農產品產業鏈安全溯源體系設計與實現

劉芳++薛蓮

摘要：農產品安全溯源系統保障了農產品的安全和監管，設計結合射頻識別（RFID）自動識別技術、現代數據庫管理技術、網絡技術等實現農產品安全溯源。電子標簽采集農產品種植信息、加工包裝和檢測農藥殘留信息、物流供應鏈信息、銷售去向信息等關鍵環節的信息；閱讀器讀取電子標簽的數據包，通過網絡傳送到農產品溯源管理數據庫中，按電子產品代碼（EPC）在數據庫中存儲對應信息；消費者或管理者可以通過客戶端掃描溯源碼，通過網關從數據庫讀取對應的具體信息，同時以云計算和物聯網為基礎搭建農產品產業鏈安全溯源的云平臺，實現對農產品產業鏈基本信息的溯源和監控。

關鍵詞：RFID射頻識別；安全溯源；云平臺；農產品；電子標簽

中圖分類號：TP391.45文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0206-04

農產品是日常生活的必需品，食品安全關系到人們身體健康及生命安全，為了減少“西瓜爆炸”“毒生姜”等事件的發生，農產品溯源系統十分必要。伴隨著信息化技術的提高和物聯網射頻識別（RFID）技術的發展，農產品安全溯源系統結合RFID自動識別技術、現代數據庫管理技術、網絡技術、云計算等將整個農產品生產供應鏈和消費者查詢對接，實現農產品監控和實時查詢。國際食品法典委員會（CAC）與國際標準化組織ISO（8042：1994）把可追溯性的概念定義為“通過登記的識別碼，對商品或行為的歷史和使用或位置予以追蹤的能力”[1]，據此概念，農產品可追溯管理平臺的建立和數據收集包含多個過程，通過RFID技術記錄農產品種植信息、加工包裝和檢測農藥殘留信息、物流供應鏈信息、銷售去向信息等關鍵環節的信息，并把這些信息通過互聯網傳送到農產品數據庫系統中，消費者通過移動終端的服務平臺，實時查詢產品信息。當農產品發生質量問題時，可以溯源查詢到農產品源頭和流向，為農產品的安全保障提供了有效的監管。

1系統整體方案

1.1系統組成

農產品產業鏈的溯源系統主要包括2個部分。一部分是農產品基本信息的采集，如種植生長期信息、加工包裝和檢測農藥殘留信息、物流供應鏈信息、銷售去向信息，通過RFID自動射頻采集，并通過通用分組無線服務技術（GPRS）或互聯網將信息傳輸到數據庫中和云平臺[2]；另一部分是客戶端通過Web端或者Android界面登錄和掃描相關條碼，或者通過電腦、電話等途徑查詢，消費者可以掃描標簽溯源農產品的整個供應信息。監管部分可以通過溯源查詢問題存在的環節，對不合格食品進行溯源管理和管制。結合溯源信息流程的特點，本系統設計一種以ARM控制器為核心，集成條碼技術、電子標簽技術、無線網絡通信技術、全球定位系統（GPS）定位技術、嵌入式數據庫技術和手持終端系統開發技術，通過軟硬件的一體化協同設計，在農產品的包裝箱上貼上電子標簽，閱讀器與天線相連，集成傳感器的閱讀器讀取的數據包通過網絡傳送到農產品食品溯源管理數據庫中，同時將農產品在供應鏈中的產品信息注冊到RFID公共服務體系中，基于農產品溯源數據庫和農產品供應鏈信息，實現農產品溯源服務和終端查詢服務[3]。系統的整體設計方案如圖1所示。

1.2溯源系統功能

農產品產業鏈安全溯源系統主要實現以下5個功能[4]。（1）種植生長期基本信息。該信息采集時與農業智能環境監控系統深度集成，代表性選擇農產品貼上電子標簽，安裝無線RFID讀寫設備，并通過RFID讀寫設備無線發送給電子標簽進行保存。（2）加工包裝和檢測農藥殘留。RFID掃描設備記錄加工和包裝的時間及操作人；對農藥殘留進行檢測，檢測值、產品合格與否、檢測等級輸入系統，保存到RFID電子標簽中。（3）物流供應鏈信息。在農產品運輸時，在對應農產品上貼上系統自動生成的二維碼，記錄農產品信息，在物流貨車指定位置粘貼RFID標簽，表面有可視化信息，結合GPS定位技術，系統記錄農產品的物流供應鏈去向信息。（4）銷售去向信息。為了方便農產品的召回，對農產品供應的超市和購買者信息進行記錄，同時也寫入數據庫系統。（5）消費者掃描。農產品溯源時，系統自動生成二維碼粘貼在包裝上，消費者通過手持終端設備直接掃描二維碼或者輸入溯源編號，各種手持終端上顯示該農產品的詳細產品信息。

2系統設計

2.1讀寫器設計

RFID閱讀器又稱為RFID讀寫器，即無線射頻識別[5]，通過射頻識別信號的方式自動識別相關農產品并獲取相關數據，同時可識別運動物體或同時識別多個RFID標簽，操作快捷方便。對同類農產品貼上RFID標簽，該電子標簽采用PC材料的UHF900M，標簽內具有唯一的標識符UID，UHF900M電子標簽內分保留區、電子產品代碼（EPC）區、標簽識別號（TID）區和用戶區，用戶區內保存農產品的種植生長期信息、加工包裝和檢測農藥殘留信息、物流供應鏈信息、銷售去向信息等各個環節的信息。農產品溯源系統的讀卡器采用UHF900M，是工作頻段902～928 MHz的遠距離讀卡設備，UHF900M閱讀器與UHF900M電子標簽以耦合方式通信，實現射頻信號的傳遞和數據交換，UHF900M閱讀器連接嵌入式ARM-A8網關，上位機通過串口給UHF900M閱讀器發送指令，再通過網關讀取數據庫的信息返回給上位機，該讀寫器支持單卡、多卡讀書信息，并具備RS232、RS485等數據接口。RFID閱讀器工作流程如圖2所示。

2.2數據庫開發與設計

對于數據庫，結合農產品信息的特點建立數據庫，對信息有較強的處理能力，同時可以方便地進行更新維護，具有符合標準的較強的安全性。數據庫系統設計支持多進程、多線索，支持Client/Server和SMP處理模式，在終端查詢時，開發的數據庫具有良好的查詢和運行性能。為了提高信息查詢速度，采用分散存儲策略保存數據。

UHF900M電子標簽[6]內的存儲用戶定義區只有64b，用來存儲農產品關鍵信息的編碼，該編碼按照定義的EPC編寫，將不同農產品信息獨立送進統一的數據庫管理，掃描編碼信息，通過網關從數據庫讀取對應的具體信息，農產品溯源系統數據庫包含5類信息，每類信息有自己的結構，如農產品供應鏈信息結構如表1所示。

表1農產品供應鏈信息結構

列名1類型1說明id1自動增加的整數1主鍵date1整數，非空1用于保存該產品的檢測日期address1文本，非空1用于保存該產品所在倉儲地址name1字符，非空1用于保存該產品的檢測人姓名result1文本，非空1用于保存產品是否合格或級別

2.3數據訪問接口設計

農產品溯源系統訪問數據庫在Web服務器的環境中，由Web服務器完成對數據庫的操作[7]。使用HTTP協議對程序進行調用，使用PHH語言和control.php這個URL來實現對接口的調用，調用基本規則如下：【接口地址】control.php？module=模塊名&method=方法名；【調用方式】GET或者POST；【表單參數】module，必須按照參數表指定4個調用模塊之一；【表單參數】method，必須用來指定調用模塊中方法的名字，實現查詢、添加、修改、刪除等功能。

建立溯源數據庫時，根據農產品各個階段信息的分類，設定各個階段的信息并建立對應的數據表，其中指定的調用模塊是指農產品溯源系統數據庫中包含的種植生長期信息、加工包裝和農產品等級信息、物流供應鏈信息、銷售去向信息4類信息對應類型表的管理模塊。

3農產品產業鏈溯源云平臺設計

3.1云服務功能結構

農產品產業鏈的云服務主要功能為農產品種植監管子系統、加工檢測監管子系統、供應鏈監管子系統、銷售跟蹤子系統和手持終端溯源系統等。該系統整體云平臺構架基于1個智慧云計算服務系統加上5個橫向服務子系統。種植加工物流銷售等實時信息上傳到各自對應的數據庫，存儲到相關的職能部門信息管理系統，通過開放式應用程序接口（API）接口進行對接，結合服務的子系統，對傳給云服務對應的事件任務、數據信息進行增查補刪或分類智能協同管理。

3.2層次架構

農產品產業鏈安全溯源的云平臺是以云計算和物聯網為基礎的，其層次架構分6層[8]。感知接入層通過GSM/3G、RFID、視頻等對農產品溯源的各個環節進行信息的識別和采集；網絡接入層作為傳輸通道，通過超文本傳輸協議（HTTP）、傳輸控制/網際協議（TCP/IP）等各種協議，對感知接入層的信息進行上傳，同時該層也是應用層與用戶層間的傳輸媒介；智能資源層是基于IaaS，分為IT硬件支撐基礎設施和基礎服務，基礎設施對從網絡層提取的農產品的種植、生產、加工、物流等基礎信息進行分類分配和存儲，同時為保障存儲信息的安全，設置防火墻、安全網等硬件設備，基礎服務則是利用知識工程的理念實現農產品產業鏈存在問題的模型構建和基于知識的技術服務；服務管理層基于PaaS，通過API接口調用智能資源層的數據資源，改成提供服務開發環境，內置操作系統支持多語言開發，提供計算環境，對從API接口從資源層提取的農產品產業鏈溯源數據資源進行整合和挖掘。核心應用層基于SaaS，通過各種軟件服務構建農產品供應鏈的監管服務應用，通過門戶網站進行信息發布、內容管理、即時通信等服務；用戶層則是面向消費者，提供多種平臺、多種終端來查詢訪問管理層和應用層[9]。該云平臺的層次結構如圖3所示。

4終端系統設計與開發

系統溯源智能手持終端有多種，本設計實現以ARM嵌入式處理器為核心，由核心模塊控制連接單元協同工作和數據間的通信[10]。終端集成模塊及對應功能如下：身份識別RFID模塊讀取被測農產品流通時對應的UID號及寫入的信息；微型熱敏打印模塊實現在終端查詢時打印相關交易表單或該產品的溯源條碼。終端查詢平臺界面友好，農產品溯源系統平臺開發是建立在以Java語言的靈活使用作為平臺搭建的基礎技能，以Mysql數據庫為基礎[11]開發的3層構架的B/S模式[9]。采用JDBC+SPRING框架實現系統農產品數據的各分類信息邏輯層和數據訪問層，在業務層與數據層交互時按需創建數據表的更新與維護。以Myeclipse10為開發平臺，Mysql為數據庫，Tomcat為服務器，前端界面設計采用jQuery技術，服務端以Json格式統一處理實現數據發送，實現終端農產品安全溯源的查詢平臺[12]。

5農產品溯源查詢結果

農產品終端溯源系統是以條碼技術和電子標簽技術為主的信息載體，以數據庫技術和網絡技術為服務平臺，實現各種終端，如溯源網站、條碼掃描等各種形式的查詢方式。本系統溯源平臺的開發采用通過查詢溯源號或掃描對應的條碼，或查詢建立的溯源網站，顯示農產品的基本信息。本設計結合農產品供應鏈結構的輸入信息，在供應鏈信息處分別顯示對應的日期、倉儲位置、檢測人字符信息和檢測結構情況。查詢結果如圖4所示。

本設計從RFID讀寫器設計，數據庫開發設計，云平臺搭建、終端的設計實現了農產品安全溯源，溯源系統操作簡單可行，溯源的結果顯示了農產品相關的信息，保障了消費者的權益和食品的安全。

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