基于NFC的茶葉質量安全追溯系統的設計與實現

胡國強， 李 茵

(1.西北農林科技大學網絡與教育技術中心，陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學信息工程學院，陜西楊凌 712100)

天南地北，城市鄉村，很多國人喜歡飲茶，茶葉不僅醒腦，而且能消憂解困，有很好的養生保健功效。近幾年，隨著人們生活水平的不斷提高和健康意識的增強，人們對茶葉的品質和安全也有了更高的要求，茶葉類飲品的品質和安全受到了各級政府以及廣大消費者的高度關注，選擇口感好、健康安全的茶成了一種必然趨勢[1-2]。如何保障茶葉質量安全，讓消費者放心購買茶葉已成為政府和茶企十分關注的問題。針對茶葉從種植到銷售過程中出現的質量安全問題，如何利用信息技術進行預警、發現、追蹤、溯源以保障茶葉的質量安全是近年來國內外學者重要的研究方向。根據調研發現，國內外很多學者采用食品追溯系統來保障食品安全，就追溯系統而言，蔡勇等采用二維碼技術實現了中藥質量可追溯系統[3]；孟猛等基于二維碼技術實現了熱帶水果質量安全追溯系統[4]；劉佳采用二維碼技術構建了農產品質量安全可追溯系統[5]；南潮等將物聯網技術應用到豬肉制品追溯系統[6]；鄧明華等設計了嵌入式Linux的農產品物流智能追溯系統[7]；劉鵬等利用射頻識別(radio frequency identification，簡稱RFID)實現了肉牛相關產品的追溯系統[8-12]；張君繼等利用RFID技術設計了蔬菜溯源終端[13]；白紅武等利用地理信息系統(geographic information system，簡稱GIS)開發了肉品和生豬追溯系統[14]。國外發達國家均開發了追溯系統并已投入使用，與追溯系統相關的技術標準和規范十分健全。國內追溯系統缺乏統一標準和統一指導規范，缺乏便捷的消費者參與途徑。隨著帶有近距離無線通信技術(near field communication，簡稱NFC)功能的智能手機日益普及，用戶通過智能手機的NFC功能可以快速便捷地訪問NFC標簽中的內容，有利于推廣追溯系統。因此，本研究建立基于NFC的茶葉質量安全信息可追溯系統，對茶葉的質量進行監管和全方位跟蹤，為相關部門提供決策依據。

1 基于NFC的茶葉質量安全追溯系統的基本情況

1.1 追溯系統實施原理

從茶葉監管部門的角度出發，質量安全可追溯系統須要對整個供應鏈流程進行監控，能夠實時上傳溯源數據，根據這些數據快速定位出現問題的節點、企業以及原因，快速處理消費者投訴意見并及時對問題產品進行召回。從茶葉供應鏈節點企業的角度出發，追溯系統須要通過NFC系統及時采集數據，并根據危害分析與關鍵控制點(hazard analysis critical control point，簡稱HACCP)的原理來確定溯源信息[15]，將溯源信息上傳至數據庫，追溯系統對其進行整合。從茶葉消費者的角度出發，消費者可以通過輸入NFC標簽內存儲的追溯碼或通過NFC手機讀取NFC標簽進行產品溯源，一旦發現茶葉有質量問題，可以聯系茶葉質量監管部門進行投訴。基于上述3種不同的角度考慮，構建茶葉質量安全追溯系統實施原理，結果如圖1所示。

1.2 追溯系統總體框架設計

茶葉供應鏈流程可分為茶葉種植企業、加工企業、流通企業和茶葉銷售企業。茶葉供應鏈企業可通過NFC采集系統寫入和讀取NFC標簽信息，同時將要寫入的信息提交給Savant中間件[16]，信息經過Savant處理后，傳送到Internet的對象名解析服務(object name service，簡稱ONS)。在Internet上利用ONS找到這個茶葉產品信息所存儲的位置，通過物理標示語言(physical markup language，簡稱PML)服務器將PML記錄的茶葉產品信息存放到MySQL數據庫。茶葉種植企業記錄的產品信息隨著供應鏈條最終傳給茶葉銷售企業，同時將寫入NFC標簽的信息實時上傳到可追溯系統。

追溯系統總體框架可分為企業管理模塊、茶葉種植信息采集模塊、茶葉加工信息采集模塊、茶葉流通信息采集模塊、茶葉銷售信息采集模塊、Savant中間件以及ONS、PML數據庫，具體設計框架如圖2所示。

1.3 追溯系統主要模塊設計

可追溯系統采用國際通用的電子產品編碼(electronic product code，簡稱EPC)，供應鏈企業向中國物品編碼中心(article numbering center of china，簡稱ANCC)申請注冊EPC廠商識別代碼，確定好標頭和廠商識別代碼后，供應鏈企業可自己設計分類代碼和系列號。本研究的追溯系統主要運行于茶葉供應鏈企業的各個環節，監管部門作為系統管理員統一管理可追溯系統，嚴格控制供應鏈企業的準入，制定統一操作規范，方便供應鏈各企業利用各自的采集系統進行數據采集，方便用戶、供應鏈企業、監管部門通過NFC標簽或追溯碼及時獲取茶葉信息。可追溯系統按照功能可劃分為企業管理、茶葉種植信息采集、茶葉加工信息采集、茶葉流通信息采集、茶葉銷售信息采集五大模塊，具體設計如圖3所示。

1.3.1 企業管理模塊 企業管理模塊的主要功能是茶葉質量監管部門對茶葉供應鏈企業進行管理。加入供應鏈的企業都會分配EPC廠商識別代碼，企業管理模塊直接操作EPC廠商代碼。操作動作有增加、刪除、變更，對審核通過的新加入的企業執行增加操作，對不符合要求的企業執行刪除操作，對違反食品安全法的企業進行記錄，情節特別嚴重的通知企業進行產品召回。

1.3.2 茶葉種植信息采集模塊 通過NFC讀寫器及時錄入對該地塊或該茶葉品種從種植到采收的整個過程中的信息，如種植時間、種苗來源、農資信息、施肥信息、噴藥信息、采收信息、清茬信息等，重點關注農藥和化肥的來源、使用量、安全間隔期等影響農產品安全的因素，這樣在該茶葉品種完成溯源供應鏈的初始環節時，已將所有基本信息儲存在電子標簽中[17]。

通過NFC手機對茶葉種植信息進行采集，不僅提高了采集速度和準確率，而且為茶葉產品加工提供了基礎數據，為茶葉產品的溯源提供源頭數據。同時，把NFC讀寫器采集到的數據信息導入茶葉企業所有種植基地的種植管理數據庫中，各個種植基地的本地數據庫通過Internet網絡定期上傳數據到追溯系統的數據庫。主管部門工作人員以及消費者可以通過企業監管模塊與溯源查詢系統實現對茶葉種植環節各項數據進行查詢，從而實現茶葉的實時監管和質量安全追溯，具體設計如圖4所示。

1.3.3 茶葉加工信息采集模塊 茶葉加工企業從茶葉種植企業收購茶葉后進行加工，加工后轉出給茶葉流通企業將茶葉進行倉儲。加工企業從茶葉種植企業接收到帶有NFC標簽的茶葉，讀取NFC標簽中的內容，并將加工信息寫入標簽，形成最終的產品追溯碼，同時將信息上傳至茶葉加工信息數據庫。主要采集的信息有茶葉加工企業信息、轉入信息、加工信息、產品信息、產品追溯碼和轉出信息。

1.3.4 茶葉流通信息采集模塊 由于茶葉具有吸附性強的特性，因而對倉儲環境要求較高。茶葉產品入庫前，利用NFC手機讀取NFC標簽來獲取其保存的追溯條碼，并自動上傳至茶葉流通管理數據庫，記錄轉入信息和倉庫溫濕度信息。

茶葉產品在出庫前，利用NFC系統記錄茶葉的出庫時間等信息，并上傳到茶葉流通管理數據庫。茶葉在運輸環節中，利用NFC標簽可以實現在途貨物的監控、跟蹤及口岸檢查。將NFC識別技術和全球定位系統(global positioning system，簡稱GPS)結合起來，可實現對茶葉運輸車輛的實時監控和跟蹤[18]，并將運輸環節中的信息通過車載無線模塊上傳至茶葉流通管理數據庫，整個模塊設計如圖5所示。

1.3.5 茶葉銷售信息采集模塊 茶葉銷售企業在銷售茶葉的過程中，先將銷售信息如銷售商、部門等信息寫入NFC標簽，再將銷售企業信息、轉入信息和銷售信息上傳到茶葉銷售數據庫。

2 茶葉質量安全追溯系統實現

追溯系統的開發使用ThinkPHP的策略模式，此模式將所有行為函數封裝到接口中，并將某些模塊特有的行為封裝到抽象類中。當系統模塊有多種策略可以選擇時，可根據不同的情況選擇不同的策略(算法)即調用不同的接口或抽象類，不用修改使用策略的中間模塊來隨意地改變策略。策略模式可以有效避免使用多重條件轉移語句或代碼重復，提高編程效率。

追溯系統基于流行的LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)架構開發，此架構由Linux CentOS 7.0操作系統、Apache 2.4網頁服務器、MySQL數據庫管理系統和ThinkPHP V5.0程序框架組成[19]。LAMP架構與Java/J2EE架構相比，LAMP具有資源豐富、安全、快速開發等特點，與微軟的 .NET相比，LAMP具有通用、跨平臺、高性能的優勢[20]。因此，本研究采用LAMP對追溯系統進行構建，具體設計如圖6所示。

廣大茶葉消費者通過瀏覽器訪問Apache服務器后進入輸入茶葉追溯碼頁面，輸入追溯碼后可以追溯購買的茶葉供應鏈各個環節的信息。如果碰到質量問題可以在線投訴，監管部門以管理員的身份登錄進追溯系統及時處理投訴信息。

MySQL數據庫由管理數據庫、茶葉種植數據庫、茶葉加工數據庫、茶葉流通數據庫、茶葉銷售數據庫組成，管理員可以通過結構化查詢語言(structured query language，簡稱SQL)對數據庫進行維護。

該系統利用NFC技術將茶葉整個供應鏈采集的信息上傳到數據庫，確保用戶能夠通過NFC手機查詢各個節點企業信息，同時用戶也可以通過互聯網在瀏覽器輸入溯源碼進行查詢，追溯系統查詢界面如圖7所示。

3 結論與討論

開發茶葉質量安全追溯系統記錄茶葉生產鏈和供應鏈所有環節操作信息和數據，如果發現茶葉質量安全問題，通過茶葉質量安全追溯系統可以追溯到問題茶葉的種植企業、加工企業、流通企業、銷售企業，這樣不僅可以保障消費者的利益，而且可以穩定茶葉銷售市場。本研究設計茶葉質量安全追溯系統各個采集模塊，開發基于LAMP架構的平臺的追溯系統。結果表明，采用統一供應鏈流程層次式體系架構、開發茶葉質量安全追溯系統是可行的；驗證追溯系統的各個模塊使用NFC采集系統是可行的。本系統設計時只考慮到各節點企業要實現的主要功能和溯源項，還須要對實際應用更加深入地調研，以滿足各節點企業和消費者的不同需求。

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