基于物聯(lián)網(wǎng)的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的構(gòu)建

王雪 馬鐵民 謝秋菊 劉金明

摘要 [目的]提高畜產(chǎn)品從生產(chǎn)到消費(fèi)流通過(guò)程中的管理和質(zhì)量追溯能力。[方法]通過(guò)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、二維碼及溯源等技術(shù)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。[結(jié)果]該系統(tǒng)為養(yǎng)殖戶和管理者提供畜產(chǎn)品在欄內(nèi)的管理及在流通中的管理和查詢，并能為消費(fèi)者提供產(chǎn)品的溯源信息。[結(jié)論]該系統(tǒng)具有靈活性和通用性，可以成為養(yǎng)殖戶、質(zhì)量監(jiān)督部門及消費(fèi)者的信息平臺(tái)，還可以促進(jìn)畜產(chǎn)品的品牌建設(shè)，提升畜產(chǎn)品的品牌效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；RFID；二維碼；追溯系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）16-05318-02

隨著信息透明度的增加，管理者和民眾均對(duì)食品的安全體系越來(lái)越重視。近年來(lái)，研究者也在食品安全領(lǐng)域開(kāi)展了各項(xiàng)研究，其中最受應(yīng)用者矚目的是食品的溯源系統(tǒng)。食品的溯源系統(tǒng)是在食品的整個(gè)供應(yīng)鏈體系中利用各種信息及電子技術(shù)將產(chǎn)品的各類信息采集并存儲(chǔ)記錄下來(lái)的質(zhì)量保障系統(tǒng)。對(duì)于畜產(chǎn)品的溯源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)供應(yīng)鏈包括牲畜養(yǎng)殖、運(yùn)輸、屠宰、肉制品批發(fā)、深加工、零售的全過(guò)程[1]。

國(guó)外對(duì)于畜產(chǎn)品溯源的研究及應(yīng)用要早于國(guó)內(nèi)。英國(guó)在1996年瘋牛病事件之后就建立了基于互聯(lián)網(wǎng)的家畜跟蹤系統(tǒng)（CTS）[2]，加拿大也從2002年起開(kāi)始施行對(duì)于火牛及牛肉制品的強(qiáng)制性標(biāo)識(shí)制度[3]。澳大利亞、日本以及歐盟等均對(duì)畜產(chǎn)品的身份系統(tǒng)和質(zhì)量追蹤等系統(tǒng)進(jìn)行了建立，并對(duì)畜產(chǎn)品均采用了強(qiáng)制性標(biāo)識(shí)制度。在國(guó)內(nèi)，追溯系統(tǒng)由于肉類加工行業(yè)的信息化程度的限制，能夠付諸實(shí)際應(yīng)用的很少，但也不乏成功的應(yīng)用案例。由北京永泰普諾瑪開(kāi)發(fā)，并在上海某食品有限公司實(shí)際運(yùn)行的“RFID屠宰加工實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理和安全信息追溯系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)從活體動(dòng)物入廠到屠宰交易的全程實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理。該系統(tǒng)在上海市2006年9月的“瘦肉精”中毒事件中，應(yīng)用肉類食品安全信息追溯技術(shù)，對(duì)事件的解決和防止危害范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大起到了決定性的作用。

但是諸如此類的畜產(chǎn)品的追溯也只是實(shí)現(xiàn)了牲畜從入廠到屠宰交易的全過(guò)程，而并沒(méi)有對(duì)牲畜的生長(zhǎng)過(guò)程及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。由此可見(jiàn)，畜產(chǎn)品的溯源系統(tǒng)僅僅利用互聯(lián)網(wǎng)是不夠的，所以將物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術(shù)引入到溯源系統(tǒng)的研究和構(gòu)建中是極其必要的。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的理解可以分為兩個(gè)主要部分，一部分的主體是互聯(lián)網(wǎng)，另一部分是由射頻識(shí)別裝置（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPRS）、Zigbee通信協(xié)議和激光掃描器等構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。在畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)可以用來(lái)監(jiān)控牲畜生長(zhǎng)環(huán)境情況，為系統(tǒng)提供牲畜在生長(zhǎng)過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得溯源真正地從源頭開(kāi)始，在保障食品安全方面具有重要的社會(huì)意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成的總體思路

該研究所構(gòu)建的系統(tǒng)是面向牲畜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈條的溯源平臺(tái)，它涉及的鏈條包括牲畜的養(yǎng)殖、運(yùn)輸、屠宰、肉制品批發(fā)、深加工以及銷售環(huán)節(jié)等。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中，主要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)牲畜養(yǎng)殖的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、跟蹤及分析，并將牲畜的飼料信息、就醫(yī)信息及生長(zhǎng)環(huán)境信息利用RFID作為牲畜個(gè)體的唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行記錄，構(gòu)成牲畜的個(gè)體檔案。在屠宰環(huán)節(jié)中，使用讀寫器將RFID數(shù)據(jù)采集出來(lái)與屠宰加工廠的相關(guān)信息一起通過(guò)特定的算法生成二維碼，并將此二維碼作為牲畜進(jìn)入市場(chǎng)的溯源標(biāo)簽。之后該牲畜對(duì)應(yīng)的肉食品每進(jìn)行一道加工程序，就將原有的二維碼信息讀取出來(lái)與新的加工信息一起生成新的溯源二維碼。在銷售環(huán)節(jié)中，銷售者或消費(fèi)者就可以通過(guò)智能手機(jī)等電子設(shè)備讀取該畜產(chǎn)品的二維碼，獲取其溯源信息。

2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建

在畜產(chǎn)品的溯源中，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的主要目的是對(duì)牲畜生長(zhǎng)環(huán)境及過(guò)程的監(jiān)控。牲畜的養(yǎng)殖一般為群體養(yǎng)殖，對(duì)于其日常行為的監(jiān)測(cè)是必要的。基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)、群體行為監(jiān)測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸以及基于嵌入式的監(jiān)測(cè)終端4個(gè)部分。

基于嵌入式的監(jiān)測(cè)終端是由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成。上位機(jī)主要包括一個(gè)基于Xscale-WinCE嵌入式平臺(tái)的硬件環(huán)境和用戶界面的應(yīng)用程序；下位機(jī)主要是牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)的監(jiān)控信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集是通過(guò)超低功耗的TI—MSP430芯片與大量傳感器所構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)所安裝的傳感器為無(wú)線傳感器，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的智能監(jiān)控。傳感器接收到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)將連接到下位機(jī)的信號(hào)調(diào)度部分，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換并由MSP430單片機(jī)芯片打包后經(jīng)過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，具體實(shí)施方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)施方案 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度及牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)各種可能的有毒氣體等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。在牲畜養(yǎng)殖舍的適當(dāng)位置設(shè)置相應(yīng)的無(wú)線傳感器，每個(gè)傳感器作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳送采集來(lái)的數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。下面對(duì)幾個(gè)常用傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 空氣的溫濕度和光照強(qiáng)度是影響牲畜生長(zhǎng)的兩個(gè)最基本的環(huán)境條件?？諝鉁貪穸群凸庹諒?qiáng)度將會(huì)通過(guò)影響牲畜的日常行為而直接影響牲畜的生長(zhǎng)、進(jìn)食、在群體中互為影響的程度等各項(xiàng)生理性或心理性的活動(dòng)。所以針對(duì)空氣溫濕度的監(jiān)測(cè)對(duì)控制作物生理性活動(dòng)有著重要而直接的影響?？諝鉁貪穸葌鞲衅鞯倪x擇既可以選擇溫濕度分別采集的傳感器作為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以選擇溫濕度一體采集的傳感器作為一個(gè)無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)。一般情況下牲畜養(yǎng)殖舍溫度上限不高于25 ℃，所以選擇溫度在-40～120 ℃測(cè)量區(qū)間、濕度的穩(wěn)定性小于1%RH/a的溫濕度傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)電路連接圖如圖2所示。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)既可以測(cè)量空氣溫度，也可以測(cè)量空氣濕度。牲畜養(yǎng)殖舍得監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)將無(wú)線空氣溫濕度傳感器與定時(shí)器構(gòu)成空氣溫濕度測(cè)量電路。牲畜養(yǎng)殖舍采用的是ZD.AC型光照傳感器，對(duì)弱光也有較高靈敏度，并且能夠丈量以lx為單元的照明光，無(wú)線傳輸時(shí)具備傳輸間隔長(zhǎng)的特性，對(duì)抗外界干擾的能力也很強(qiáng)。

牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)由于各種原因常會(huì)出現(xiàn)一些有毒的氣體，例如，在豬舍內(nèi)，由于糞尿、墊草、飼料等含氮有機(jī)物分解出的氨氣，或是由于豬進(jìn)食過(guò)量的蛋白質(zhì)造成消化機(jī)能不良時(shí)就會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生并通過(guò)腸道排出的硫化氫氣體，還有一氧化碳、二氧化碳等不利于動(dòng)物生長(zhǎng)的氣體等。這些有毒氣體容易引起牲畜呼吸道感染和眼炎等疾病，還可以影響牲畜的神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致抵抗力下降、發(fā)病率和死亡率升高、生產(chǎn)性能下降等不良結(jié)果。二氧化碳雖然無(wú)毒，但牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)含量過(guò)高，也會(huì)使牲畜出現(xiàn)慢性缺氧、精神萎靡、食欲下降、增重緩慢等不良影響。所以對(duì)于牲畜養(yǎng)殖舍內(nèi)的各種氣體的監(jiān)測(cè)非常重要。針對(duì)各種氣體的監(jiān)測(cè)傳感器均采用無(wú)線傳感器。這些無(wú)線傳感器是基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器，用于監(jiān)測(cè)空氣中的氨氣、二氧化碳等濃度，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送到設(shè)備終端的數(shù)據(jù)管理模塊中。

群體行為的監(jiān)測(cè)包括牲畜的體重監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)的行為監(jiān)測(cè)。體重監(jiān)測(cè)是通過(guò)稱重傳感器實(shí)現(xiàn)的[4]。而實(shí)時(shí)的行為監(jiān)測(cè)是通過(guò)USB攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)的，監(jiān)測(cè)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)與基于嵌入式的終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)的傳輸采用已經(jīng)非常成熟，并形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。ZigBee屬于一種開(kāi)放式的、短距離的無(wú)線通信協(xié)議?；谖锫?lián)網(wǎng)的牲畜生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)將采用智能化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于 ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空氣溫度、空氣濕度等影響溫室作物生長(zhǎng)因素的監(jiān)測(cè)。

在設(shè)計(jì)中每種節(jié)點(diǎn)都需要設(shè)置多個(gè)同類型傳感器，具體數(shù)量依據(jù)溫室的面積而定。通過(guò)傳感器控制處理器來(lái)接收從ZigBee無(wú)線通信模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求標(biāo)志時(shí)，將各種參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)串口方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。

3 RFID標(biāo)識(shí)的應(yīng)用

牲畜個(gè)體的身份識(shí)別主要是通過(guò)基于RFID的電子標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且標(biāo)識(shí)信息是唯一的。該信息的編碼方式應(yīng)符合農(nóng)業(yè)部頒布的《畜禽標(biāo)識(shí)和養(yǎng)殖檔案管理辦法》[5]的規(guī)定，牲畜的標(biāo)識(shí)編碼分為3個(gè)部分：①牲畜的類別，用1位數(shù)字標(biāo)識(shí)；②行政區(qū)域代碼，用6位數(shù)字標(biāo)識(shí)；③同種類牲畜的順序號(hào)，由8位數(shù)字組成標(biāo)識(shí)。

4 二維碼的應(yīng)用

在畜產(chǎn)品流通及消費(fèi)過(guò)程中，二維碼發(fā)揮著至關(guān)重要的追溯作用。考慮到二維碼在追溯系統(tǒng)中的安全性，將二維碼分為兩個(gè)部分，即信息部分和認(rèn)證部分。信息部分為畜產(chǎn)品從養(yǎng)殖到流通環(huán)節(jié)所有的產(chǎn)品信息，并且采用特別設(shè)計(jì)的二維碼生成及解碼裝置為其服務(wù)。認(rèn)證部分為當(dāng)畜產(chǎn)品流通到一個(gè)新的環(huán)節(jié)時(shí)，需要通過(guò)認(rèn)證部分的信息向二維碼生成及解碼裝置進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)證通過(guò)后允許將當(dāng)前的二維碼解碼，添加當(dāng)前畜產(chǎn)品的流通信息后再生成新的溯源二維碼。這樣不僅提高了二維碼使用的安全性，并且在溯源過(guò)程中盡量避免大數(shù)據(jù)查詢及存儲(chǔ)，只有在相應(yīng)的環(huán)節(jié)中通過(guò)專門的讀取和生成裝置進(jìn)行生成和讀取二維碼的操作，用戶通過(guò)產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的二維碼就可以對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)追溯。只是追溯到的

信息為畜產(chǎn)品的簡(jiǎn)單信息，如果想追溯產(chǎn)品的全面豐富的信息也可以通過(guò)此二維碼中的信息登陸溯源平臺(tái)進(jìn)行查詢。

5 應(yīng)用分析

5.1 采集環(huán)境與溯源對(duì)象信息構(gòu)建電子檔案 根據(jù)系統(tǒng)的牲畜個(gè)體的編碼規(guī)則，利用基于物聯(lián)網(wǎng)的牲畜養(yǎng)殖溯源信息采集系統(tǒng)采集牲畜的養(yǎng)殖信息，再將采集到的養(yǎng)殖信息與人工錄入的牲畜的免疫信息及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等構(gòu)建成牲畜的電子檔案。

5.2 應(yīng)用效果 充分考慮到消費(fèi)者在注意畜產(chǎn)品安全的同時(shí)，也越來(lái)越關(guān)注畜產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境，所以，該溯源系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)牲畜的養(yǎng)殖環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并將相應(yīng)的信息添加在畜產(chǎn)品的追溯信息中。在實(shí)現(xiàn)溯源查詢時(shí)，利用二維碼技術(shù)結(jié)合特定的生成規(guī)則，支持簡(jiǎn)化的產(chǎn)品信息查詢。

6 結(jié)論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中，能夠極大地豐富畜產(chǎn)品的溯源信息，促進(jìn)畜產(chǎn)品的品牌建設(shè)，提升畜產(chǎn)品的品牌效應(yīng)，推動(dòng)畜產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化養(yǎng)殖的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅遠(yuǎn)明.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的畜產(chǎn)品安全溯源平臺(tái)解決方案[C]//中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)信息技術(shù)分會(huì)2012年學(xué)術(shù)研討會(huì).上海，2012：165-171.

[2] HOBBS J E.Information asymmetry and the role of traceability systems[J].Agribusiness，2004，20：397-415.

[3] SCHWAGELE F.Traceability from a European perspective[J].Meat Science，2005，71：164-173.

[4] 劉秀菊.基于嵌入式系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（9）：2375-2388.

[5] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部第67 號(hào)令.畜禽標(biāo)識(shí)及養(yǎng)殖檔案管理辦法[EB/OL]. http：//www.agri.gov.cn/blgg/t20060628_638621.htm.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5342-5344

責(zé)任編輯 徐寧 責(zé)任校對(duì) 李巖