基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)

白紅武， 孫愛東， 陳 軍， 孫立榮， 盧海燕， 梁 穎， 劉賢進

(1.江蘇省食品質(zhì)量安全重點實驗室，農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量安全監(jiān)控重點開放實驗室，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室(南京)，江蘇 南京 210014;2.南京未來星傳感技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210042)

現(xiàn)今人們越來越重視飲食與健康的關(guān)系，然而由于某些食品生產(chǎn)者和經(jīng)營者法律意識和衛(wèi)生意識淡薄，農(nóng)藥濫用現(xiàn)象尚未得到有效控制，導致農(nóng)產(chǎn)品中藥物殘留與重金屬等有害物質(zhì)超標事件不時發(fā)生。農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全不僅關(guān)系到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，更是關(guān)系到人類身心健康，是亟待解決的社會問題之一。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)將相關(guān)物品通過信息傳感設(shè)備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，實現(xiàn)智能化識別和管理［1-3］。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)可用來監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、空氣溫濕度、畜禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測，自動收集溫度、濕度、風力、大氣、降雨量等數(shù)據(jù)，為研究人員進行科學分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［4］。

溯源系統(tǒng)(Traceability system)是在產(chǎn)品供應整個過程中對產(chǎn)品的各種相關(guān)信息進行記錄存儲的質(zhì)量保障系統(tǒng)［5］，其目的是在產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題時，能夠快速有效地查詢到產(chǎn)生問題的原料或加工環(huán)節(jié)，必要時進行產(chǎn)品召回，實施有針對性的懲罰措施，由此來提高產(chǎn)品質(zhì)量水平。農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)是追蹤農(nóng)產(chǎn)品(包括食品、飼料等)進入市場各個階段(從生產(chǎn)到流通的全過程)的系統(tǒng)，有助于質(zhì)量控制和食品安全。

歐盟的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)應用最早。2000年1月歐盟發(fā)表了《食品安全白皮書》，以控制“從農(nóng)田到餐桌”全過程，明確所有相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)營者的責任［6］。美國的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)主要是企業(yè)自愿建立，政府起到推動作用。日本不僅制定了相應的法規(guī)，而且在零售階段，大部分超市安裝了產(chǎn)品溯源終端［7］。英國政府建立了基于互聯(lián)網(wǎng)的家畜跟蹤系統(tǒng)(CTS)［8］。加拿大從2002年7月1日起開始實施強制性活牛及牛肉制品標識制度［9］。澳大利亞通過國家牲畜標識計劃(NLIS)實現(xiàn)牲畜溯源［10-11］。中國物品編碼中心在2007年開始啟動中國條碼推進工程，在上海、武漢等地推出了試點，2008年提出要全面推行農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)［12-13］。因此，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)具有非常重要的社會意義。

1 材料與方法

1.1 溯源對象

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，是應用標識技術(shù)，對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、流通和檢測等環(huán)節(jié)實施全程監(jiān)管的系統(tǒng)?；咀龇ㄊ菍r(nóng)產(chǎn)品的種植區(qū)域進行規(guī)劃，對生產(chǎn)情況進行電子記錄，對使用者和檢驗結(jié)果記錄在案，對生產(chǎn)場所實施危害分析與關(guān)鍵控制點管理，建立中心數(shù)據(jù)庫，記錄各環(huán)節(jié)的信息，實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的跟蹤和溯源管理。建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，必需3個基本要素，即產(chǎn)品標識、數(shù)據(jù)庫和信息傳遞。本研究的溯源對象主要涉及到蔬菜、瓜果、豬肉、雞肉4大類，30多個品種。

1.2 標識設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)實際情況，農(nóng)產(chǎn)品標識的設(shè)計要考慮的首要問題是低成本、易用性以及與現(xiàn)有的生產(chǎn)管理相融合。在無線射頻識別(RFID)標識尚未達到大規(guī)模推廣應用之前，條形碼標識仍然是使用最廣泛的農(nóng)產(chǎn)品標識。人工輸入追溯碼，速度慢且易發(fā)生錯誤，為實現(xiàn)追溯碼的自動獲取，我們采用二維條碼技術(shù)。如圖1所示，在產(chǎn)品標簽1上，顯示有電子質(zhì)量安全(eQS)標志，詳細記錄了該產(chǎn)品的產(chǎn)地安全、投入品安全和產(chǎn)品安全等檢驗結(jié)果。在產(chǎn)品標簽2上，簡潔顯示該產(chǎn)品的安全信息(如追溯碼、品種產(chǎn)地、責任人等)，提示了如何使用該追溯標簽，最下面的一維條碼方便現(xiàn)場查詢，二維條碼(QR碼)可供手機識讀。此外，對于高附加值的農(nóng)產(chǎn)品(如茶葉)，我們還在標簽背面增加了RFID芯片，進行非接觸式識讀。農(nóng)產(chǎn)品的編碼規(guī)則參照《NYT 1431-2007農(nóng)產(chǎn)品追溯編碼導則》。有2種方式:一種是采用20位長碼，其含義為1類別+6行政區(qū)劃+2公司+2產(chǎn)品+6日期+3批次號;另一種是采用10位的短碼，其含義是1類別+5日期+2品種+2序列，方便消費者通過短信或電話的方式查詢。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品的標簽設(shè)計Fig.1 Label design for agricultural products

1.3 功能模塊

為了增強該系統(tǒng)應用的生命力，系統(tǒng)設(shè)計時采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流程，并采用相應的策略控制數(shù)據(jù)的流向。數(shù)據(jù)流圖的統(tǒng)一和規(guī)范，不僅適應本系統(tǒng)查詢功能的要求，而且使系統(tǒng)能更好地與相關(guān)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交流和共享，特別是能更好地完成系統(tǒng)在運行后長期而繁重的系統(tǒng)維護任務，減少維護開發(fā)的工作量，增加了系統(tǒng)的可擴展性。在此基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)的功能進行組件式開發(fā)，圖2顯示系統(tǒng)的核心組件和基本功能。

圖2 溯源系統(tǒng)功能圖Fig.2 Function of traceability system

1.4 開發(fā)語言

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)主要包含6部分:網(wǎng)絡(luò)管理平臺、短信管理平臺、智能手機管理平臺、條碼打印系統(tǒng)、查詢機軟件和查詢網(wǎng)站。系統(tǒng)使用的開發(fā)語言有:VB.net、C#、Asp 和 Html。數(shù)據(jù)庫選用SQL Sever 2005企業(yè)版。系統(tǒng)針對生產(chǎn)者、經(jīng)營者和消費者，分別提供不同級別的密鑰。

1.5 硬件設(shè)備

查詢機是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的重要展示窗口，因此查詢機的外觀和功能非常重要。根據(jù)企業(yè)的需求，設(shè)計開發(fā)智能終端——RFID多功能查詢機。該查詢機支持自動上網(wǎng)、自動播放廣告、自動顯示查詢結(jié)果。結(jié)構(gòu)和外觀如圖3所示:正面布置了弧線型有機玻璃罩;在支柱上部安裝了LCD顯示器和觸摸屏;在支柱上部安裝了激光條碼掃描裝置;在支柱中部安裝了RFID讀寫器;在支柱下部安裝了微型電腦和音箱;預留了電源接頭、網(wǎng)線接頭和視頻輸出HDMI接頭;符合人體工程學原理，便于操作，整體性好，便于移動，維護方便。查詢機尺寸為500 mm×800 mm×1 700 mm。硬件包括:19寸LCD顯示器、INTEL酷睿E2210、華碩主板、金士頓4G內(nèi)存、日立500G硬盤、長城電源、支持雙顯示器的顯卡、觸摸屏、展盟S-7030掃描平臺和RFID讀寫器FS-3601。軟件包括:Windows XP操作系統(tǒng)、NET 2.0 框架、Supermarket查詢軟件。

圖3 JAAS-1型RFID多功能查詢機Fig.3 JAAS-1 multi queny machine with RFID

1.6 信息鏈

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的追溯要求，設(shè)計了如圖4所示的追溯信息鏈，實現(xiàn)中央數(shù)據(jù)庫和信息傳遞功能。

圖4 農(nóng)產(chǎn)品溯源信息鏈Fig.4 Information chain for agricultural product traceability

在生產(chǎn)階段，解決2個基本問題:一是農(nóng)產(chǎn)品的田間信息記錄;二是農(nóng)產(chǎn)品的環(huán)境信息記錄。問題1通過置于田間的防雨記錄卡來實現(xiàn)。每次進行田間操作后，操作員記錄當日的具體實施情況，例如2010-11-14，某人，噴灑除草劑50 ml。問題2通過基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)通過太陽能供電，利用Zigbee的自組網(wǎng)性，實時記錄田間的環(huán)境信息(例如溫度、濕度、光照、土壤濕度等)，通過GSM網(wǎng)關(guān)發(fā)送到遠程的服務器，為農(nóng)產(chǎn)品溯源提供源頭信息。

在加工階段，解決2個基本問題:一是農(nóng)產(chǎn)品的保鮮問題;二是農(nóng)產(chǎn)品的包裝問題。農(nóng)產(chǎn)品在采收后，立即進入冷庫進行預冷處理，之后在5℃的溫度下進行擇揀和包裝處理。農(nóng)產(chǎn)品的溯源標簽在包裝前預先打印好，方便操作員快速包裝。

在運輸階段，對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)者和參與者進行記錄，同時對農(nóng)產(chǎn)品的冷鏈運輸過程中的環(huán)境進行監(jiān)測和控制。通過GPS自動記錄運輸車輛的出發(fā)地和目的地，最大限度保障農(nóng)產(chǎn)品運輸環(huán)節(jié)的安全性。

在銷售階段，對所有記錄在案的農(nóng)產(chǎn)品進行eQS認證，貼有專門設(shè)計的農(nóng)產(chǎn)品溯源標簽，不僅實現(xiàn)現(xiàn)場查詢，還提供網(wǎng)絡(luò)查詢、短信查詢、電話查詢、手機識讀等功能。

1.7 供應鏈

典型的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈如圖5所示，包括生產(chǎn)基地(農(nóng)戶、農(nóng)場或種植基地)、加工包裝環(huán)節(jié)(加工車間、批發(fā)市場或物流中心)和銷售環(huán)節(jié)(農(nóng)貿(mào)市場、超市網(wǎng)點或?qū)Ｙu店)。各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)主體不同，分布地域不同，管理方式也不同，信息采集、交換與發(fā)布也不同。追蹤系統(tǒng)能夠明確供應鏈的信息流，便于供應鏈中的責任界定，同時方便問題食品的召回，降低了食品安全問題的外部成本。

圖5 農(nóng)產(chǎn)品供應鏈Fig.5 Supply chain for agricultural products

2 結(jié)果與分析

2.1 自動采集環(huán)境信息

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在生產(chǎn)基地的蔬菜大棚里，布置功能性智能無線傳感器節(jié)點，實時采集植物生長的環(huán)境信息(如溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度等)，當溫濕度不符合植物生長需求時，可以短信的方式向管理者報警，可對溫室大棚進行遠程監(jiān)控;當植物缺水時，根據(jù)不同植物的需水模型，可自動打開電磁閥，對作物進行高效節(jié)水管理。系統(tǒng)自動記錄植物生長的各項參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，存入指定的數(shù)據(jù)庫，為最終的農(nóng)產(chǎn)品溯源提供重要的源頭信息。把設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)與溯源系統(tǒng)有機結(jié)合起來，從一定程度上解決了溯源的源頭信息。

2.2 原始檔案電子化

對于生產(chǎn)操作過程人工記錄檔案。首先，記錄生產(chǎn)基地所購買的農(nóng)藥、化肥等基礎(chǔ)資料，注明生產(chǎn)商及其聯(lián)系方式;其次，在田間地頭設(shè)置一個具有防雨功能的記錄卡，每次進行田間操作后，操作員記錄當日的具體實施情況，以此考核工人的績效;最后，在加工車間，記錄工人的消毒和操作時間，最大限度保障加工過程中責任到人。在保留原始憑證完整性、真實性和有效性的基礎(chǔ)上，由專人錄入數(shù)據(jù)并拍照存檔，實現(xiàn)生產(chǎn)檔案的電子化。

2.3 快速錄入信息

由于是通過組件式開發(fā)，溯源系統(tǒng)允許在條碼打印時，自動錄入固定信息，例如品種、產(chǎn)地、責任人、資質(zhì)證明等。質(zhì)檢員也可以在網(wǎng)站遠程添加該批次產(chǎn)品質(zhì)檢報告。在3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，生產(chǎn)責任人使用智能手機的拍照功能實時傳送該批次產(chǎn)品的照片和生產(chǎn)記錄卡。利用Web2.0發(fā)微博的方式，最大程度提高溯源信息錄入的效率和便捷性。

2.4 用戶查詢

在貼有追溯碼的最終產(chǎn)品包裝上，可通過現(xiàn)場查詢機查詢到該產(chǎn)品的詳細安全信息，例如品種、產(chǎn)地、責任人、產(chǎn)地環(huán)境、投入品檢測、生產(chǎn)記錄、產(chǎn)品檢測報告等(圖6)。此外，消費者購買產(chǎn)品后，發(fā)現(xiàn)問題，可通過短信的方式查詢到該產(chǎn)品的基本安全信息以及相關(guān)責任人。普通手機用戶，可通過Wap方式獲得產(chǎn)品的檢測報告等安全信息。對于智能手機用戶(例如Android、手機)，我們提供了開放式的QR碼標簽，用戶只需輕輕一拍，即可快速獲得該產(chǎn)品的詳細信息。

圖6 查詢首頁(A)和查詢結(jié)果頁(B)Fig.6 Query page(A)and query result page(B)

2.5 應用效果

基于QR碼的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)已成功應用于江蘇省明天農(nóng)牧科技有限公司、無錫水蜜桃科技園、江蘇江山農(nóng)業(yè)科技有限公司、東臺市益群植保專業(yè)服務合作社、泗洪縣華翔蔬菜專業(yè)合作社等多家企業(yè)。系統(tǒng)通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、二維碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了“從農(nóng)田到餐桌”的產(chǎn)品追溯標識以及生產(chǎn)過程的電子化監(jiān)管，能夠唯一確定農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后的安全信息，實現(xiàn)從種植到生產(chǎn)到流通全方位的安全信息的追溯。根據(jù)用戶的反饋信息，使用追溯系統(tǒng)后，可增加消費者對其產(chǎn)品的信任度，提高品牌效應，增加了產(chǎn)品的附加值。此外，為了更好的滿足不同用戶的需求，我們把溯源系統(tǒng)設(shè)計成合作社版、企業(yè)版和集團用戶版，同時增加了消費者評價的功能，以加強對產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)督。

3 討論

本研究在消化吸收國內(nèi)同類技術(shù)基礎(chǔ)上，分析區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的特點，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)鏈，構(gòu)建了基于QR碼的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。在實際推廣應用中，用戶反映良好，一方面保障了消費者對產(chǎn)品的知情權(quán)，另一方面，增加了農(nóng)產(chǎn)品的信任度和附加值。與其他溯源系統(tǒng)［12-17］相比，我們開發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)更注重于應用企業(yè)的需求，減少溯源過程的重復勞動，注重溯源結(jié)果的展示度，提高與消費者的交互性(微博式評價)。當前，國家支持有一定特色的溯源系統(tǒng)，但在推廣應用中也遇到了一定的阻力，主要是企業(yè)的投入產(chǎn)出比和消費者的信任問題。企業(yè)的投入產(chǎn)出比，可通過提高產(chǎn)品品質(zhì)、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的方式來解決。而消費者的信任則需要全社會的努力，尤其是加強法制建設(shè)，加大對不誠信企業(yè)的懲罰力度，公開生產(chǎn)過程，讓食品企業(yè)在陽光下經(jīng)營。

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