPRS三種形式把系統生成的XML數據上傳到用戶端PC機中。用戶端PC機通過把RFID便攜式讀寫器采集的數據進行數據解析后再添加到用戶端數據庫中，由無公害蔬菜質量安全管理系統對這些信息進行統一管理。用戶再通過WebService上傳到市無公害農產品（種植業）管理中心服務器數據庫中。相關管理部門可以通過網站瀏覽用戶端上傳到服務器上的相關農事信息、采收信息和農藥殘留檢測信息等信息（圖6）。

3.1.2 功能實現 （1）農事信息采集。系統提供以下拉菜單、選擇數據方式采集施肥、防治病蟲害、灌溉、收獲等信息，數據項包括生產資料名稱、施用地塊、操作時間等，采集后保存到手機的存儲中。

（2）采收信息管理。對每個采收筐應用RFID標簽進行標識，蔬菜產品采收時，將移植有生產信息采集系統的RFID便攜式讀寫設備進行采收信息采集。采集時首先讀取大棚RFID標簽，再讀取采收筐RFID標簽，接著輸入采收時間、采收品種、負責人等信息，采集后RFID便攜式讀寫設備通過短信息、數據同步和GPRS等方式將采集的數據添加到用戶端PC機上。

（3）地塊信息查詢。選擇或輸入地塊號后，可查詢某個地塊或溫室的大小、負責人、土壤環境、種植產品、定植日期、收獲日期等信息。

（4）基礎信息更新。可在生產管理端通過短信息、數據同步、GPRS三種形式，對如地塊信息、肥料名稱、農藥名稱等基礎信息進行在線實時更新。

（5）農事信息上傳。對采集到的農事信息、采收信息等，可通過短信息、數據同步、GPRS三種形式上傳到生產管理系統中，系統支持長短信的發送，通過將長短信截取為多條標準長度短信，也可以USB數據傳輸或GPRS方式將農事信息發送到生產管理系統中。

3.2 無公害蔬菜質量安全管理系統的實現

3.2.1 平臺概述 利用.NET開發平臺，完成基于無公害標準的生產提示技術、文本型生產履歷自動入庫技術、二維追溯碼生產與打印技術等，建立一套適用于生產果蔬類農產品種植企業的安全生產管理軟件。系統設計中包括了對企業農藥、肥料、人員、產品和地塊的統一管理，地塊管理中記錄了種植作物的完整農事操作，系統中具有統計農藥、肥料使用量和農事操作全過程的功能。產生Excel格式文件以便用戶的保存、上報和打印。同時具有條碼打印功能，數據通過WebService上傳序列化后XML格式文件到服務器中，服務器端通過對XML格式文件解析添加到服務器數據庫中。二維條碼內容中存儲了經過特殊加密算法的產品包裝日期、條碼號、產地、農戶、檢測信息，可在超市的追溯系統中通過對加密算法的解密顯示給查詢者相關產品信息，也可以通過網站、手機短信等方式對產品的出處和生產過程進行全程的追溯（圖7）。

3.2.2 功能實現 （1）信息管理。包括產品信息、地塊信息、農戶信息的管理，用戶可根據生產實際，添加或修改蔬菜品種信息、基地地塊信息、環境信息等。

（2）農事信息統計。選擇或輸入地塊號后，可查詢某個地塊或溫室的大小、負責人、土壤環境、種植產品、定植日期、農事管理、采收信息等信息。

（3）檢測信息管理。選擇或輸入地塊號后，可查詢某個地塊或溫室采收蔬菜產品的農藥殘留檢測信息，包括產品名稱、檢測員、檢測時間、檢測結果等信息。

（4）生產提示與預警。以良好操作規范（GAP）為準則，以生產信息為基礎，分析針對具體產品的GAP操作規范，提取關鍵控制點，實現生產中的實時提示。系統向用戶提供無公害蔬菜環境標準、生產標準、檢測標準等標準查詢，并可根據種植蔬菜的品種及蔬菜生長的不同階段提供種植參考意見，指導農戶按標準合理生產。

（5）產品追溯碼打印。以制定的編碼規范為依據，以漢信碼為載體，將無公害蔬菜的生產信息、采集包裝信息、檢測信息等信息，自動生成二維條碼并按標準化條碼格式打印出來。

參考文獻：

[1] 單承贛，單玉峰，姚磊，等，射頻識別（RFID）原理與應用[J].北京：電子工業出版社，2008：1-318.

[2] 張夢飛.GAP基礎與EUREPGAP應用研究[J].世界農業，2006（12）：23-27.

[3] 洪生偉.新術語 新定義 新水平─初釋ISO8402─1994《質量管理和質量保證─術語》[J].輕工標準與質量，1995（1）：8-10.

[4] 洪德彬.ISO 9002質量體系—生產、安裝和服務的質量保證模式[J].世界標準信息，1995（2）：9-16.

[5] 陳松，錢永忠，王為民，等.我國農產品質量安全追溯現狀與問題分析[J].農產品質量與安全，2011（1）：50-52.

[6] 孫妮娜，秦向陽，楊寶祝，等.農業標準化生產管理系統開發平臺研究[J].河南農業科學，2007（6）：9-11.

[7] 王學忠.天津市農產品（種植業）質量安全現狀與發展對策[J].天津農林科技，2010（6）：1-4.

[8] 趙春江.統籌城鄉發展 扎實推進農村信息化[J].山西農業科學，2009（9）：6-9.

[9] 邸銀鎖.產品標識和可追溯性控制[J].電子質量，1997（7）：54-57.

[10]鄭風田，趙陽.我國農產品質量安全問題與對策[J].中國軟科學，2003（2）：23-27.

[11]趙輝.我國農產品質量安全的探討[J].農業環境與發展，2010（1）：33-36 .

[12]侯春生，夏寧.RFID技術在中國農產品質量安全溯源體系中的應用研究[J].中國農學通報，2010（3）：296-298.

[13] 尹玉伶，何靜.我國建立農產品質量安全可追溯系統的對策研究[J].山西農業科學，2011（5）：488-490.

[14]李輝，傅澤田，付驍，等.基于Web的蔬菜可追溯系統的設計與實現[J].江蘇農業學報，2008（5）：716-719.

[15]于國棟，丁士東，姜福旭，等.農產品質量安全追溯體系建設初探[J].吉林農業，2008（6）：16-17.

[16] 段韶芬，張曙光，鄭國清.食品安全信息化管理的現狀及展望[J].河南農業科學，2004（5）：32-34.

[17] 季國軍，何建橋，施澤平.南京市農產品質量安全建設進展與思考[J].江蘇農業科學，2004（3）：87-89.

[18] 楊彥，廖洪波.國內外食品追溯標準化工作現狀分析與建議[J].西南農業大學學報，2009（5）：27-29.

[19]洪展志.基于關系模型數據庫與基于對象模型數據庫的比較[J].現代計算機，2000（5）：16-18.

[20] 馬享優，信麗媛，王曉蓉，等.國內農業領域物聯網研究與應用現狀分析[J].天津農業科學，2012，18（6）：69-72.

[21]趙輝.我國農產品質量安全的探討[J].農業環境與發展，2010，27（1）：49-54.

[22]鄭文剛，趙春江，王紀華.手機短信在環境檢測中的應用[J].計算機工程與科學，2004，26（11）：101-103.

[23]邢文英.美國的農產品質量安全可追溯制度[J].世界農業，2006（4）：39-41.

[24]楊信廷.蔬菜安全生產管理及質量追溯系統設計與實現[J].農業工程學報，2008（3）：162-166.