基于二维码的稻米质量安全追溯系统的设计与实现

雷 云,李怡青，李晔孜,潘磊庆,屠 康,*

(1.南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095;2.江苏伊云贝尔饮料股份有限公司，江苏连云港 222200；3.南京农业大学信息科技学院,江苏南京 210095)

基于二维码的稻米质量安全追溯系统的设计与实现

雷 云1,李怡青2，李晔孜3,潘磊庆1,屠 康1,*

(1.南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095;2.江苏伊云贝尔饮料股份有限公司，江苏连云港 222200；3.南京农业大学信息科技学院,江苏南京 210095)

为了快捷高效地对稻米质量安全进行追溯,设计开发了成本低、设备便携性高的基于二维码的稻米质量安全追溯系统。该系统包含基于C/S的产品信息二维码生成子系统和基于Android手机二维码识别子系统,分别用于企业内部的生产、流通跟踪和消费者的追溯查询。运行结果表明,本系统的二维码生成子系统可以将供应链各环节质量安全信息记录在单个二维码中;手机二维码识别子系统可以解读二维码中包含的供应链各环节稻米质量安全信息。本文为稻米质量安全追溯提供了可行的方案,并为其他农产品的质量安全追溯研究提供了参考。

稻米,二维码,质量安全,追溯

稻米是人类重要的主食和食品原材料之一,其质量安全与人民的健康息息相关。稻米通常需经过多个环节的加工才能成为商品到达消费者手中。然而,缺少廉价便捷的稻米质量追溯系统,使得消费者对所购买的稻米产品安全性难以得知。

农产品的质量安全追溯在国外已经有了较为成熟的应用,欧盟已形成较为完善的农产品/食品质量安全追溯法律体系[1],美国于2002年提出了建设“从农场到餐桌”的食品质量安全管理体系[2-3],日本于2003开始强制全面推行牛的追溯[4],Katia等建立了基于DNA分子的橄榄油追溯方法[5],Siwatt建立了基于多环芳烃的大豆产品追溯方法[6]。而中国还处于初步探索和研究应用阶段,且主要集中在畜禽及水产品领域[7-9],例如任守刚等提出了基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统[10],孙传恒等系统地提出了一种基于行政监管的适合中国国情的水产品追溯系统架构方式[11]。二维码具有信息存储量大、保密性和跟踪性高、抗损性强、易信息化管理等优点,其中Quick Response(QR)码识读速度高、中文汉字编码效率高[12-14],应用于食品溯源可实现廉价快速的食品追溯。近年来,刘鹏等研究了粮食安全追溯的模型和技术[15-16],并开发了基于RFID的粮食质量安全追溯系统[17],但基于QR二维码的稻米质量安全追溯系统尚未见报道。

本研究基于QR二维码技术,分析稻米供应链流程,设计开发基于QR二维码的稻米质量安全追溯系统,用于企业内部的生产、流通跟踪和消费者的追溯查询。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

稻米质量安全追溯系统主要包含记载稻米质量安全信息的二维码生成系统和识别系统。在稻米生产过程中,种植、储存、加工、零售各个环节均需采集质量安全信息,由于稻米产品产量大、供应链长、生产过程流通快、质量安全信息量大,因此要求二维码生成系统能够在短时间内将稻米产品质量安全信息编译为信息含量大的二维码;在稻米产品销售过程中,由于稻米产品销量大、销售范围广、消费人群多样且交易过程通常在超市或农贸市场进行,因此要求二维码识别系统成本低廉、携带方便、操作简易、识别速度快。

根据系统功能需求将系统划分为两个子系统,根据使用对象不同,分为面向企业的产品信息二维码生成子系统和面向消费者的手机二维码识别子系统,如图1所示。

图1 基于二维码的稻米质量安全追溯系统总体设计图Fig.1 Design of rice quality and safety traceability system based on two-dimension barcode recognition

1.2 二维码生成系统

基里尔告诉记者，BPC希望满足各国的市场需求，对于中国能否继续保持100美元/吨的差价，市场没有更多的利好信息。他说：“我看到很多市场大出口商尚在调整销售方向，就是因为这个差距太大了，所以大家都在关注巴西市场。我们觉得，中国与BPC之间的新价格将会对中国市场和国际市场带来一些新的推进。”目前来看，包括加拿大在内的一些大供应商的供给压力很大。基里尔希望与中国尽快达成大合同价格共识，给予中国市场一定数量的保障。

系统开发工具为Visual C++6.0(Microsoft)和SQL Server 2005(Microsoft),以C++语言开发,在普通PC机环境下可运行。实现种植基地、储存、加工、流通销售环节中QR code的编码、解码、打印的功能。利用数据库实现用户权限的管理,编辑信息生成二维码并保存、打印,对打开的二维码进行编辑、保存、打印。系统功能模块如图2所示。

图2 产品信息二维码生成子系统功能模块Fig.2 QR code generating system of products information

1.3 手机二维码识别子系统

系统开发工具为Eclipse(IBM)+Android SDK(Google),以Java语言进行开发,在Android系统下可运行。实现利用手机摄像头扫描QR code后,自动对图像进行处理并解码,显示二维码附带信息的功能。系统功能模块如图3所示。

图3 手机二维码识别子系统功能模块Fig.3 Function model of QR code identification system based on Android cell-phone

2 系统实现

2.1 二维码生成子系统的实现

2.1.1 主程序界面布局 主程序界面被分为3部分,如图4所示,左上的客户区,负责二维码的绘制和呈现;左下的信息展示区,用来解译二维码包含的产品质量信息;右侧的信息采集区,是用户输入产品质量安全信息的主要操作区域。

图4 二维码生成系统主程序界面Fig.4 Interface of the main program of QR code generating system

2.1.2 追溯内容设计 陈艳红等研究了稻米产业链并将其划分为种植、储存、加工及流通销售几个环节[18],因此本系统主要采集上述四个环节的关键质量安全信息,如图5所示。

图5 稻米供应链质量安全信息Fig.5 Quality and safety information of rice supply chain

种植阶段是稻米安全生产的基本阶段,相当多的质量安全信息在这个阶段产生。对行业标准《稻米生产良好农业规范》中指标进行筛选[19],采集种植阶段的信息有:种植基地、施肥灌溉、病虫害管理及负责人,点击生成二维码,带有该稻米生产阶段质量安全信息的二维码生成,打印粘贴于包装袋。

储存阶段是稻谷在粮库中贮藏的过程,这个周期比较长,是容易发生质量安全问题的阶段。根据张来林等对稻谷储藏品质的影响因素研究,本阶段采集的信息包括:粮库名称、温度湿度、品质分级及储藏时间[20-21]。通过专用二维码设备扫描得到从种植环节运输来的稻米产品信息,在此基础上加入储存环节质量安全信息,并生成新的二维码,打印粘贴于包装袋。

加工阶段是稻谷加工为稻米的过程,也是稻米容易发生质量安全问题的阶段,结合吴林蔚等对大米品质的研究[22-24],本阶段需要采集的信息有加工企业、蒸煮品质、色泽、气味及负责人。通过专用二维码设备扫描得到从储存环节运输来的稻米产品信息,在此基础上加入加工环节质量安全信息,并生成新的二维码,打印粘贴于包装袋。

流通销售阶段也是质量追溯需要关注的一个重要环节,主要问题是流通过程中的外界污染,这个阶段需要采集的信息有零售商及注册编号。该环节是追溯的最后阶段,通过专用二维码设备扫描得到从加工环节运输来的稻米产品信息,在此基础上加入零售环节质量安全信息,并生成新的二维码,打印粘贴于包装袋。

2.1.3 用户登录与权限管理模块 为保障产品信息的安全性,企业用户在进入主程序前需通过登录认证。首先,系统获得用户输入的用户名和密码,连接数据库进行验证,如果与表中数据匹配则获取此用户的权限并弹出主界面,否则停留在登录界面并弹出错误提示信息。

通过验证数据库中存储的用户信息与输入信息是否一致实现用户登录。登录成功后,将该用户的信息(包括该用户的名字、密码、权限等)记录在内存中,主程序将根据用户不同的权限来呈现不同的操作内容和操作限制。例如,农田的工作人员可以将稻米在基地中的生长信息存储到二维码中,但不能对销售环节的信息做任何操作;同样,销售人员可以在二维码中添加销售环节的相关信息,却不能对前面环节的信息做任何修改,这样可以防止供应链环节更改稻米安全信息的情况。

2.1.4 解码与编码模块 获得相应权限的用户可进行二维码的编码与解码操作。在稻米种植、储存、加工、零售环节,某环节上的操作人员解译上一环节传输过来的二维码,并将当前环节的相关信息和二维码中包含的产品信息混合,编译为新的二维码,传输到下一环节,这个过程分别是二维码的解码和编码过程。

编码类函数实现将文本信息转化为二维码图片的全部操作。首先对文本内容进行数据分析,选择相应的数据编码模式并分段,计算每段位流长度[25];根据版本和选定的纠错等级将数据码字序列分为多个块,分别进行纠错运算并添加到数据码字的后面,将所有的数据码字和纠错码字按照一定的排列规则排成最终的码字序列[26];布置模块,将所有功能图形放入指定位置,将最终码字序列填入剩余的编码区域中;加入掩膜将深浅色模块均匀地排布在QR code符号中,增强其可读性;然后加入格式信息和版本信息以便准确译码;最后通过主程序框架类函数完成二维码图形的绘制并呈现于二维码显示区。译码过程是编码过程的逆操作。

译码类函数实现二维码的解码操作。首先,响应菜单中“打开”事件,可打开一个二维码图片,显示在左上方的客户区中。通过图像类函数预处理图片,采用加权平均值法灰度化处理,将灰度图像转化为仅有黑白两色的二值图像,得到识别图像深浅模块的布尔阵列;采用坐标法探测三个位置探测图形的中心坐标以确定寻象图形及符号旋转角度,从而确定符号版本号;对格式信息进行译码,得到纠错等级和掩膜图形号,消除编码区域的掩膜,恢复数据码字和纠错码字;按照排列规则确定码字并根据版本和纠错等级重新按块排列码字序列,进行错误检测和纠错译码,恢复原始数据的位流并分段进行译码;最后,得到该二维码图片的文本信息,并显示在页面左下方。

2.1.5 文件管理模块 可在菜单栏中选择保存、打印客户区中的二维码。

依靠MFC提供的文件保存和打印功能实现文件管理。为了更便于稻米的流通,获取更好的识别效果,本系统采用专业的二维码打印机和二维码专用纸来打印。

2.1.6 操作方法 种植、储存、加工、零售供应链环节用户获得相应权限进入系统后,在数据输入区中输入相关质量安全信息后点击“确定”按钮后提交相应的数据内容,如果用户在提交信息前已在客户区打开一个二维码,那么提交的信息包含之前二维码的内容。选择下方的纠错等级,点击“生成二维码”按钮,二维码输出到客户区。

2.2 手机二维码识别子系统的实现

2.2.1 图像采集及预处理模块 调用摄像头的自动对焦API控制摄像头,系统启动后,摄像头将一直处于对焦模式,当成功对焦后,调用图像预处理程序,经过彩色图像灰度化、二值化、条码的定位与矫正预处理之后进行解码,提高解码的成功率。

2.2.2 解码模块 二维码的解码应用程序采用了开源的Zxing核心库[27],并对其进行了优化,只保留其中图像采集、图像处理、条码解码等功能,并加入了GBK编码汉字的处理功能[28],并基于此编写了应用于Android平台的二维码识别软件。

2.2.3 操作方法 打开软件,将手机摄像头正对二维码图片,使二维码置于二维码识别框,产品信息显示于手机屏幕上方。

3 系统运行

3.1 二维码生成子系统

采集稻米供应链各环节关键质量安全信息。在种植环节中,输入追溯内容:生产基地为江苏、灌溉用水为农家肥、基地土壤为无农药、病虫害管理负责人为雷#,生成二维码标签;储存环节,打开上一环节即种植环节的二维码,输入本环节追溯内容:粮库为南京1号、温度12℃湿度为12%、电子鼻检测等级为二级、储存时间3个月,生成二维码标签;加工环节,打开上一环节即储存环节的二维码,加入本环节追溯内容:加工企业为铁心桥、蒸煮品质为一级、色泽为一级、气味为一级、负责人为雷#,生成二维码标签;销售环节,打开上一环节即加工环节的二维码,加入本环节追溯内容:销售商为苏果、注册编号为123456。至此,整个供应链环节的产品追溯二维码形成。

3.2 手机二维码识别子系统

当消费者购买稻米产品时,通过手机二维码软件扫描得到该产品的供应链全程质量安全信息,包括种植、储存、加工及零售几个环节,扫码结果如图6所示。

图6 手机二维码追溯结果Fig.6 Traceability results of QR code based on Android cell-phone

4 结论

通过分析稻米种植、储存、加工、流通环节存在的质量安全风险,建立了稻米供应链关键指标筛选。

针对现有稻米质量安全追溯系统成本高、设备便携性差等问题,以QR码为追溯载体,构建了一个基于QR码识别的稻米质量安全追溯系统,实现了稻米从种植、储存、加工到流通销售的全程质量追溯。

开发了基于Android平台的二维码识别软件,方便了公众参与到食品安全监督体系中,实现从行政监督到社会公众自发监督的转变。

[1]Schwagele F. Traceability from a European perspective[J]. Meat Science,2005,71(1):164-173.

[2]Smith G C,Tatum J D,Belk K E,et al. Traceability from a US perspective[J]. Meat Science,2005,71(1):174-193.

[3]Murphy R G L,Pendell D L,Morris D L,et al. Review:Animal identification systems in North America[J]. The Professional Animal Scientist,2008,24(4):277-286.

[4]郑火国.食品安全可追溯系统研究[D].北京:中国农业科学院,2012.

[5]Katia R,Livio M,Vittorio C. A novel reliable method of DNA extraction from olive oil suitable for molecular traceability[J]. Food Chemistry,2015,172:596-602.

[6]Siwatt P. A preliminary study of using polycyclic aromatic hydrocarbons as chemical tracers for traceability in soybean products[J]. Food Control,2015,47:392-400.

[7]王虎虎,徐幸莲. 畜禽及产品可追溯技术研究进展及应用[J].食品工业科技,2010,31(8):413-416.

[8]刘尧,高峰,徐幸莲,等.基于RFID/EPC物联网的猪肉跟踪追溯系统开发[J].食品工业科技,2012,33(16):49-52.

[9]颜波,石平,王广文.基于RFID和EPC物联网的水产品供应链可追溯平台开发[J].农业工程学报,2013,29(15):172-183.

[10]任守纲,徐焕良,黎安,等.基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统设计与实现[J].农业工程学报,2010,26(10):229-235.

[11]孙传恒,杨信廷,李文勇,等.基于监管的分布式水产品追溯系统设计与实现[J].农业工程学报,2012,28(8):146-153.

[12]刘东,高西全. QR码图像处理及识别算法的研究[J].电子科技,2003,22:42-44.

[13]王文豪,张亚红,朱全银,等. QR code二维条形码的图像识别[J].计算机技术与发展,2009,19(10):123-126.

[14]施连敏,郭翠珍,盖之华,等.基于二维码的绿色食品溯源系统的设计与实现[J].制造业自动化,2013,35(8):144-146.

[15]刘鹏,屠康.稻米质量安全追溯过程FMECA研究[J].中国粮油学报,2010,25(11):8-12.

[16]刘鹏,屠康,侯月鹏.基于EPC体系的稻米安全追溯编码系统研究[J].中国粮油学报,2009,24(8):129-134.

[17]刘鹏,屠康,侯月鹏.基于射频识别中间件的粮食质量安全追溯系统[J].农业工程学报,2009,25(12):145-150.

[18]陈艳红,胡胜德.优质稻米产业链整合的框架设计[J].中国农机化学报,2014,35(2):67-70.

[19]NY/T 1752-2009,稻米生产良好农业规范[S].

[20]张来林,李岩,陈娟,等.不同储藏温度及储藏方法对稻谷品质的影响[J].粮食与饲料工业,2011,7:17-19.

[21]贺梅,张文忠,宋冬明,等.不同储藏温度及储藏时间对稻米品质的影响[J].沈阳农业大学学报,2007,38(4):472-477.

[22]马永强,韩春然,刘静波.食品感官检验[M].北京:化学工业出版社,2005.

[23]张启莉,谢黎虹,李仕贵,等.稻米蛋白质与蒸煮食味品质的关系研究进展[J].中国稻米,2012,18(4):1-6.

[24]吴林蔚.基于气味和理化指标评价稻米储藏品质的研究[D].南京:南京农业大学,2013.

[25]郭琳. QR code二维条码编译码及自动识别技术的研究[D].昆明:昆明理工大学,2008.

[26]刘光辉.基于QR code的食品安全追溯物流研究[D].青岛:山东科技大学,2011.

[27]Google. Zxing[EB/OL].[2014-11-10]http://code. google.com/p/zxing.

[28]袁人杰.二维QR码识别算法研究及在智能手机上的应用[D].南京:南京理工大学,2012.

Design and actualization of rice quality and safety traceability system based on two-dimension barcode recognition

LEI Yun1,LI Yi-qing2,LI Ye-zi3,PAN Lei-qing1,TU Kang1,*

(1.College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Jiangsu yiyunbeier Beverage Co.,Lianyungang 222200,China;3.College of Information Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China)

Tracing quality and safety of rice in a fast and efficient way is needed. A rice quality and safety traceability system with low cost and high portability based on two-dimension barcode recognition was developed.The system included two parts:a generating two-dimension code system of the product information based on the composite structure of C/S,and a recognizing two-dimension code system based on Android cell-phones. They were used for companies and consumers tracing production and distribution of rice products. The test results showed that the generating two-dimension barcode system could record safety and quality information of rice supply chain in a two-dimension code. The recognizing two-dimension code system could read the information in the two-dimension code. This research provided a viable scheme for rice quality and safety traceability and a reference for quality and safety traceability of other primary agricultural products.

rice;two-dimension barcode;quality and safety;traceability

2014-11-05

雷云(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏。

*通讯作者:屠康(1968-)，男，博士，教授，研究方向：农产品无损检测、贮藏与加工。

公益性行业(农业)科研专项(201303088)；粮食公益性行业科研专项(201313002-01)。

TS213.3

A

1002-0306(2015)11-0257-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.044