基于物聯網的食品溯源技術研究

王宇

曲阜師范大學 網絡空間安全學院 山東 曲阜 273100

1 技術簡介

1.1 射頻識別技術

RFID射頻識別技術，作為一種無線通信技術，又稱為電子標簽。與傳統的條碼掃描技術不同，RFID不需要掃描設備與標簽進行物理或者光學接觸，進入感應場中即可批量獲取數據。該技術由標簽、閱讀器和天線構成，具備快速掃描、抗污能力強的優勢[1]。

1.2 傳感器技術

傳感器技術作為知識密集型技術，在一切科學的生產試驗過程中，特別是科技賦能的自動化導向養殖中，需要獲取原始的一手信息，需要通過傳感器轉換為容易傳輸和處理的電信號。不同特點的敏感元件提供電子設備感知多變環境的可能，轉換元件通過類人的感知特性將數據變換為處理設備進行存儲轉化的數字化信息。

產地作為整個溯源鏈條的起點，也是最為關鍵的節點。傳統的管理方式為人工管理結合視頻監控系統，在個體成長過程中，人為操作的內容過多且較為繁雜。果蔬類產品還需要控制光照、溫濕度、土壤元素等因素，引入多種類的傳感器實時測量監控環境變化情況，減輕工作人員的負擔，且能獲得較為精確的環境數據，自動存儲與上傳的特性，將數據中心中的各項指標進行對照與串聯，實現環境的精準控制。

1.3 定位技術

隨著北斗衛星組網的完成，構成了我國自行研發的北斗衛星體系。繼全球定位系統GPS和俄羅斯導航系統GLONASS后，定位系統中集成了更為精確的北斗導航模塊，提供全球范圍內全天候、全天時的定位功能。

在室內無法用衛星定位的情況下，可采用紅外線、超聲波、射頻識別、藍牙、WIFI、ZigBee和超寬帶技術進行室內精確定位，來追蹤室內環境下的位置情況。

圖1 系統技術框架

1.4 邊緣計算、大數據與云計算

圖2 數據技術關聯

傳感器數目激增，過程數據愈加龐大，常規的數據處理方式無法滿足計算要求。融入大數據與云計算技術增強數據的分析處理效率。但是在傳感器密布的體系中，數據體量與網絡傳輸之間存在一定的矛盾，引入邊緣計算，在靠近數據源頭的傳感器端進行智能高效的數據處理。

2 溯源過程方案設計

動物食品涉及畜牧養殖、檢疫放養、屠宰加工、物流倉儲和流通銷售等環節，其從養殖場到餐桌的整個轉換過程比其他種類的食品要復雜得多，因此完成整個溯源鏈條鎖需要的信息涵蓋面更廣、信息量更大、追溯區域與時間轉換頻率更高。電子標簽作為過程的記錄者起到實時追蹤記錄的作用，傳感器的存在更大程度上保證了環境變化的可控性。不同的流通環節對電子標簽和傳感器的要求不同，根據環境變化可以對不同種類的標簽和傳感器靈活選擇。

圖3 過程設計

（1）養殖場。在牲畜出生時進行打標，運用RFID的標簽記錄個體生長的詳細過程數據，包括防疫、牧養等階段，對于生長環境的監控結合多種傳感器及視頻監控系統完成[2]。

在養殖場階段，每個牲畜出生后，數據庫管理平臺生成與之對應且唯一的標識碼，并在食品安全數據中心進行信息的登記和備份，建立起個體信息數據庫的入口。在個體成長的每個過程，包括飼料、免疫、檢疫、稱重等數據都分別通過管理平臺記錄在食品安全數據中心。在此階段，動物養殖與植物養殖過程存在很大的區別，選擇合適的記錄工具尤為重要，常規的二維條碼易受污染，易受破壞，且掃描識別有一定局限性，不適合多標簽的錄入。考慮多方面因素，將RFID標簽作為溯源起點個體的信息載體更為合適，其感應識別、可重寫等特點切合動物個體的生長環境，每個RFID標簽和標識碼一一對應，存放在數據庫中。

在牲畜出生開始飼養時，安裝上RFID標簽，一般為耳標的形式，這些電子標簽在牲畜一出生時就打在耳上，飼養員手持閱讀器不斷地設定、采集或存儲成長過程的信息，從源頭上根據過程數據對生產安全進行控制，同時記錄牲畜在各個時期的防疫信息記錄中。對于稱重、飼養等固定區域的過程，采用加裝固定閱讀器的門式感應器對出入個體進行數據采集，在提升出欄速率與識別率的基礎上，對數據異常的個體進行攔截篩查，保證無疾病的牲畜才能出欄。

（2）物流運輸。在物流運輸中，通過物流運輸管理平臺與食品安全數據中心對接，登記對應的物流信息。將RFID作為此過程的信息采集管理的唯一標識。此階段運輸的活體個體，為保證個體的健康狀況，一般以公路運輸為主，運輸過程中不只對運輸工具進行實時定位，還對每個個體進行實時監控。

（3）屠宰場。收購、屠宰、檢疫時可以手持RFID讀寫器讀取RFID標簽中的過程信息，對每一個體的生長過程進行完全無遺漏的審查，確保其生長環境的安全無公害，并審核記錄個體的健康數據。

屠宰場過程存在若干生產環節，根據牲畜的唯一標識對該過程進行流水線的監控，并將過程數據上傳到數據中心。在此過程中，牲畜的完整個體進行歸類分割，所對應的標識碼也會在該階段進行分割，分別對應不同的部分，為此添加對應的分割標識，稱為屠宰標識碼。將屠宰標識碼與生產標識碼建立對應關系，關聯到數據中心的倉庫，通過映射關系，可以基于生產標識碼追蹤到分割的肉類產品，也可以由每一個肉類產品追蹤的先前的個體，從而完成該過程的溯源。

（4）冷鏈倉儲。屠宰完成后進行冷鏈運輸，對接屠宰階段的肉類產品標識符進行數據管理。該階段對流通和存放環境有嚴格要求，采用傳感器對整體場景進行各項數據的監控。比如溫度傳感器實時監測確保運輸和存儲過程的溫度不高于-18℃。同時應結合北斗和GPS定位系統，結合GIS，連接交通網絡，自動搜索始發地道目的地之間的最優路徑，選擇更為高效的運輸路徑，排除因交通擁塞、天氣突變帶來的不確定因素。

（5）超市銷售。加工完成的肉類食品擺上柜臺，根據屠宰階段產生的標識碼對應加工完成的每一件商品，也可根據實際情況轉換成對應的條形碼。確保商品與屠宰碼和養殖地的標識碼建立起完善的對應關系。

（6）消費者。顧客進入商場購買商品，使用微信小程序掃描對應的條碼即可獲取商品信息，追溯到商品的產地源頭，可以查詢包括成長階段所記錄的所有數據。也可以查詢在冷鏈和倉儲階段的存放數據，與數據中心對接，建立起系統的數據網絡關聯從產地到餐桌的每一個階段。消費者可以根據查詢的數據對有問題的商品信息進行維權以保證自己的合法權益[3]。

3 相關技術與實際應用分析

3.1 區塊鏈與溯源融合

區塊鏈會讓更多的人參與整個信任鏈條，參與方越多，信息公開，其次，讓信息形成共享信息鏈，由于區塊鏈的去中心化和不可篡改性，溯源過程責任分明，鏈條關鍵節點清晰。將產地個體、防疫檢疫組織、安全認證機構、食品加工銷售企業、物流倉儲企業等加入到區塊鏈上，所有的數據一旦上鏈相互鏈接，記錄將不能被改動，依靠不對稱加密從根本上消除人為因素，從技術上突破了傳統的溯源防偽系統信息不透明、數據容易篡改、安全性差、相對封閉等弊端和弱點。最后，信息登記智能化、非人工化。

區塊鏈技術也被稱之為分布式賬本技術，其天然特性包括：公開透明，每個人均可參與數據記錄，且鏈上信息無法被篡改，具有很強的可溯源性。一方面，基于區塊鏈技術可以實現建立食品溯源體系的目標。一旦有食品安全事故發生，任何人均可回溯到每個交易節點，從而發現問題所在。另一方面，區塊鏈技術提供了一種標準化的記賬方式，統一食品從產至銷的所有記賬環節，進而切實實現食品溯源鏈條。

圖4 溯源與區塊鏈融合

3.2 RFID與條形碼轉換技術

當流通到食品環節，標簽的形式根據所處場景需要變換其數據存儲的方式，絕大多數食品屬于低價值商品，由于數量巨大且標簽信息的冗余性，在每一個單品上加載電子標簽成本過高。在食品流通過程中，采用RFID技術與條形碼技術結合來解決電子標簽成本和自動數據采集效率之間的矛盾是一條可行的途徑。由于RFID與條形碼兩者的信息存儲格式不一致，RFID標簽部分具有電子特性，而常規條碼分為一維碼和二維碼，因其形式不同，識別方式和存儲方式各不相同。因此需要兼容系統既能夠轉換電子標簽存儲格式到條形碼格式，又能夠將條形碼存儲格式轉換成電子標簽存儲格式，并保證條形碼與RFID標簽上信息的關聯性[4]。

圖5 電子標簽彎曲角度與識別率之間的關系

圖6 電子標簽-18℃下冷凍時間與識別率

4 結束語

食品安全問題愈發嚴峻，以物聯網為基礎的溯源策略進一步優化改進。基于智慧建筑的養殖地建設，將RFID應用于溯源過程的每一個階段進行監控管理，搭載不同種類的傳感器設備實時收集溯源數據，邊緣計算與云計算數據中心融合，形成不可篡改的區塊鏈鏈條，通過終端二維碼掃描追蹤每一個節點的關鍵數據，進而建立完整可追溯的溯源鏈條。