基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品QR碼循跡系統(tǒng)

張祥林 解丹丹 張曉峰 史舟

摘? 要：經(jīng)濟(jì)全球化背景下，農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口貿(mào)易繁榮。以往采用的RFID技術(shù)溯源追蹤無論是在價格上，還是在信息時效性和可獲取性上都存在較大的弊端。文章對物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)進(jìn)行研究，在農(nóng)產(chǎn)品加工流通銷售全過程獲取數(shù)據(jù)，并通過云端大數(shù)據(jù)計算處理后以QR碼為載體展示信息，最終形成一套快速、高效、動態(tài)更新的進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，真正實現(xiàn)物人之間的互聯(lián)，為進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品追蹤管理提供可行范本。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);感知技術(shù);QR碼;農(nóng)產(chǎn)品;溯源追蹤

中圖分類號：TN929.5;S126? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）07-0147-06

QR Code of Agricultural Products Tracking System Based on Internet

of Things Sensation Technology

ZHANG Xianglin1，XIE Dandan1，ZHANG Xiaofeng2，SHI Zhou1

（1.College of Environment and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou? 310058，China;

2.Zhejiang Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine，Hangzhou? 311215，China）

Abstract：Under the background of economic globalization，the import and export trade of agricultural products is flourishing. In the past，the RFID technology used for traceability tracking has great disadvantages in both price and information timeliness and accessibility. IoT perception technology，the circulation of agricultural products processing sales process to get the data，and through the cloud after the big data processing to QR codes as the carrier to show information，eventually form a rapid，efficient and dynamic update of imported agricultural products traceability system，interconnection between real implementation content，provide a feasible model for imports tracking management.

Keywords：internet of things;sensation technology;qr code;agricultural products;traceability tracking

0? 引? 言

我國人口眾多，農(nóng)副產(chǎn)品需求量大，食品安全問題一直是關(guān)系到國計民生的大事。據(jù)國家統(tǒng)計局最新的文件顯示，截止到2018年底，全國年人均食品消費支出達(dá)5 631.1元，占人均消費總支出的28.4%[1]。在保證吃得飽的前提下，普通消費者也越來越關(guān)注食品的質(zhì)量安全問題。經(jīng)濟(jì)全球化條件下，農(nóng)業(yè)進(jìn)出口貿(mào)易繁榮，因此對于農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確的溯源追蹤是保證食品安全的關(guān)鍵。

上世紀(jì)八十年代英國出現(xiàn)瘋牛病以來，世界各國開始重視對農(nóng)產(chǎn)品的溯源追蹤[2]。歐盟自2004年起全面禁止銷售產(chǎn)地不明確的食品[3]。美國藥品與食品管理局也對國內(nèi)外從事動物食品加工售賣所有環(huán)節(jié)的人員及部門進(jìn)行登記，以便進(jìn)行食品安全追溯[4]。我國借鑒歐盟經(jīng)驗，相繼制定出臺各項法律規(guī)章，建設(shè)農(nóng)產(chǎn)品全程監(jiān)管體系[5]。但登記核查式的傳統(tǒng)溯源監(jiān)管存在信息不對稱、操作效率低、責(zé)任可追溯性差、準(zhǔn)確度低等弊端，無法在產(chǎn)品生產(chǎn)流通的全環(huán)節(jié)給出及時準(zhǔn)確的分析結(jié)果。而網(wǎng)絡(luò)具有時效性強(qiáng)、存儲數(shù)據(jù)量大等特點，因此將信息技術(shù)融入食品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)建設(shè)尤為重要[6]。

自2003年起，我國啟動中國條碼推進(jìn)工程，對國內(nèi)部分農(nóng)副產(chǎn)統(tǒng)一編碼，以便于追溯食品質(zhì)量安全[7]。國內(nèi)部分大中型農(nóng)副生產(chǎn)企業(yè)主要采用射頻識別（RFID）技術(shù)建設(shè)食品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。

RFID技術(shù)需要昂貴的硬件，并且條形碼識別需要專用的儀器，易造成企業(yè)及監(jiān)管部門資源浪費[8]。同時由于各國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通過RFID技術(shù)對于進(jìn)口農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行溯源監(jiān)察十分困難。

伴隨智能手機(jī)的廣泛使用，多終端信息采集獲取流行，傳統(tǒng)的RFID技術(shù)已越來越不能滿足人們的需要，低成本、快速、精確的信息捕捉成為研究重點。

基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)建設(shè)QR（Quick Response）碼循跡追蹤系統(tǒng)方案，在農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口業(yè)務(wù)各節(jié)點進(jìn)行分析，獲取數(shù)據(jù)流通全環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)存與關(guān)聯(lián)關(guān)系。進(jìn)而多途徑地采集圖像文件信息，轉(zhuǎn)換融合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)口食用農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)流通信息采集匯交規(guī)范研究。最終完成產(chǎn)品身份甄別與QR碼編程設(shè)計，使QR碼在不同介質(zhì)上得以表征實現(xiàn)，完成進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品QR碼循跡追蹤系統(tǒng)研發(fā)，以便精確快速高效地追溯進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

1? 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)與QR碼

1.1? 物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，即建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，連接獨立運行物體，實現(xiàn)多者之間交流的信息載體[9]。物聯(lián)網(wǎng)的整體體系架構(gòu)分為三層[10]：第一層為感知延伸層，它由各種傳感器構(gòu)成，主要功能為采集信息并識別物體;第二層為網(wǎng)絡(luò)連接層，它由網(wǎng)絡(luò)及管理系統(tǒng)構(gòu)成，主要功能為信息的傳達(dá)和輸送;第三層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，它由為各種終端設(shè)備提供信息的應(yīng)用服務(wù)構(gòu)成，主要功能為儲存信息、深入挖掘數(shù)據(jù)并提供各種服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)主要圍繞感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，即物聯(lián)網(wǎng)用于感知信息的技術(shù)，包括RFID技術(shù)、GPS定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、二維碼技術(shù)及多媒體信息采集技術(shù)等[11]。感知技術(shù)就如人體的皮膚和五官，通過二維碼標(biāo)簽及識讀器、RFID標(biāo)簽及各識別器，以及M2M終端等各種傳感器識別物體并獲取信息，為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2? 二維碼與QR碼

二維碼，又稱二維條碼，指將特定的幾何圖形按一定規(guī)律在二維平面上排列組成黑白相間、記錄特定數(shù)據(jù)信息的圖像[12]。二維碼在編制上利用構(gòu)成計算機(jī)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的“0”“1”比特流概念，具有信息容量大、編碼范圍廣、容錯能力強(qiáng)、解譯精度高、保密防偽好及制作成本低等優(yōu)勢[13]。根據(jù)編碼原理可分為堆疊式二維碼和矩陣式二維碼[14]。堆疊式二維碼由多行短截的一維條碼堆疊而成，如Code 16K碼及PDF417碼等。矩陣式二維碼以“點”和“空”矩陣形式組成，在相應(yīng)元素位置“空”表示二進(jìn)制“0”，如Code One碼、QR碼等。

QR碼為二維碼的一種，又稱快速反應(yīng)條形碼，由日本Denso Wave公司發(fā)明[12]。與其他二維碼相比，QR碼在讀取速度、空間占用及數(shù)據(jù)密度等方面具有獨特優(yōu)勢。QR碼三個角有三個尋常圖形，并使用CCD識讀設(shè)備解碼，可實現(xiàn)全角度高速識讀，每秒可識讀30個含有100個字符的QR碼，讀取速度更快[14]。1個QR碼可分割成16個QR碼，多個分割碼可同時識讀，單位面積數(shù)據(jù)量儲存更大，占用空間更少。同時微型QR碼每厘米空間內(nèi)可儲存35個數(shù)字或9個漢字或21個字母，數(shù)據(jù)密度更大[14]。因此QR碼廣泛應(yīng)用于商務(wù)、金融、公共安全及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。

1.3? 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)與QR碼

物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層的核心技術(shù)，在采集實體信息、建設(shè)完整數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是整個物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛”。QR碼則可以將復(fù)雜多源的信息數(shù)字化，成為信息的儲存載體。兩者核心技術(shù)的深度結(jié)合是物聯(lián)網(wǎng)體系發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文中QR碼主要儲存農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)流通各節(jié)點信息，將手機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品作為感知設(shè)備，針對牛肉及牛奶、水產(chǎn)品、糧油產(chǎn)品等浙江省進(jìn)口的大宗高附加值食用農(nóng)產(chǎn)品開展精準(zhǔn)識別和產(chǎn)地識別技術(shù)體系研究，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量安全溯源技術(shù)并開展示范應(yīng)用，實現(xiàn)移動終端和二維標(biāo)識的精準(zhǔn)追溯，有效保障進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

2? 基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品QR碼循跡追蹤系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，因此需要架構(gòu)一個統(tǒng)一的平臺體系，規(guī)范信息采集處理輸出模式。溯源系統(tǒng)采用B/S系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計三個層級，分別為數(shù)據(jù)層、處理層及應(yīng)用層，如圖1所示。數(shù)據(jù)層包括農(nóng)產(chǎn)品、文檔、空間區(qū)位、地理環(huán)境、同位素、輿情經(jīng)濟(jì)及用戶反饋七個專題數(shù)據(jù)庫。處理層是平臺的核心層，起著歸檔原始數(shù)據(jù)、邏輯化運算并可視化輸出的作用，主要包括QR碼子系統(tǒng)、生產(chǎn)流通節(jié)點子系統(tǒng)、云計算子系統(tǒng)及溯源追蹤子系統(tǒng)。應(yīng)用層則通過手機(jī)、電腦等電子設(shè)備向執(zhí)法部門、監(jiān)察部門、消費者及生產(chǎn)企業(yè)提供溯源查詢服務(wù)。

2.1? 數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)來源

進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源追蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)層主要包括七大專題數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)信息涵蓋進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工銷售的各個環(huán)節(jié)，包含自然社會經(jīng)濟(jì)各個方面，如表1所示。系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中農(nóng)產(chǎn)品專題數(shù)據(jù)、文檔專題數(shù)據(jù)、同位素專題數(shù)據(jù)、用戶反饋數(shù)據(jù)由浙江省檢驗檢疫科學(xué)技術(shù)研究院檢測整理后提供，空間區(qū)位專題數(shù)據(jù)、地理環(huán)境專題數(shù)據(jù)、輿情經(jīng)濟(jì)專題數(shù)據(jù)在原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)信息補(bǔ)充完善。

2.2? QR碼子系統(tǒng)設(shè)計

QR碼子系統(tǒng)主要作用是將處理過的數(shù)據(jù)信息編寫成碼，具體又可分為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)編碼、加密組碼和生成編碼四個部分，如圖2所示。

具體而言，首先將分析處理過的數(shù)據(jù)輸入編碼系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)屬性格式等確定所使用QR碼的版本、容錯級別和編碼模式。進(jìn)而根據(jù)所選編碼模式，將字符串轉(zhuǎn)化為比特流，插入模式標(biāo)識碼和終止標(biāo)識碼，并計算比特流的容錯碼。最后加入加密信息，并對數(shù)據(jù)有序切割，填充圖像形成可供使用的QR碼。溯源系統(tǒng)以數(shù)字和字母構(gòu)建進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品109位溯源編碼，其中產(chǎn)地編碼長度為27位，記錄農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地信息;種類編碼長度為11位，記錄海關(guān)編碼和產(chǎn)品信息;流通編碼長度為71位，記錄農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工流通銷售各環(huán)節(jié)信息。

2.3? 生產(chǎn)流通節(jié)點子系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)流通節(jié)點子系統(tǒng)貫穿農(nóng)產(chǎn)品加工銷售的全環(huán)節(jié)，具體包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)節(jié)點、包裝加工節(jié)點、物流運輸節(jié)點及銷售流通節(jié)點四個方面的內(nèi)容，如圖3所示。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)節(jié)點和包裝加工節(jié)點分析主要針對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)。通過對農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)、空間區(qū)位數(shù)據(jù)及地理環(huán)境數(shù)據(jù)等農(nóng)產(chǎn)品本身及產(chǎn)銷地區(qū)數(shù)據(jù)收集運算，產(chǎn)生初代QR碼，詳細(xì)記錄生產(chǎn)企業(yè)的名稱、聯(lián)系方式及地理位置等信息。同時，在此節(jié)點采集的環(huán)境信息及包裝加工信息，進(jìn)一步完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，為下一步計算農(nóng)產(chǎn)品安全等級、檢測產(chǎn)品質(zhì)量狀況等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

物流運輸節(jié)點分析主要針對物流運輸企業(yè)。系統(tǒng)詳細(xì)記錄運輸方式、時間、起止地點及海關(guān)檢疫部門到岸檢疫報告等信息，準(zhǔn)確獲取農(nóng)產(chǎn)品時空運輸狀態(tài)，保證在運輸全過程中掌握農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量狀況。

銷售流通節(jié)點分析針對于消費者，同時也服務(wù)于農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的執(zhí)法監(jiān)管部門。通過智能手機(jī)，平板電腦等終端進(jìn)行QR掃碼、NFC讀取，可快速獲得農(nóng)產(chǎn)品在前幾個環(huán)節(jié)中的具體信息，如生產(chǎn)日期、生產(chǎn)區(qū)域、質(zhì)量狀況及安全等級等。同時掃碼情況、產(chǎn)品質(zhì)量反饋情況也會錄入數(shù)據(jù)庫，反饋到監(jiān)管部門及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)商，為下一步生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

2.4? 云計算子系統(tǒng)設(shè)計

云計算子系統(tǒng)是整個進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源識別系統(tǒng)的技術(shù)核心層，如圖4所示。云計算子系統(tǒng)將收集到的數(shù)據(jù)信息集中到大數(shù)據(jù)云計算終端綜合處理，生成QR碼所包含展示的各部分信息，并對可能發(fā)生的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題及時預(yù)警。

溯源系統(tǒng)中云計算子系統(tǒng)以阿里云MaxCompute大數(shù)據(jù)計算和農(nóng)產(chǎn)品信息鏈數(shù)據(jù)庫為依托，通過穩(wěn)定同位素與產(chǎn)地耦合關(guān)系模型、礦質(zhì)元素指紋圖譜、Genebank模糊匹配查詢算法及常用統(tǒng)計分析等模型算法，計算出農(nóng)產(chǎn)品溯源結(jié)果，根據(jù)補(bǔ)充的信息不斷優(yōu)化模型，更新QR碼中的信息，最終形成穩(wěn)定的農(nóng)產(chǎn)品溯源查詢系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)秒級查詢。

2.5? 溯源追蹤子系統(tǒng)設(shè)計

溯源追蹤子系統(tǒng)是進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源識別系統(tǒng)中面向客戶層最主要的部分，主要作用是提供溯源查詢服務(wù)，并完善數(shù)據(jù)庫信息，如圖5所示。

前三個子系統(tǒng)運算生成的QR碼已基本包含了農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到售賣的相關(guān)信息，普通消費者通過掃碼了解農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，并在線反饋舉報。主管部門擁有該子系統(tǒng)的最高權(quán)限，對溯源追蹤系統(tǒng)日常報檢，及時監(jiān)控市場情況，處理消費者投訴并做好信息發(fā)布工作。同時，主管部門根據(jù)系統(tǒng)提供的預(yù)警信息，及時發(fā)現(xiàn)進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量隱患，做好與相關(guān)第三國的溝通工作，制定合理的市場拒入規(guī)則。執(zhí)法部門根據(jù)Google Map舉報頻次熱度及主管部門的指示，確定產(chǎn)生質(zhì)量問題的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)售賣區(qū)域，及時排除安全隱患。農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)反饋信息解決問題，并將最新發(fā)現(xiàn)的信息進(jìn)行補(bǔ)碼，完善數(shù)據(jù)庫建設(shè)，最終形成動態(tài)更新的溯源監(jiān)管查詢系統(tǒng)。

3? 基于物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的QR碼循跡追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1? 系統(tǒng)運行邏輯及關(guān)鍵技術(shù)

四個子系統(tǒng)既相互獨立又相互聯(lián)系，有機(jī)融合成完整的進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源識別系統(tǒng)，如圖6所示。

具體而言，生產(chǎn)流通節(jié)點子系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，云計算子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)處理整合，溯源追蹤子系統(tǒng)則為客戶層提供服務(wù)。而圖7所示的QR碼則是所有子系統(tǒng)的紐帶和信息儲存?zhèn)鬟f的載體，貫穿整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)。

QR碼和云計算是本系統(tǒng)開發(fā)最為關(guān)鍵的兩個技術(shù)。通過QR碼可以從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)到銷售全環(huán)節(jié)獲取信息并為客戶層提供農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、安全預(yù)警等服務(wù)。云計算則是將復(fù)雜繁瑣的數(shù)據(jù)歸檔整合，分析數(shù)據(jù)并做可視化處理，是將數(shù)據(jù)中信息分析獲取的核心環(huán)節(jié)。

系統(tǒng)開發(fā)過程中，由浙江省海關(guān)檢疫部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并作為主要用戶和監(jiān)管部門及時查閱更新相關(guān)信息，傳入預(yù)先建立的云計算服務(wù)器，實現(xiàn)整個系統(tǒng)動態(tài)持續(xù)可更新，最終形成完善的溯源技術(shù)平臺?，F(xiàn)階段已實現(xiàn)車?yán)遄印⑷聂~、貓糧三類進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品的示范應(yīng)用，系統(tǒng)中詳細(xì)記錄各項農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)品信息、企業(yè)信息、檢疫檢測信息、證書信息及追溯信息，如圖8～圖12。

3.2? 系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境

該系統(tǒng)運用Internet環(huán)境，架構(gòu)在阿里云平臺上，采用B/S模式進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)工具為Eclipse及PyCharm，主要技術(shù)為Java及Python編程語言。數(shù)據(jù)庫選用SQL系統(tǒng)，并通過HTML 5、CSS3、ECharts、ArcGIS API for JS、AJAX、Vue.js、ES6、Node.js、Element等進(jìn)行可視化處理。移動終端廣泛適配于Windows、Android及iOS等系統(tǒng)環(huán)境。

4? 結(jié)? 論

基于感知技術(shù)搭建QR碼循跡追蹤系統(tǒng)，意在解決傳統(tǒng)記錄溯源查詢效率低和RFID技術(shù)價格高的問題，以物聯(lián)網(wǎng)為依托設(shè)計出大數(shù)據(jù)支撐下進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品溯源識別系統(tǒng)可行模式。系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于QR碼信息采集展示與云計算處理數(shù)據(jù)。通過手機(jī)等便攜式電子設(shè)備掃碼，系統(tǒng)為各客戶層提供信息的同時，也完成自我的數(shù)據(jù)更新。與RFID技術(shù)搭建的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)相比，無論是在數(shù)據(jù)多樣性，還是在時效性、可利用性上，該系統(tǒng)都具有較大的優(yōu)勢，因此將互聯(lián)網(wǎng)引入食品監(jiān)督管理領(lǐng)域?qū)⑹俏磥淼难芯繜狳c。

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作者簡介：張祥林（1997—），男，漢族，山東日照人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化;通訊作者：史舟（1970—），男，漢族，浙江舟山人，教授，博士生導(dǎo)師，博士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)。