基于物聯(lián)網(wǎng)的肉產(chǎn)品質(zhì)量安全信息的追溯

林宇洪，林敏敏，林承操，張志彬

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州 350002)

近年來，國內(nèi)外肉產(chǎn)品質(zhì)量安全事故頻發(fā)，引起了社會(huì)對(duì)肉產(chǎn)品安全問題的關(guān)注，部分消費(fèi)者甚至形成了焦慮情緒。因此，如何保證肉產(chǎn)品的安全性，實(shí)施有效的肉產(chǎn)品加工信息追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)違法者的追責(zé)機(jī)制，成為了國內(nèi)外食品行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在發(fā)達(dá)國家因?yàn)闊o線通訊環(huán)境好，因此大多采用移動(dòng)通訊的方式，無線聯(lián)網(wǎng)，將生產(chǎn)日志寫入數(shù)據(jù)庫［1］。部分發(fā)達(dá)國家還采用DNA技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)肉產(chǎn)品追蹤及來源檢測，能有效地打擊各種造假行為［2］。而中國受國情限制，養(yǎng)殖牲畜的牧場、飼養(yǎng)場大多無條件聯(lián)接數(shù)據(jù)庫，因此無法照搬發(fā)達(dá)國家的技術(shù)路線。在中國流通市場，也無力承擔(dān)引入DNA溯源的成本開支。通過調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的RFID與條碼技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種符合低成本的肉產(chǎn)品加工信息追蹤系統(tǒng)［3］。

1 系統(tǒng)概述

肉類追溯安全體系要求發(fā)現(xiàn)安全問題后，首先能夠逆向追溯，找到問題環(huán)節(jié)，再從問題環(huán)節(jié)正向追蹤同批次肉產(chǎn)品的流向，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)快速追查機(jī)制，減少食品安全問題造成的社會(huì)危害［4］?；谠撃康模鞠到y(tǒng)對(duì)肉類供應(yīng)鏈實(shí)現(xiàn)分兩段管理模式，在牲畜飼養(yǎng)至牲畜銷售過程時(shí)采用RFID耳標(biāo)管理;屠宰分割時(shí)完成RFID識(shí)別向條碼識(shí)別的轉(zhuǎn)變;從批發(fā)市場至零售市場使用條碼管理。先實(shí)現(xiàn)正向追蹤，記錄每一個(gè)加工環(huán)節(jié)的生產(chǎn)日志，為日后追溯提供信息源。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 RFID耳標(biāo)選型

如果RFID耳標(biāo)容量過小，僅能存儲(chǔ)耳標(biāo)號(hào)，生產(chǎn)上的每道環(huán)節(jié)都必須依靠實(shí)時(shí)聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)信息［5］，我國牲畜飼養(yǎng)環(huán)境普遍惡劣，有些山區(qū)飼養(yǎng)場，ADSL寬帶聯(lián)網(wǎng)都難以實(shí)現(xiàn)。而更加邊遠(yuǎn)的牧場只能采用GPRS移動(dòng)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，運(yùn)營成本高，通訊效果不穩(wěn)定［6］。因此本課題應(yīng)當(dāng)選用具有一定存儲(chǔ)容量的RFID芯片作為耳標(biāo)，除了按《牲畜耳標(biāo)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定存儲(chǔ)15位的耳標(biāo)號(hào)外，還額外存儲(chǔ)生產(chǎn)日志［7］。工作人員在完成飼養(yǎng)過程中每道工序后，即時(shí)采用RFID手持機(jī)向耳標(biāo)寫入預(yù)置的簡單編碼。在牲畜屠宰、分割過程中，耳標(biāo)數(shù)據(jù)由屠宰流水線上的計(jì)算機(jī)一次性完整讀取，上傳于監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)庫。

通過測試和對(duì)比，最終RFID耳標(biāo)選擇“Mifare ONE IC S50”邏輯加密芯片，這是一種特性介于RFID卡和智能IC卡之間的成熟芯片，該芯片簡稱為M1，其各項(xiàng)指標(biāo)完全吻合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，零售價(jià)格低于1.0元/個(gè)。M1芯片自然損壞概率極低，具有防水、防震能力，適合于惡劣的飼養(yǎng)環(huán)境中使用。工作頻率13.56 MHz，無線讀寫距離2.5～10 cm。芯片容量為1024 Byte，劃分為16個(gè)扇區(qū)(0～15)，每個(gè)扇區(qū)劃分為4塊(0～3)，每塊16 Byte。扇區(qū)0存放廠商信息及全球唯一的序列號(hào)，該序列號(hào)無法復(fù)制及改寫。扇區(qū)1～15的塊0～2稱為數(shù)據(jù)塊，供用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可分配給不同的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)記錄日志。各扇區(qū)塊3為控制塊，可控制本扇區(qū)塊0～2的讀寫權(quán)限。本系統(tǒng)目前僅使用了10個(gè)扇區(qū)，對(duì)扇區(qū)功能分配情況見表1。

表1 扇區(qū)分配表

2.2 M1芯片讀寫權(quán)限的設(shè)計(jì)與計(jì)算

M1芯片各扇區(qū)物理結(jié)構(gòu)見圖1，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的塊3為特殊塊區(qū)，包含KEYA(密碼A)、控制碼(由控制標(biāo)志組成)與KEYB(密碼B)。每個(gè)塊的讀寫權(quán)限由三個(gè)控制標(biāo)志和密碼A、密碼B共同決定，每個(gè)塊對(duì)應(yīng)的控制標(biāo)志如下:塊0(C1M0，C2M0，C3M0);塊 1(C1M1，C2M1，C3M1);塊 2(C1M2，C2M2，C2M3);塊 3:(C1M3，C2M3，C3M3)?？刂茦?biāo)志可用CiMN表示，其中:i為控制標(biāo)志的類型，取值范圍(1～3);M指當(dāng)前扇區(qū);N為塊號(hào)，取值范圍(0～3)?？刂茦?biāo)志對(duì)塊0、塊1、塊2的控制能力見表2，控制標(biāo)志對(duì)塊3的控制能力見表3，塊3控制碼區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)位對(duì)應(yīng)著的控制標(biāo)志見表4。

圖1 M1芯片扇區(qū)物理結(jié)構(gòu)

表2 控制標(biāo)志對(duì)塊0、1、2的讀寫權(quán)限

表3 控制標(biāo)志對(duì)塊3的讀寫權(quán)限

表4 塊3對(duì)應(yīng)的控制標(biāo)志

例如，擬設(shè)置第5扇區(qū)的塊2為憑密碼A可讀，憑密碼B可讀寫，不提供其它權(quán)限。查表2可知，該扇區(qū)塊2的三個(gè)控制標(biāo)志“C1M2、C2M2、C3M2”應(yīng)為“1、0、0”。從安全考慮，還應(yīng)禁止持密碼A者窺視、篡改密碼B，或者改寫控制碼從而提升密碼A權(quán)限，查表3可知，該扇區(qū)塊3的三個(gè)控制標(biāo)志“C1M3、C2M3、C3M3”應(yīng)為“1、1、0”。如果還需要設(shè)置塊0、塊1的同樣權(quán)限，計(jì)算方法相同，把最后計(jì)算獲得的控制標(biāo)志填入表5，再通過進(jìn)制變換計(jì)算，獲得控制碼16進(jìn)制值“70FF0869”。實(shí)踐檢測表明，該控制碼滿足了本系統(tǒng)期望的權(quán)限要求。

表5控制碼計(jì)算過程

耳標(biāo)發(fā)放機(jī)構(gòu)在發(fā)放前，設(shè)置各扇區(qū)塊3控制碼為“70FF0869”，設(shè)置密碼A為“888888”向全社會(huì)公開，任何機(jī)構(gòu)都可以使用密碼A讀出耳標(biāo)全部數(shù)據(jù)。密碼B隨機(jī)定義，一個(gè)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)一密碼，內(nèi)置于各環(huán)節(jié)的寫耳標(biāo)程序中，各單位僅能用官方授權(quán)終端向特定扇區(qū)寫入特定信息。該項(xiàng)設(shè)計(jì)即保證了耳標(biāo)數(shù)據(jù)透明，又實(shí)現(xiàn)了各部門相互監(jiān)督，杜絕篡改、偽造日志的現(xiàn)象。

2.3 條碼的編碼和使用

北京市標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件《DB11/Z 523-2008奧運(yùn)會(huì)食品安全 食品追溯編碼規(guī)則》設(shè)計(jì)了較為成熟的編碼追溯機(jī)制，如圖2所示。本系統(tǒng)選用該指導(dǎo)文件作為條碼編制規(guī)范。

圖2 肉類食品追溯編碼

本系統(tǒng)無需對(duì)現(xiàn)有的屠宰流水線做大的改造，在上流水線前掃描耳標(biāo)全部扇區(qū)數(shù)據(jù)，按“編碼規(guī)則”、”“屠宰工藝”批量打印產(chǎn)品所需的全部條碼。條碼分為軀干類、內(nèi)臟類裝入兩個(gè)干凈的硬塑袋內(nèi)，鉤于牲畜軀干上。每個(gè)分割產(chǎn)品生成后，清洗，檢驗(yàn)，取出相應(yīng)條碼并粘貼，最后掃碼稱重。內(nèi)臟類的條碼袋隨著內(nèi)臟一同轉(zhuǎn)入新的流水線。耳標(biāo)數(shù)據(jù)、條碼數(shù)據(jù)、稱重?cái)?shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳入監(jiān)管部門數(shù)據(jù)庫，接受實(shí)時(shí)監(jiān)管。

條碼標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品在供應(yīng)鏈后續(xù)環(huán)節(jié)中，通常還會(huì)出現(xiàn)再分割、再加工、更換新條碼的需求［8］。例如超市對(duì)肉產(chǎn)品再分割后使用自定義的零售條碼，而牛排店則在加工后提供帶條碼的收銀小票。系統(tǒng)要求分割前掃描原條碼稱重，分割后掃描新條碼稱重，稱重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫，接受監(jiān)管。

2.4 電子監(jiān)查算法

監(jiān)管中心電子監(jiān)查程序按如下流程實(shí)時(shí)監(jiān)管屠宰過程，①檢查數(shù)據(jù)是否來自定點(diǎn)屠宰的企業(yè)，該企業(yè)在近期檢查中是否達(dá)標(biāo)，判斷屠宰企業(yè)是否具有資質(zhì);②在數(shù)據(jù)庫中檢索耳標(biāo)號(hào)是否未發(fā)放或已注銷，扇區(qū)0的“全球唯一編號(hào)”是否和數(shù)據(jù)庫記錄的一致，判斷芯片來源是否合法。③把扇區(qū)1塊0的“耳標(biāo)號(hào)”與塊2的“制卡日期時(shí)間”進(jìn)行特定的加密算法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)等于塊1的“防偽校驗(yàn)密碼”，判斷耳標(biāo)是否偽造;④檢查供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)日志是否完整，從而追查歷史環(huán)節(jié)中的工作人員是否盡責(zé);⑤條碼標(biāo)識(shí)產(chǎn)品的總重量必須小于對(duì)應(yīng)耳標(biāo)記錄的入廠體重，由此判斷是否混入未知來源的原料。

上述檢測指標(biāo)如異常，系統(tǒng)將異常數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給巡邏執(zhí)法人員［9］，調(diào)度執(zhí)法人員做突擊檢查。如屠宰車間裝有閉路監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心也可以在指標(biāo)異常時(shí)，調(diào)取該牲畜屠宰錄相，人工復(fù)核。對(duì)于指標(biāo)正常的耳標(biāo)號(hào)，則進(jìn)行銷號(hào)操作，耳標(biāo)無法再次使用。日后統(tǒng)一回收舊耳標(biāo)，封存3年以上，清空各扇區(qū)信息，根據(jù)新的“制卡日期時(shí)間”，生成新的“防偽校驗(yàn)密碼”，取消銷號(hào)狀態(tài)，耳標(biāo)可重新進(jìn)入供應(yīng)鏈循環(huán)使用。

對(duì)于條碼轉(zhuǎn)條碼的再分割、再加工環(huán)節(jié)［10］，電子監(jiān)查程序進(jìn)行如下工作流程:①檢查原條碼編號(hào)是否有備案，可判斷原料來源是否合法;②記錄企業(yè)名稱、新舊編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以備追溯檢查;③新條碼標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品總重量應(yīng)小等于對(duì)應(yīng)原條碼標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品總重量，允許5%的誤差。

2.5 追溯算法

最終顧客按“企業(yè)名稱，條碼編號(hào)”格式，發(fā)送短信給監(jiān)管中心，監(jiān)管中心程序自動(dòng)逐級(jí)逆向反查編號(hào)，自至耳標(biāo)號(hào)。再正向生成一個(gè)簡明的產(chǎn)品生產(chǎn)流程描述，以短信的形式回復(fù)顧客。無法追溯到耳標(biāo)數(shù)據(jù)，則判定為不合格產(chǎn)品，系統(tǒng)短信告知顧客保存小票、收據(jù)作為復(fù)查依據(jù)。生產(chǎn)部門在生產(chǎn)過程中，每次掃描條碼時(shí)都可以發(fā)出追溯查詢，避免未知來源的肉類產(chǎn)品流向市場［11］。

2.6 追蹤算法

發(fā)生食品安全事故后，監(jiān)管中心立即逆向反查問題編號(hào)，人工分析污染源出現(xiàn)的環(huán)節(jié)。從事故環(huán)節(jié)正向追蹤新舊編號(hào)更替日志。確定同批次產(chǎn)品的流向，鎖定最終企業(yè)名稱及可疑編號(hào)，通知企業(yè)就地封存產(chǎn)品待檢，并招回已售出產(chǎn)品，及時(shí)控制食品安全事故不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大［12］。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)在南平市一家肉類加工企業(yè)進(jìn)行測試，測試表明，耳標(biāo)分區(qū)存儲(chǔ)生產(chǎn)日志、耳標(biāo)號(hào)轉(zhuǎn)條碼號(hào)、批發(fā)條碼號(hào)轉(zhuǎn)零售條碼號(hào)的技術(shù)設(shè)計(jì)可行，短信收發(fā)部分采用GPRS MODEM技術(shù)，運(yùn)行可靠。通過對(duì)比分析，本系統(tǒng)和其它類似系統(tǒng)的最大區(qū)別在于“引入了多扇區(qū)邏輯加密芯片”，因此具有如下優(yōu)勢:RFID耳標(biāo)無法復(fù)制和偽造;養(yǎng)殖過程中無需聯(lián)網(wǎng)提交數(shù)據(jù);無需為邊遠(yuǎn)牧場架設(shè)互聯(lián)網(wǎng)線路;無需使用GPRS遠(yuǎn)程通訊技術(shù);在牲畜移動(dòng)和交易過程中無需解決跨省數(shù)據(jù)交換的問題;能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控屠宰過程。這些優(yōu)點(diǎn)即符合中國畜牧業(yè)的國情，又加強(qiáng)了對(duì)定點(diǎn)屠宰的監(jiān)管力度，簡化肉類供應(yīng)鏈的管理流程。

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