QR Code在農產品質量安全追溯系統中的應用

胡振，羅通彪，楊華，曾慶勇，譚鶴毅

QR Code在農產品質量安全追溯系統中的應用

胡振，羅通彪，楊華，曾慶勇，譚鶴毅

針對農產品質量安全追溯系統中的溯源信息編碼問題，研究了QR Code編碼技術和識讀方法。首先，比較了RFID和QR Code的不同特點，明確了QR Code在農產品質量安全追溯系統中的應用優勢；然后，以國家標準GB/T 18284-2000為依據，研究了QR Code符號結構與編碼流程，并給出一個以C#引用QRCode.NET組件編程實現QR Code編碼的實例；以此為基礎，探討了應用QR Code進行農產品質量安全追溯的途徑，提出了利用智能手機識讀QR Code的方法。分析結果表明，在農產品質量安全追溯系統中應用QR Code技術具有明顯的經濟性、有效性和簡易性。

快速響應矩陣碼；農產品；追溯；編碼；查詢

0 引言

在農產品質量安全追溯信息平臺建設過程中，編碼和標識技術具有決定性的作用。隨著相關技術的進步和經濟條件的改善，現階段基于供應鏈的農產品質量安全追溯系統廣泛采用RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）和QR Code（Quick Response Code，快速響應矩陣碼）的混合編碼與標識技術，這種方案雖然增加了系統的復雜性和開發難度，但能從整體上降低系統的使用成本，并為消費者提供多樣化的追溯信息查詢手段。

RFID利用無線電波自動讀寫記錄媒體，其讀取距離遠、能同時識別多個標簽，具有存儲容量大、封裝樣式多、可用于惡劣環境等優點，但必須配置、使用成本較高的專用標簽和讀寫器，導致其應用受到一定限制。相比之下， QR Code不僅信息容量大，能超高速、全方位識讀并有效表示漢字，而且標簽制作方法靈活多樣、成本低，用二維條碼掃描器和智能手機皆可直接識讀編碼信息，對專用設備和網絡數據庫的依賴性低，從而使得信息的編碼標識和查詢操作都變得極為靈活、簡便。因此，對于果蔬、糧食等價值較低的農產品或畜禽、水產類農產品的養殖、銷售等環節，皆宜采用QR Code來標識其溯源信息編碼，這就促成了QR Code技術應用在農產品質量安全追溯信息平臺中的主導地位，使得溯源信息編碼和QR Code標識技術成為開發研究的核心內容。

1 農產品質量安全溯源信息的編碼設計

對于農產品供應鏈中各節點企業產生的大量信息，需根據HACCP（Hazard Analysis and Critical Control Point，危害分析與關鍵控制點）、ChinaGAP（Good Agricultural Practices，良好農業規范）和GMP（Good Manufacturing Practice，良好加工操作規范）的要求，遵照相應標準和法規篩選其中關鍵信息作為溯源指標，將其錄入農產品質量安全追溯信息平臺的共享數據庫。溯源指標應包括兩部分：①追蹤農產品流通信息的過程溯源指標；②反映農產品安全信息的安全溯源指標。根據所需承載的溯源信息及相應查詢方式的不同，可設計兩種農產品質量安全追溯信息編碼方案。

1.1 農產品基礎追溯碼

農產品基礎追溯碼由20位產地編碼和9位產品信息碼構成，其編碼規則如下：

（1）產地編碼

遵照中華人民共和國農業行業標準NY/T 1430-2007的規定：產地編碼（20位）= 縣級以上行政區劃代碼（6位）+ 街道或鄉鎮代碼（3位）+ 社區或村代碼（3位）+ 產地分類代碼（5位）+ 單元順序碼（3位）。其中各段皆為數字代碼，第1、2、4段分別采用GB/T 2260-2013、GB/T 10114-2003和GB/T 13923-2006標準，第3、5段代碼分別由鄉鎮和行政村編訂。

（2）產品信息碼

產品信息碼（9位）= 產品登記號（3位）+ 生產批次號（3位）+ 采收批次號（3位）。其中第1、3段為由遞增序列產生的數字流水號，第2段由年份（2位）和批次（1位）共3位數字代碼組成。

農產品基礎追溯碼結構如下圖1所示：

圖1 農產品基礎追溯碼結構

圖1中：①—縣區行政區劃，②—鄉鎮，③—村，④—產地分類，⑤—單元順序，⑥—產品登記號，⑦—生產批次，⑧—采收批次。

1.2 農產品供應鏈追溯碼

將農產品供應鏈中各節點的關鍵溯源指標信息進行編碼、組合，即為農產品供應鏈追溯碼。由于涉及多個節點企業的大量信息，為使編碼結構嚴謹且符合主流標準，可采用EPC（Electronic Product Code，產品電子編碼）編碼體系中256bit的EPC 256 Ⅲ型結構，如表1所示：

表1 EPC 256 Ⅲ編碼結構

表1中：標頭碼段為固定值，標識EPC編碼的版本；對象分類碼段標識農產品的種類、名稱和產地編碼，序列號碼段標識農產品的產品信息碼及其在供應鏈各節點的批次流水號。最關鍵的是EPC管理者碼段，用32位數字依次標識農產品供應鏈中各節點企業的代碼，使之構成一個完整的農產品質量安全追溯鏈，其結構如表2所示：

表2 EPC管理者碼段的結構

2 QR Code符號結構與編碼流程

QR Code是日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣式二維碼符號，ISO/IEC于2000年制訂了QR Code國際標準ISO/IEC 18004:2000，我國隨后發布了由該標準取舍和補充完善而得的國家標準GB/T 18284-2000——《快速響應矩陣碼》。相比于一維條碼，QR Code能表示各種數字化信息，具有容量大、糾錯能力強、保密防偽性好等顯著特點；與其它二維條碼相比，QR Code能夠獨立定位、自動鑒別、支持數據合并，并在識讀速度和漢字表示效率等方面具有領先優勢。因此，目前QR Code在我國得到了廣泛應用，采用QR Code技術來實現農產品質量安全追溯信息的編碼和標識是一種自然而合理的選擇。

2.1 QR Code符號結構和信息表示

2.1.1 QR Code符號結構

每個QR Code符號由正方形模塊組成的一個正方形陣列構成，它由編碼區域和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內的功能圖形組成[1]，符號周圍為空白區。如圖2所示：

圖2 QR Code符號結構

2.1.2 QR Code的信息表示

QR Code符號的編碼區域由格式信息、版本信息、數據和糾錯碼字構成，以深色模塊和淺色模塊分別表示二進制的“1”和“0”；數據采用Reed-Solomon糾錯算法，4個等級（L、M、Q、H）的糾錯率依次為7%、15%、25%和30%。

QR Cdoe符號具有40個不同版本，每個版本的符號比前一版本在每條邊上增加4個模塊。版本1的規格是21模塊×21模塊，版本2為25模塊×25模塊，……，版本40的模塊數為177×177[2]。不同版本和糾錯等級的最大信息容量是不同的，如：版本1、糾錯級別M（簡稱版本1-M）能容納的數據量為128bit，版本40-L的數據容量為23648bit[3]。

2.2 QR Code編碼流程

QR Code編碼流程[4]如圖3所示：

圖3 QR Code 編碼流程

2.2.1 數據分析

分析輸入數據以選擇合適的編碼模式。QR Code包含擴充解釋（ECI）、數字、字母數字、8位字節、中國漢字等多種模式，各模式的字符所需的位數依次增加。在實際編碼時，可通過模式轉換使每個字符所需的位數最少而達到最高效率，但每次模式轉換都要增加模式指示符和字符計數指示符等附加開銷，因此數據的字符數較少時不宜進行模式轉換。

如果農產品質量安全溯源信息由兩部分組成：① 農產品質量安全追溯網站主頁的URL地址，如“http://www.ncncpzs.com/default.aspx”；② 農產品的基礎信息追溯碼，如“51130211000181040027036161002”。若用字符“&”來連接兩部分內容，則待編碼數據中含有英文小寫字母、數字和其它ASCII字符，且字符總數較少（66個），故應選擇8位字節模式；設糾錯等級為M，則數據編碼與糾錯碼總量少于134字節，因此可選擇QR Code規格為版本5-M。實際上編碼時，如果沒有預先設定版本，則選擇與數據相適應的最小版本。

2.2.2 數據編碼和糾錯編碼

（1）數據編碼

根據所選模式的編碼規則，將輸入的數據字符轉換為二進制位流。對于8位字節模式，直接將每個數據字符的ASCII碼轉換為8位二進制數即可，其后在二進制數據序列之前依次加入模式指示符“0100”和8位字符計數指示符（即將輸入的字符數用8位二進制數表示）。最終所得數據編碼的二進制位流長度為式（1）：

式中：L為數據編碼的二進制位流長度（bit），C為字符計數指示符的長度（bit），N為輸入數據的字符數。

最后，在數據位流末尾添加終止符序列“0000”，再將其依次劃分成長度為8位的碼字序列。如果需要的話，可在位流之后填充0使最后一個碼字達到8位。

（2）糾錯編碼

根據所選QR Code的版本和糾錯等級將數據碼字序列分塊，對每一塊分別計算數據碼字，并添加到數據碼字之后。糾錯碼字是數據碼字被糾錯多項式g(x)（共有31個）除得的余數，余數的最高次項系數為第一個糾錯碼字，最低次項系數為最后一個糾錯碼字。

版本5-M將數據碼字序列分為2塊，每塊包括43個數據碼字和24個糾錯碼字。

2.2.3 構造最終碼字序列

依次將每塊數據和糾錯碼字裝配成最終序列，部分版本還需在最后的碼字之后用0填充剩余位。對于版本5-M，其碼字布置如表3所示：

表3 版本5-M的碼字布置

其最終碼字序列為：D1、D44、D2、D45、…、D43、D86、E1、E25、E2、E26、…、E24、E48，在碼字序列之后還需添加剩余位“0000000”。

2.2.4 布置功能圖形和碼字模塊

根據所選版本的模塊數構造空白正方形矩陣，在尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形的對應位置填入適當的深色或淺色模塊。然后在編碼區域中，以兩個模塊寬的縱列從符號右下角開始布置碼字序列，并自右向左、且交替的從下向上或從上向下安排。

2.2.5 編碼區域進行掩模處理

為了盡量避免位置探測圖形出現在符號的其它區域，并均衡地安排深色與淺色模塊，以提高QR Code閱讀的可靠性，應對編碼區域進行掩模處理[5]。其操作步驟為：

①將編碼區域的模塊圖形依次放在各個掩模圖形（國標GB/T 18284-2000提供了8種掩模圖形參考）上，將對應于掩模圖形深色模塊的模塊取反（XOR操作）；

②對每個結果圖形進行罰點記分（對不合要求的計分）；

③選擇效果最好（罰分最低）的掩模圖形。

2.2.6 加入格式信息和版本信息

格式信息由5位數據和10位用BCH(15,5)編碼算出的糾錯位組成。其第1、2位表示糾錯等級（L、M、Q、H分別01、00、11、10）；第3～5位為掩模圖形代碼；后10位為糾錯數據。用掩模圖像101010000010010與15位格式信息進行異或運算以確保數據（前5位）不全為0。

版本7～40的QR Code符號中包含版本信息，它由6位數據位和12位用BCH（18,6）編碼算出的糾錯位構成。

最后，將掩模后的格式信息和最終的版本信息分別映射到各自的兩個預定區域。

3 QR Code編碼的實現

根據QR Code編碼規則，參考GB/T 18284-2000標準的相關解釋，即可利用開發工具編程實現QR Code編碼，得到相應的二維條碼圖像。最簡便的方法是利用QR Code開源組件進行編程開發，如：Denso的QRmaker.ocx控件支持Microsoft Visual Basic/C++編程環境，ThoughtWorks的QRCode.NET組件支持基于.NET Framework的編程，Google的ZXing.jar組件則支持Java。

鑒于目前農產品質量安全追溯系統大多采用.NET Framework開發環境，在此我們以一個Windows窗體應用程序為例，利用ThoughtWorks的QRCode.NET組件，以C#編程來實現帶有Logo的QR Code的編碼圖像。

3.1 QRCode.NET組件獲取與引用

QRCode.NET組件是一個ActiveX動態鏈接庫，名為ThoughtWorks.QRCode.dll，可從ThoughtWorks官網或其他途徑獲得。在項目中添加對它的引用，然后在窗體代碼中導入命名空間：using ThoughtWorks.QRCode.Codec;

3.2 主要程序代碼設計窗體界面，并編寫如下程序代碼：

3.3 程序運行測試

在文本框中輸入網址“http://www.nczy.com”作為原始數據，點擊“加入Logo”載入一個徽標圖像作為Logo，然后單擊“生成圖像”按鈕即得帶Logo的QR Code圖像，如圖4所示：

圖4 示例程序運行結果界面

在智能手機上用瀏覽器軟件（QQ瀏覽器、百度瀏覽器、UC瀏覽器等）掃描圖中的QR Code碼圖像，即可識別出其中的網址并自動進入南充職業技術學院官網。

4 應用QR Code進行農產品質量安全追溯

農產品質量安全追溯系統通常采用B/S架構或B/S與C/S混合架構，位于農產品供應鏈末端的銷售企業從共享數據庫中抽取溯源指標信息，制作成含有溯源網址、基礎追溯碼和QR Code的產品標簽，貼（印、噴）于所售農產品的包裝上，消費者即可借助自助終端、可上網的PC機和智能手機進行靈活、簡便的追溯查詢。

在自助終端和PC上（打開追溯網站后）只需輸入基礎追溯碼，即可獲得相應的農產品質量安全溯源信息。這些方法雖然操作簡單，但只能在固定場所進行；相比之下，利用隨身攜帶的智能手機掃描QR Code實現追溯查詢，則完全不受時間和地點的限制，對消費者來說無疑是更為方便靈活的。

4.1 智能手機掃描QR Code進行在線查詢

如果農產品標簽的QR Code僅含有基礎追溯碼，則智能移動終端（手機）完成QR Code掃描后，必須通過WIFI、3G或4G網絡訪問農產品溯源數據庫，以獲取消費者所購農產品的各項溯源指標信息。智能移動終端的數據訪問機制如下：

農產品質量安全追溯系統提供支持智能移動終端信息處理API（Application Programming Interface）的接口服務，用于處理從智能手機發送的信息或訪問請求[6]。當消費者用掃描含有農產品溯源信息的QR Code圖像后，首先通過調用 AJAX（Asynchronous JavaScript and XML，異步JavaScript和XML）引擎通過VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）專線向托管在ISP（Internet Service Provider，互聯網服務提供商）中心機房的服務器發送含有追溯碼參數的HTTP請求，服務器接收請求后通過SQL（Structured Query Language，結構化查詢語言）語句從共享數據庫中獲取農產品溯源信息，再通過JSON（JavaScript object notation，JavaScript對象表示法）序列化和反序列化后將數據返回手機終端，用字符串分隔工具解析成輸出界面格式[7]。相應處理流程如圖5所示：

圖5 智能移動終端的數據訪問流程

4.2 智能手機掃描QR Code實現離線查詢

利用QR Code信息容量大的優勢，農產品銷售企業在制作產品標簽時，可將用戶關心的各項質量安全溯源信息全部納入QR Code中。消費者使用智能手機中的二維碼工具（我查查、微信、QQ、手機淘寶、京東、UC瀏覽器等）掃描QR Code，即可直接解碼得到較為全面的溯源信息，無需聯網訪問農產品溯源數據庫。QR Code圖像及其在智能手機上用QQ瀏覽器掃描的結果如圖6所示：

圖6 QR Code圖像及其掃描結果

5 總結

本文以農產品質量安全追溯信息平臺建設為基礎，探討了QR Code在農產品溯源信息編碼、標識和查詢中的應用，其經濟性、有效性和簡易性是無容置疑的。

（1）QR Code標簽制作成本低、標識方法靈活多樣，無需專用設備即可識讀，比RFID讀寫技術更具經濟性；

（2）QR Code的編碼、解碼既有國際標準和國家標準為依據，又有多種開源的資源包供編程時引用，確保了該項技術應用的有效性；

（3）QR Code標簽可直接使用智能手機中的各種二維碼掃描工具進行離線識讀，具有無可比擬的操作簡易性。

[1] 國家質量技術監督局.快速響應矩陣碼:GB/T 18284-2000[S].北京:中國標準出版社,2004.

[2] 陳炯.QRcode編解碼技術的研究與實現[D].西安:西安電子科技大學,2012.

[3] 胡秋玉.QR code識別算法的研究與改進[D].成都:西南石油大學,2014.

[4] 李朝輝.基于圖像處理的彩色二維條碼的研究[D].天津:天津工業大學,2010.

[5] 寧振江.基于QR碼的公交服務評價系統[J].計算機與數字工程,2015,43(11):1968-1973.

[6] 程濤,毛林,毛燁.農產品質量安全追溯智能終端系統的構建與實現[J].江蘇農業科學,2013,41(6):273- 275,282.

[7] 董玉德,丁保勇,張國偉,等.基于農產品供應鏈的質量安全可追溯系統[J].農業工程學報,2016,32(1):280- 285.

Application of QR Code in Agricultural Product Quality Safety Traceability System

Hu Zhen, Luo Tongbiao, Yang Hua, Zeng Qingyong, Tan Heyi
(Nanchong Professional Technic College, Nanchong 637131, China)

According to the traceability information encoding problem of agricultural products quality and safety traceability, the QR Code encoding technology and reading methods are researched. First, the different characteristics of RFID and QR Code are compared, and the advantages of QR Code in the agricultural product quality safety traceability system are defined. Then the QR Code code structure and coding process are studied based on the national standard 18284-2000 GB/T, and an example of using C# to QRCode.NET component programming to realize QR Code code is given. On this basis, the application of QR code for the quality and safety of agricultural products traceability approach is analyzed, and the method using smart phone recognition of QR code is put forward. The analysis results show that the QR Code technology has obvious economic, effectiveness and simplicity in the agricultural product quality safety traceability system.

QR Code; Agricultural products; Traceability; Coding; Inquiry

TP319; S126

A

1007-757X(2016)010-0036-05

2016.06.11）

南充市應用技術研究與開發資金項目（14A0079）

胡 振（1967-），男，岳池人，南充職業技術學院信息與管理工程系，教授，研究方向：算法與建模，南充 637000

羅通彪（1967-），男，蒼溪人，南充職業技術學院科研處，副教授，研究方向：食品加工與食品安全，南充 637000

楊 華（1976-），男，營山人，南充職業技術學院信息與管理工程系，講師，研究方向：網絡編程技術，南充 637000

曾慶勇（1970-），男，南充人，南充職業技術學院信息與管理工程系，副教授，研究方向：信息系統開發，南充 637000

譚鶴毅（1980-），男，南充人，南充職業技術學院信息與管理工程系，講師，研究方向：物聯網技術，南充 637000