無線射頻和云計算技術(shù)在原料乳收購和計價中的應用

李晰暉，任國譜*

（1.中南林業(yè)科技大學 食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.湖南亞華乳業(yè)有限公司技術(shù)中心，湖南 長沙 410200）

近年來，乳制品特別是嬰幼兒奶粉安全事故頻發(fā)，其中主要的原因是由于原料乳的品質(zhì)得不到保證。我國目前奶牛的飼養(yǎng)方式主要是散養(yǎng)，奶牛養(yǎng)殖和管理水平不高，原料乳的質(zhì)量水平較低。如何提高原料乳的質(zhì)量安全，已經(jīng)成為我國乳制品行業(yè)發(fā)展過程中迫切需要解決的問題[1,2]。目前，各種先進的信息技術(shù)正在研究和利用，近年來出現(xiàn)的無線射頻溯源技術(shù)和云計算技術(shù)成為當前解決該問題的最佳選擇。無線射頻技術(shù)是一種非接觸的自動射頻識別和數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)[3]，它通過無線射頻信號自動識別目標對象并且獲得電子標簽的數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預，可以在各種惡劣的環(huán)境下工作[4]。RFID技術(shù)可以同時識別多個電子標簽并且可以識別高速運動的物體，操作簡便快捷[5]。在澳大利亞，政府建立畜牧標示和追溯系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的電子標簽對牛和羊?qū)嵤┕芾韀6]。美國的 PurduePharma制藥公司將無線射頻電子標簽貼在藥品的包裝瓶上，對藥物的流向進行追蹤及監(jiān)控。北美最大的食品服務營銷和分配組織SYSCO公司，已經(jīng)完成低溫儲運系統(tǒng)的 RFID電子標簽和傳感系統(tǒng)集成測試 ，測試結(jié)果表明 RFID技術(shù)在食品運輸過程中對食品溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控能力很強 ，可有效的保證食品品質(zhì)和質(zhì)量安全[7]。在國內(nèi)，基于RFID技術(shù)的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”于2005年在上海投入使用 ，該系統(tǒng)將RFID電子標簽打在豬的耳朵上 ，通過讀寫器實時獲得生豬的飼料 、病歷、喂藥 、檢疫等信息[8]。而對于原料乳的安全性的保證，是一個持續(xù)的監(jiān)控過程，需要對從奶牛養(yǎng)殖到原料乳收購的整個過程進行監(jiān)控。利用RFID標簽實現(xiàn)原料乳來源的跟蹤追溯，利用云服務端信息平臺實現(xiàn)原料乳來源及其品質(zhì)信息的保存和共享 ，是提高乳品企業(yè)收奶的效率和收奶的品質(zhì)，保證原料乳的質(zhì)量安全的有效措施。

1 云計算技術(shù)

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式，將分布于不同地點的電腦、服務器、移動設備等各種軟硬件資源結(jié)合在一起，具有著強大的存儲和計算能力[9]。把數(shù)據(jù)存儲在云端，可以緩解乳品企業(yè)設備緊缺的狀況，并且通過云計算服務提供商的保護措施，保護數(shù)據(jù)的安全。而且建立一個云端的信息管理系統(tǒng)，還可以分享數(shù)據(jù)資源，提高數(shù)據(jù)的利用率。采用云計算模式可以利用云平臺強大的計算資源、存儲能力、互聯(lián)和無限拓展的能力，將原料乳信息檔案系統(tǒng)建立在云端，按照乳品企業(yè)的需要及其實際情況來制定合適的軟件服務，可以大大降低現(xiàn)階段乳品企業(yè)在軟件、平臺搭建的費用，同時可以解決不同乳品企業(yè)信息化建設參差不齊的現(xiàn)狀[10]。

基于云計算技術(shù)的原料乳質(zhì)量控制系統(tǒng)是在RFID技術(shù)、云計算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎上，實現(xiàn)原料乳品質(zhì)的監(jiān)控和原料乳的溯源管理。原料乳質(zhì)量控制體系是由RFID系統(tǒng)、中繼服務器、監(jiān)控系統(tǒng)和云服務器端的數(shù)據(jù)庫組成[11]。原料乳質(zhì)量控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 原料乳質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 The composition of raw milk information management system

RFID系統(tǒng)：RFID系統(tǒng)即信息采集體統(tǒng)，由電子標簽、PDA讀寫器組成，主要用于奶源信息和原料乳品質(zhì)信息的讀取和寫入。

中繼服務器：主服務器負責將原料乳的來源信息及其品質(zhì)信息進行預處理，經(jīng)過格式的轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)的編輯排版，制作成原料乳信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所需的數(shù)據(jù)格式，然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳到云服務器端的數(shù)據(jù)庫中，以減少主服務器的讀寫頻率，提高主服務器的響應速度。

監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)是由檢測儀器和配套的計算機以及相應的軟件組成，主要是原料乳收購過程中對原料乳的品質(zhì)進行監(jiān)控。

云服務端：云服務器端的數(shù)據(jù)庫只要用于原料乳來源和品質(zhì)信息的保存和共享，以及原料乳品質(zhì)信息的數(shù)據(jù)分析、原料乳的定價和奶源品質(zhì)查詢等。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原料乳品質(zhì)信息系統(tǒng)由信息采集 、監(jiān)控中心 、信息服務三部分組成 ，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

圖2 原料乳品質(zhì)信息管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The organizational chart of raw milk information management system

信息采集：由電子標簽、讀寫器以及天線等構(gòu)成，主要完成原料乳來源信息、原料乳品質(zhì)信息和奶牛場信譽等級等信息的識別和查看。

監(jiān)控中心：由PDA讀寫器、乳品企業(yè)收奶站中的電腦及其相應的軟件構(gòu)成，對原料乳的收購過程進行監(jiān)控。

信息服務：提供原料乳來源、原料乳品質(zhì)信息和原料乳計價信息的存儲和查詢

工作過程：

當貯奶罐送入收奶站時，閱讀器讀取到貯奶罐上的電子標簽中的EPC編碼，基于讀到的無線射頻電子標簽的唯一編碼，PDA讀寫器通過無線網(wǎng)絡從原料乳信息管理系統(tǒng)中下載該奶牛飼養(yǎng)場的數(shù)據(jù)到讀寫器，包括奶牛飼養(yǎng)場的基本信息、原料乳品質(zhì)信息和奶牛養(yǎng)殖場信譽信息等。收奶前，根據(jù)該奶牛養(yǎng)殖廠所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)信息和信譽等級，確定是否收購及原料乳抽檢的指標和頻率。

原料乳的抽檢指標主要包括原料乳理化指標和衛(wèi)生指標[12,13]。理化指標通過乳成分自動檢測儀進行檢測，檢測結(jié)果通過配套的計算機和互聯(lián)網(wǎng)上傳到中繼服務器，中繼服務器再把奶牛養(yǎng)殖場及其所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)信息打包后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至云服務器端。而衛(wèi)生指標和有害成分的檢測由于不能立即檢測出結(jié)果，則由收奶員抽樣，打印與貯奶罐上電子標簽相同編碼的條形碼貼于樣品上，送往中心實驗室進行檢測，檢測結(jié)果由中心實驗室的工作人員根據(jù)條形碼在電腦上將實驗的結(jié)果輸入電腦，并通過因特網(wǎng)上傳到中繼服務器，中繼服務器將信息封裝后通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器端。云服務器端根據(jù)原料乳的理化指標和衛(wèi)生指標以及具體的計價參數(shù)對原料乳定價[14]。RFID和云計算技術(shù)在原料乳收購和計價中的運用流程圖如圖三所示。

圖3 RFID和云計算技術(shù)在原料乳收購和計價中的運用流程圖Fig.3 The flowchart of the application of RFID and cloud computing technology in acquisition and pricing of raw milk

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.2.1 信息采集 原料乳品信息采集系統(tǒng)采用超高頻的無線射頻技術(shù) ，該技術(shù)優(yōu)點在于RFID電子標簽是一種非接觸式的自動識別的電子標簽 ，RFID讀寫器通過射頻信號自動識別目標對象并獲取數(shù)據(jù)，識別的工作無需人工干預且可以在各種惡劣環(huán)境中工作[15]。超高頻的RFID技術(shù)具有較遠的讀寫距離，操作快捷方便。乳品企業(yè)給注冊的奶戶的貯奶罐配置RFID電子標簽，每個貯奶罐都有唯一的EPC編碼，電子標簽卡中記錄著奶牛養(yǎng)殖場的基本信息，并預留一部分的空間，供乳品企業(yè)設置其存儲不同的內(nèi)容，以滿足不同乳品企業(yè)的需求。在云服務器端的數(shù)據(jù)庫中都存放著該貯奶罐的相關信息，包括養(yǎng)牛養(yǎng)殖場地點、法人代表、原料乳的品質(zhì)信息、歷史送奶量和信譽等級等。當貯奶罐上的電子標簽進入讀寫器的讀寫范圍，讀寫器讀出貯奶罐的EPC 編碼，通過無線網(wǎng)絡將貯奶罐的EPC編碼和云服務器端的數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，實現(xiàn)EPC編碼到奶牛養(yǎng)殖場詳細信息之間的映射，找到對應的文件，并將其顯示出來，根據(jù)讀取的貯奶罐的EPC編碼完成奶源信息的確認。

2.2.2 監(jiān)控中心 原料乳的收購過程中，通過原料乳品質(zhì)信息管理系統(tǒng)對奶牛場過去所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)進行綜合評分和劃分等級，根據(jù)結(jié)果讀寫器上顯示不同顏色的指示燈，收奶員根據(jù)不同的指示燈進行操作，如紅色表示該奶牛場所產(chǎn)的原料乳質(zhì)量不合格，則拒收；黃色表示該奶牛場所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量指標合格但是具有改善的空間，則維持抽檢的項目和頻率；綠色表示該奶牛場所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量良好，可以適當?shù)臏p少樣品的抽檢項目和頻率[16]，同時系統(tǒng)會根據(jù)本次抽檢樣品的質(zhì)量檢測結(jié)果上調(diào)或者降低改奶牛場的綜合評分和信譽等級。收奶過程中，計量器對原料乳進行計量，通過配套的電腦將收奶量通過中繼服務器和奶牛養(yǎng)殖場信息打包后上傳到云服務器端的數(shù)據(jù)庫中保存和共享。

2.2.3 信息服務 信息服務主要由云服務器端的數(shù)據(jù)庫、各個客戶端及其軟件構(gòu)成。通過信息服務平臺可以實現(xiàn)對原料乳來源及其品質(zhì)信息的保存和共享。信息服務系統(tǒng)主要包括原料乳來源及其品質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫、原料乳品質(zhì)分析系統(tǒng)和用戶查詢平臺的構(gòu)建與共享。

在云服務器數(shù)據(jù)庫中，為每個奶牛場和貯奶罐建立檔案，記錄奶牛場的EPC編碼、地址、法人、送奶量、所送牛奶的品質(zhì)和信譽等級。奶牛產(chǎn)奶量和原料乳的品質(zhì)信息通過計量器和檢測儀器檢測的計量和檢測，通過配套的電腦和網(wǎng)絡上傳到云服務端的數(shù)據(jù)庫中，而且歷史送奶數(shù)據(jù)記錄也不會被刪除，它們對收奶員判斷是否收奶和確定奶牛場原料乳樣品的抽檢項目和頻率具有重要的指導意義。當云計算信息服務平臺搭建起來后，原料乳來源及其品質(zhì)信息可在不同的地方進行查詢，實現(xiàn)了原料乳的溯源管理，當原料乳出現(xiàn)問題時，可迅速追蹤問題的原因。

基于RFID和云計算的信息服務系統(tǒng)，其云服務端設有原料乳信息數(shù)據(jù)分析單元，分析單元根據(jù)奶牛產(chǎn)奶量及其產(chǎn)奶的品質(zhì)分析判斷出奶牛的健康狀況以及飼養(yǎng)存在的問題并給出飼養(yǎng)的建議?；谠朴嬎惴掌脚_的專家診斷系統(tǒng)，以綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、經(jīng)驗知識庫為基礎，實現(xiàn)原料乳品質(zhì)的簡單評估與分析。云服務平臺對原料乳指標數(shù)據(jù)的管理不僅僅限于簡單的搜集和整理，而是利用云平臺提供的強大計算能力對大量原料乳品質(zhì)信息數(shù)據(jù)進行有效的分析，將分析計算的結(jié)果作為計價參數(shù)的選擇和計價方式的確定提供參考，同時將分析結(jié)果和計價方式提供給奶牛養(yǎng)殖人員，以促使奶牛養(yǎng)殖人員改善奶牛養(yǎng)殖技術(shù)。智能分析和系統(tǒng)采用統(tǒng)計、數(shù)學推斷等方法對所測原料乳成分的各項指標進行科學的分析，結(jié)合專家設置的奶牛養(yǎng)殖信息知識庫，推測出奶牛的健康情況，并給出推薦的解決辦法。

原料乳品質(zhì)控制信息系統(tǒng)運行在兩個云服務中，乳品企業(yè)和質(zhì)檢機構(gòu)使用的原料乳信息管理系統(tǒng)架設在私有云上，可對這些養(yǎng)殖數(shù)據(jù)有著更高的瀏覽和操作權(quán)限，云服務提供商會對私有云的數(shù)據(jù)進行加密和保護處理，防止的數(shù)據(jù)丟失或遭到更改。乳品企業(yè)對所購買的原料乳的來源、品質(zhì)和定價進行管理，確保原料乳來源的安全性和可追溯性；食品安全監(jiān)督部門對原料乳的質(zhì)量參數(shù)進行統(tǒng)計分析，為相關限量標準的制定提供參考。奶牛飼養(yǎng)人員和消費者使用的原料乳信息查詢系統(tǒng)架設在公共云上，奶牛場養(yǎng)殖人員可以登錄系統(tǒng)查看自己的收入狀況、原料乳的定價指標和專家提供的改善奶牛飼養(yǎng)技術(shù)的措施，消費者可以在系統(tǒng)上查找自己所食用的乳制品的原料乳的來源及奶源的品質(zhì)。

3 結(jié)論

本文主要實現(xiàn)了采用RFID和云計算技術(shù)對原料乳收購和計價過程進行管理，提高原料乳收購的效率和所收原料乳的品質(zhì)。在RFID和云計算技術(shù)的支持下，根據(jù)奶牛場的信譽等級和原料乳的品質(zhì)信息確定抽樣的指標和頻率，同時系統(tǒng)自動根據(jù)原料乳的理化指標和衛(wèi)生指標確定原料乳的收購價，從而提高乳品企業(yè)資源的利用效率。原料乳信息服務平臺的構(gòu)建可以方便奶農(nóng)對奶場所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量、計價參數(shù)的選擇及計價方式的進行了解，激勵奶農(nóng)提高奶牛養(yǎng)殖技術(shù)和原料乳的質(zhì)量，乳品企業(yè)可以根據(jù)所收原料乳品質(zhì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計調(diào)整收購標準和計價參數(shù)，質(zhì)量管理部門根據(jù)原料乳分成的各項指標的數(shù)據(jù)統(tǒng)計調(diào)整其限量標準。RFID和與計算技術(shù)在原料乳收購和計價中的運用，將會提高乳品企業(yè)收奶的效率和收奶的品質(zhì)，從而促進乳品行業(yè)的健康發(fā)展。

但是，文中只闡述了原料乳收購過程中對原料乳的質(zhì)量控制，而貯奶罐上電子標簽中的信息也只針對奶牛場，當原料乳出現(xiàn)質(zhì)量問題時，并不能追溯到個體奶牛，也不能根據(jù)所收購的原料乳的品質(zhì)得出個體奶牛的身體狀況和產(chǎn)奶情況。因此,要對原料乳的質(zhì)量進行全程控制和溯源管理，需要從奶牛的飼養(yǎng)和管理、擠奶、原料乳的貯存和運輸以及原料乳的收購過程進行全程監(jiān)控。在建立原料乳質(zhì)量管理系統(tǒng)的同時，利用無線射頻和云計算技術(shù)建立奶牛信息管理系統(tǒng)，對奶牛的飼養(yǎng)管理和擠奶過程進行監(jiān)控，并將原料乳質(zhì)量信息和個體奶牛管理相聯(lián)系，當原料乳出現(xiàn)問題時，就可以追溯到具體的奶牛，從而實現(xiàn)原料乳的真正溯源。

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