基于物联网技术的农产品供应链追溯体系研究

2015-12-20陈佳伟刘文君南华大学经济管理学院湖南衡阳421001

物流科技 2015年10期

陈佳伟，刘文君（南华大学经济管理学院，湖南衡阳421001）

CHEN Jia-wei, LIU Wen-jun (School of Economic and Management, University of South China, Hengyang 421001, China)

0 引言

近年来，农产品安全问题突显，僵尸肉、地沟油、假牛肉等质量安全事故频发，严重危害广大消费者的健康和合法权益。我国传统农产品生产加工、流通销售的安全监管体系面临巨大挑战，如何确保农产品农药残留可控，如何杜绝农产品假冒伪劣现象，这一系列质量安全要求加快了我国农产品供应链追溯体系建设。而近几年，物联网技术快速发展，其信息集成、泛在识别、协同感知等技术利于解决农产品质量安全问题，以实现农产品定位、追溯和监控管理，从而支持和提升农产品追溯服务的可靠性和高效性。

目前国内外学者对物联网技术在农产品追溯应用领域已逐步进行研究，部分文献着重于研究RFID 技术解决农产品追溯难题，例如W.Gan[1]、黎安[2]、姚丽霞[3]等研究RFID 技术应用于农产品或食品冷链物流追溯；卢磊[4]等提出基于RFID 和Internet 的蔬菜追溯系统；也有学者研究RFID 技术结合其它技术应用于农产品追溯，例如刘晓霞[5]将RFID 与EPC 编码、Savant 系统结合成EPC 网络，构建肉类追溯系统；王栋[6]等设计与实现基于RFID、Web 技术、条形码、非接触式IC 卡等技术的肉类及蔬菜追溯系统；董君成[7]提出将ZigBee 技术以及GPS 模块融入RFID 阅读器，构建农产品冷链物流追溯系统等。

诸多文献均以RFID 技术为研究核心，而WSN 技术未引起重视，鉴于农产品易腐蚀变质，对周围环境非常敏感，利用WSN 技术实时采集农产品环境信息的重要性不可忽视；并且，文献均侧重研究物联网技术层面，而对实现农产品溯源的过程分析有所忽略，没有对可追溯信息进行细分且未构建完整的物联网农产品供应链追溯体系。本文借鉴国内外相关研究，对农产品追溯模式进行探讨，并研究EPC 网络、WSN、GPS/GIS 和分布式数据库结合应用于农产品追溯服务，结合供应链企业间和企业内追溯分析农产品溯源过程，构建基于物联网的农产品供应链追溯体系。

1 农产品供应链追溯模式

2002 年，欧盟178 号法令定义“可追溯性”：食品、饲料、畜产品和饲料原料，在生产、加工、流通等所有阶段具备追踪其痕迹的能力[8]。农产品的可追溯性涵盖供应链各个节点企业，贯穿生产、加工、流通、销售等环节，要求对农产品从原料变成最终消费品的全过程所产生信息数据进行采集、传输、存储和分析。

如图1 所示，农产品供应链追溯模式可分为正向追溯和逆向追溯。正向追溯也称预测结果追溯[9]，即追踪农产品从供应链上游企业到下游企业流通过程中的动态信息或具体位置，如果上游企业发现问题产品已经流通至下游市场，可以及时查明该产品在供应链中具体位置，以便召回，减少各方企业损失和保障消费者利益。逆向追溯也称诊断原因追溯[9]，指农产品供应链下游企业或消费者依据问题产品的信息链，向上游供应链追踪该产品质量问题的根源和责任人。正向追溯与逆向追溯均由供应链企业间追溯和企业内追溯交替组成，企业间追溯是为了将追溯对象确定到具体企业，而企业内追溯是为了将追溯对象精确到具体的人、事、物。

2 农产品供应链中物联网技术应用及其溯源过程

农产品涉及到种植业、畜牧业和渔业，品种多、范围广，在追溯业务实施过程中各有特色，故本文以蔬菜作为具体研究对象，分析多种物联网核心技术结合应用于农产品供应链追溯服务。表1 介绍物联网核心技术。

表1 物联网核心技术

2.1 种植阶段。蔬菜在种植阶段要求对种子来源、质量参数、农药化肥使用情况、产地等信息进行详细记录，采用EPC 网络实时对此类静态基础信息采集、汇入数据库并按规则编成EPC 码，通过RFID 读写器将其写入RFID 标签；同时，鉴于蔬菜易腐败变质的特殊性，对温湿度环境、二氧化碳浓度等要求高，采用WSN 技术实时监测农产品生长时的温湿度、二氧化碳等参数变化，在种植区域内灵活布置温湿度传感器、二氧化碳浓度检测传感器，每块区域部署一个汇聚（Sink）节点，汇聚节点负责接收传感器实时动态信息并处理后通过互联网传输给远程监控中心。若种植区域规模庞大，则通过局域网将各块区域的汇聚节点连接，实施分布式管理[11]。

若下游供应链将变质蔬菜追溯到种植基地，种植人员根据变质农产品化学检验结果，检索EPC 网络收集的蔬菜静态基础信息和WSN 收集的蔬菜生长动态信息，分析、判断到底是种子有问题、农药化肥使用不当，还是生长环境没调控好等因素，最终找出问题所在；若种植基地发现已外销蔬菜农药含量超标，计划追回问题蔬菜，则立刻检索业务信息数据库，找出并联系下游采购商，协商处理问题产品。

2.2 加工阶段。加工企业采用EPC 网络将上游供应商提供蔬菜的相关基础信息（已编码）利用RFID 读写器读取存储，再将供应商名称、进货数量、批次等采购信息和加工时间、负责人、产成品规格等加工信息汇入数据库并编成EPC 码，写入RFID 标签，以便将产成品仓储时进行信息登记、核对；蔬菜加工时应采用监控摄像仪对加工车间进行实时监控，监测生产工人是否按要求操作，此类可视化动态信息通过专用网传输到监管平台，分类储存。

当下游供应链将问题产品追溯到加工企业，那么加工企业在排除后期仓储和销货运输过程无漏洞时，检索EPC 网络收集的蔬菜加工阶段的静态基础信息和摄像头拍摄的动态监控视频，分析劣质品是原材料本身就有问题还是工人加工时操作不当造成，若是原材料问题，就可在政府监管机构协调下将劣质品追溯到上游种植基地，若是加工操作失误，则可追责到车间负责人和操作员工。

2.3 仓储阶段。仓储作业时，采用EPC 网络将蔬菜加工信息利用RFID 读写器读取核对，再将入库时间、批次等信息转化成EPC 码，写入RFID 标签，以便在产品销货运输前复核信息；鉴于蔬菜加工品虽经过包装处理，但保鲜期短，对堆置方式、卫生条件有明确标准，对存储环境温湿度要求高，宜采用WSN 技术实时监测加工品仓储时温湿度环境参数变化，根据仓储量大小，在库房内灵活布置温湿度传感器，每个仓库部署一个汇聚（Sink）节点，负责接收传感器动态信息并处理后通过互联网传输给远程监控平台。若仓储规模大，可实施分布式管理。库房内也需配置监控摄像仪，监管仓管员是否按标准搬运、堆置产品，若操作不当易导致加工品受外力挤压、腐败；也可预防员工偷窃、以次充好等弊端。

若下游供应链将问题产品追溯到加工企业，加工企业调查到仓储部门，该部门可调出EPC 网络采集的蔬菜产品仓储阶段基础信息和WSN 采集的仓储动态环境信息，以及视频监控信息，分析劣质品是归因于入错库房、仓储环境未合理设置、搬运堆置方式出错，还是内部人员以次充好等，进而找出相关责任人。

2.4 运输阶段。加工企业接到订单并准备发货，先采用EPC 网络将产品出库信息、订单编号利用RFID 读写器读取核对，再将发货车辆、时间、路线等信息汇入数据库平台；针对运输环节，将WSN 与GPS/GIS、监控摄像仪结合使用，传感器节点负责采集处理在运蔬菜产品温湿度环境信息，GPS 负责对运输车辆实时定位和跟踪，此类动态信息通过GSM 网络传入GIS 可视化系统进行信息集成[12]，GIS 将运输车辆位置、运行参数、在运产品状态显示在电子地图上，以实现对运输车辆及运输产品的动态追踪；而摄像头负责监控运输车厢内部情况，预防运输途中突发情况或运输人员停车调包行为等。

若下游供应链将问题产品追溯到加工企业，加工企业查至运输部门，该部门查询EPC 网络采集的蔬菜产品发货前基础信息，WSN 采集的运输车厢温湿度环境信息、运输路线实时信息和车厢内监控视频，判断问题产品是归因于发错货、运输时温湿度条件未合理设置、突发情况导致产品受损，还是运输人员调包等，若存在上述问题，则找出责任人；反之，再调查企业内部其他环节。

2.5 销售阶段。销售企业在接收蔬菜产品时，采用EPC 网络将上游供应商提供蔬菜产品的基础信息（已编码）读取并存储，再将供应商名称、采购数量、时间等信息输入企业数据库并编入EPC 码，当产品发往销售网点时，还需将销售点名称、批次、卖出时间等信息汇入数据库，编码并写入RFID 标签，该标签与产品一一对应。消费者购买产品后可通过查询终端扫描RFID标签，查询产品在整个供应链过程中的公共基础信息，若产品有质量问题，消费者直接凭RFID 标签找销售点，销售点再反馈给销售企业，逐层向上游供应链追溯劣质品的源头。

3 基于物联网的农产品供应链追溯体系构建

基于物联网的农产品供应链追溯体系是物联网技术在农产品追溯服务领域展开应用的基础，该体系的构建有利于引导具体技术在具体追溯服务应用中的部署和实施。物联网的一般体系结构可分为感知延伸层、网络层、业务和应用层[13-15]。融入物联网技术的农产品供应链追溯体系可以在物联网三层体系架构的基础上进一步拓展，如图2 所示，该体系由感知层、网络传输层、数据处理层、应用层和用户层组成。

3.1 感知层。感知层主要实现对农产品在供应链各个环节中静态、动态信息的标识、捕获和采集。感知设备包括RFID 标签和读写器、温湿度传感器、车载GPS、多媒体终端等。RFID 标签可以贴在农产品各级包装上，采取防水、防损、抗干扰处理；RFID 读写器则可以人工手持或安装在仓库内、出入库口、物流关卡等地方，当农产品处于RFID 读写区域时，则对农产品基础信息自动采集，该感知环节完成对农产品的标识信息，即静态信息的获取。在种植基地、仓库、运输车厢内灵活布置温湿度传感器，实时采集农产品温湿度环境信息；车载GPS 实时上传农产品运输过程中的具体位置信息；视频实时监控农产品生产加工、装卸、搬运、仓储、运输等过程，此类感知环节完成对农产品动态信息的收集。

3.2 网络传输层。网络传输层应包括短距离无线传输和远距离无线网络传输。短距离无线传输融合蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术将读写器、传感器、摄像头等感知设备采集到的农产品数据信息传输给网关设备，当然，诸多文献将短距离传输技术归为感知层技术，但是，此处侧重于强调网络的传输功能，所以将其归类到网络传输层。远距离网络传输则以互联网（IPv6）和移动通信网为基础，融合卫星网、专用网、异构网，将网关设备处的农产品数据无障碍、高可靠性、高安全性地传输给远程服务器进行处理。

3.3 数据处理层。数据处理层利用分布式存储技术自动分类存储从感知层采集、通过网络传输层传来的数据信息并进行智能管理。从农产品种植到最终消费品全过程涉及到海量信息，可以将这些可追溯信息归类为静态信息和动态信息，静态信息主要指农产品基础标识信息，其中包括内部标识信息和公共基础信息；动态信息包括温湿度环境信息、实时监控信息、运输追踪信息等。分布式数据库将农产品供应链各节点企业数据库有效结合，各企业数据库分别管理各自的农产品数据信息，为政府监管部门设置高级别访问权限，而为节点企业设置普通访问权限，当下游企业将问题产品向上游供应链追溯时，数据库平台根据普通访问权限，将该产品公共基础信息数据反馈给查询企业，该企业根据反馈信息找出问题产品的直接供应商和上游供应链，并向政府监管机构发起追溯申请；直接供应商在政府监管机构监督下，检索问题产品在本企业的所有历史信息数据，包括内部基础标识信息、温湿度环境信息、实时监控信息、运输追踪信息等，若数据信息可疑，则在企业内部深度追溯，将可疑数据精确到与问题源发生的时间、地点、负责人一一对应；若所查询的数据无争议，则以相同的数据处理模式访问上游供应链数据库，直至搜索出问题信息数据，并将问题源所在数据库进行标记，进行信用及风险评级。

3.4 应用服务层。应用服务层是整个追溯体系中最核心的部分，其目的就是提供高质量的追溯服务，追溯范围可以拓展到整条供应链，也可以缩小到企业内部，保证用户层能够实时高效地追溯农产品供应链的每个环节，向前可以追踪到农产品销售分布情况，向后可以追踪到农产品种植生产过程，不管哪个环节出现漏洞，都能够快速找出根源，确认责任企业和责任人。整个应用服务层由农产品供应链企业间追溯服务和企业内追溯服务构成，企业间追溯服务主要通过农产品公共基础标识信息追溯来实现，其目的是帮助企业找出问题产品的直接供应商和上游供应链，锁定追溯对象和范围，促成追溯服务在供应链企业间传递；而企业内追溯服务则是在下游供应链将本企业确定为直接追溯对象时开展，查证本企业是否为该问题产品负责，包括内部基础标识信息追溯、温湿度环境信息追溯、视频监控信息追溯、运输跟踪信息追溯。农产品内部标识信息追溯服务帮助企业根据问题产品查询其企业内专用的基础信息，包括育种来源、农药化肥使用情况、产出加工情况、出入库、包装、销售情况等信息，有利于判断问题产品是否因种植、加工、仓储、运输、销售等环节的实际操作与标准操作不匹配而造成；温湿度环境信息追溯服务为企业查询分析问题产品在种植、仓储、运输阶段的温湿度环境信息，有利于找出农产品因环境条件出现漏洞，自身腐败变质导致产品不合格的因素；视频监控信息追溯服务帮助企业查询问题产品在装卸、搬运、进出库、生产加工等环节的实时监控信息，有助于找出产品人为损坏、调包、不达标生产等行为所造成产品劣质的根源；运输跟踪信息追溯服务帮助企业查询问题农产品全程运输情况，有助于分析运输车辆是否按时交货，运输途中有无突发情况等。

3.5 用户层。用户层涵盖农业生产组织、加工流通企业、销售企业、政府监管机构和最终消费者，形成完整的供应链体系，不同用户对追溯系统有不同的管理、访问权限。各供应链节点企业和最终消费者均可以根据问题产品向政府监管机构提出追溯申请，借助物联网技术并结合企业间追溯和企业内追溯最终找出问题源。

4 结束语

构建统一的物联网农产品供应链追溯体系，利于引导具体物联网技术在具体追溯应用过程中的部署和实施，对农产品生产、加工、流通、销售等各个供应链环节的有效信息进行标识、采集、存储和关联管理，对信息链实施动态监控和查询，一旦发现产品存在质量问题，可以快速查出该产品的流通信息并对问题产品进行控制，结合供应链企业间追溯和企业内追溯，找出产品负责企业、企业内出错环节及具体责任人，实现农产品信息全方位追溯，有效解决农产品追溯效率低、追溯精度差等难点，从而及时发现和排除农产品质量安全隐患。

当然，在科技迅猛发展的物联网背景下，该追溯体系有待进一步完善和升级。T. Sa'nchez Lo'pez[16]等指出EPC 网络仍无法较好地融合传感器数据，有关处理传感器数据的标准协议有待拓展。换言之，EPC 网络目前只能与WSN 技术结合使用，满足对不同性质数据的采集、传输。物联网未来发展趋势就是将WSN 技术植入RFID 芯片[16]，与EPC 网络合二为一，提高感知层、网络传输层对多样性数据采集、传输的效率，优化物联网环境下农产品供应链追溯体系结构。

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