生鲜蔬菜产品质量安全溯源系统设计与实现
2016-05-16濮永仙
濮永仙
摘要：针对生鲜蔬菜种植分散，标准难以统一，溯源渠道不畅的问题，探索了一种企业与农户合作的模式，设计并开发了生鲜蔬菜产品质量安全溯源系统。系统依据生鲜蔬菜产品供应链特点，采用RFID标签与一维码、二维码相结合的混合编码模式，应用物联网、数据库等技术，开发了具有网络管理、条码打印、产品查询、智能手机管理等多功能的产品质量安全溯源系统。通过物联网技术，可自动采集环境信息，以及摄像头或手机拍摄的图像，上传至服务器，作为产品的原始信息。最终采用二维码溯源，实现蔬菜产品在种植、收购、检测、加工等环节信息追溯。这为蔬菜生产建立了统一标准，为市场增强了产品透明度，形成一个具有三方满意及消费者参与监督、评价的溯源服务平台。
关键词：生鲜蔬菜；产品质量安全；溯源系统；设计与实现
中图分类号：S126 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.03.005
1引言
生鲜蔬菜能为人体提供多种维生素，是人们每天的生活必需品。近年来，蔬菜类产品安全事故频繁发生，某些生产者、运营商法律意识与卫生意识淡薄，滥用农药、化肥等，致使产品中药物残留、重金属等有害物质超标事件时有发生。李克强总理在2015年两会政府工作报告中提出，要“最严格的立法和监管”保障食品安全。人大代表郑杰认为，中国急需研究高效统一的编码标识，应用信息技术，完善食品溯源体系，使其在生产、运输等环节有统一标识，使有问题食品可溯源。溯源系统是指对商品从生产到销售各环节信息进行记录及存储，当产品出现质量问题时能够追溯到出现问题的环节，实施有针对性惩罚，必要时对产品召回，以此提高产品质量的追溯信息系统。
欧盟在1997年就开始研究农产品溯源系统。在2002年欧盟颁布了178/2002号法令，要求自2004年起在欧洲范围内销售的食品，要求能够被追溯。2004年美国颁布了《食品安全跟踪条例》，要求任何需加工、运输等相关环节的企业都要建立食品流通全过程的记录。日本除了制定相应的法规，在零售阶段，还要求大部分超市安装产品溯源终端。英国政府建立了基于互联网的家畜跟踪系统（CTS）。国外在溯源系统研发方面有，在西红柿、草莓、马铃薯等的种植中，采用传感器、机器人采集环境信息，进行农事操作（浇水、施肥等），并开发了相应的溯源信息管理系统。
中国物品编码中心在2007年开始启动中国条码实施工程，在上海、武汉等地试行，2008年提出要全面推行农产品可追溯系统。国内的溯源系统研发起步也较晚，但目前已有不少成果。因我国机械化程度不高，蔬菜种植乃以农户分散种植为主，这致使种植标准难以统一，整体质量难以保证，溯源渠道不通畅等问题。虽然国内学者在食品安全方面进行了大量研究，但是大多局限于定性讨论，针对生鲜蔬菜溯源的较少，尤其是对生产质量控制体系方面的溯源缺乏全面探讨。
物联网是用射频识别（RFID）、红外感应、GPS、无线通讯等技术，按照一定协议把不同的设备与互联网连接，实现物与物、人与物之间的信息交换，以实现对物体智能化的识别、定位、跟踪、监控、管理的一种网络。将物联网用于农产品安全问题追溯，能起到识别、跟踪、监控等作用。本文在借鉴国内外溯源基础上，根据我国生鲜蔬菜种植特点，探讨了一种农户与企业合作的生产模式，采用EPC、RFID、二维码及一维码的混合编码标识，应用物联网、数据库等技术，构建了基于物联网的生鲜蔬菜产品质量安全溯源系统。这既为我国放养式生鲜蔬菜生产提供统一标准，使蔬菜产品在生产、收购、加工等关键环节的质量得以控制，追溯问题蔬菜有了源头，又有利于我国农业生产的标准化。
2材料与方法
2.1溯源对象
生鲜蔬菜类产品，一般是由种农户种植、采收后批量卖给销售商，再通过销售商进入市场，这就很难监控产品质量，一旦有问题的蔬菜进入市场，其源头将无法定位。因此，只有准确记录蔬菜产品在每个环节的信息，当有问题时才能准确找到问题根源。针对生鲜蔬菜这类产品特性，其关键环节是基本质量控制、收购标准、运输管理及消费者权益等几个方面。创建的生鲜蔬菜产品质量安全溯源系统，应包含产品标识、数据库和信息传递三个基本要素。本研究的溯源对象是生鲜的蔬菜约30个品种，系统使用者分为企业管理员、加盟的蔬菜种植户和消费者共三类。
2.2溯源编码设计
本文依据《EPC电子产品编码》、《EAN/UCC系统应用标识符》、《农产品追溯编码导则》及《信息分类和编码的基本原则与方法》的相关规定，采用RFID识别与一维码、二维码相结合的混合标签模式，作为生鲜蔬菜产品溯源的信息载体，对种植、收购、加工、运输、仓储及追溯环节进行编码。EPC系统是由国际物品编码协会（GSI）提出的一种生的编码规则，它与EAN/UCC编码体系相兼容，具有容量大、安全性好、可扩展性强等特点。因RFID标签不受光线、温湿度及其他恶劣自然环境的影响，因此生鲜蔬菜产品在种植、采摘等环节可用RFID进行标识。如在蔬菜种植时将地块或农户编号，利用EPC编码规则生成一个编码，并分配RFID标签，将作物的基本信息、农事操作及无线传感器收集的信息都标识到其中。收购时，工作人员只需扫描产品对应的射频卡，读取其中信息，对收购信息更新。因一维码成本低，二维码具有编码容量大、方便手机扫描等优点，在其他环节采用EAN/UCC规则与QR技术实现一维码与二维码标签进行标识。生鲜蔬菜产品在各环节的编码流程见图1。
系统依据优化生产流程，在各关键环节增加数字化的同时，将各种编码融为体。在流程中，每个编码必须具有承上启下的功能，至少承载相邻两个环节之间的信息，在数据库中，相邻环节之间的信息采用关键字连接。以下介绍各环节编码格式。
（1）种植标识编码
采用RFID标签技术对种植地块进行标识，并将每块种植地与数据库中的基本信息、农事操作、环境信息等对应。RFID标签利用二进制数据存储个体标识信息，包括三部分：96位EPC码、24位的Kill码（出于安全的考虑用于破坏RFID卡内信息）和16位的CRC（循环冗余）校验码。利用EPC编码信息规范中的GID-96编码格式24位十六进制标识，具体编码结构见图2。种植编码一产地代码（6位）+管理者代码（2位）+种植项目代码（6位）+生产批号（8位）。其中，地块划分以种植时间、种植品种、生产措施相对一致的地理区域为同一地块，产地编码由6位组成，前4位为基地编号，后2位为该基地不同的地块编号。批号用8位表示，6位标识种植日期，2位标识顺序号。其中，年的编码范围为00-99，月的范围为01-12，日的编码范围为01-31。
（2）收购标识编码
收购编码采用GTIN-14编码结构，结合应用标识符（AI）对生鲜蔬菜编码，采用GSI-128条码标准打印，将其张贴到包装上的固定位置，具体格式见图3。该编码通过产地编码或交易号与种植编码标识间建立关联，在标签上能查到准确的种植信息。其中，加工批号（AOT）由加工日期（如160123）与两位流水号组成，规定同一地块、同一类产品、同一采收日期为同一批次。
（3）物流标识编码
蔬菜物流编码利用SSCC-18编码标识，并用GSI-128条码标准打印。SSCC-18编码结构由18位十进制编码组成，具体编码格式见图4。其中，N1是扩展位，表示包装类型，由建立SSCC的厂商统一分配，取值范围为0～9。第8位至第17位为系列号，由生产商根据当天的流水号分配唯一编码；最后一位为校验位，由系统根据校验规则自动生成。
（4）仓储编码
仓储编码标识反映的是产品仓储的位置，其信息来源是仓储操作。具体编码格式采用GIN-13，仓储编码由厂商识别码和位置识别码组成，具体见图5。
（5）溯源码
溯源码是消费者对产品各环节信息进行追溯的标识码。溯源码信息包含蔬菜的种植、收购、加工企业、加工检测、加工日期、加工批次等关键信息。本系统采用QR二维条码作为生鲜蔬菜产品溯源码，厂商为每批出厂的蔬菜分配具有惟一性的二维编码。消费者购买到产品后，利用智能手机扫描包装上的二维码，通过溯源数据管理平台响应，对二维码解码、验证后，将在溯源信息数据库中检索到产品相关数据回传至消费者的手机上。
图6为以茄子为例的整体编码实例，其中，图a为种植编码，图b为运输编码，图c为存储编码，图d为收购加工编码及QR二维溯源码。
2.3溯源功能模块
为满足溯源需求，便于数据共享及后期维护，以及增强其可扩展性，在系统设计时采用统一的数据流程，并采用相应的措施控制数据的流向，使其统一和规范。在此基础上，以组件的方式开发了生鲜蔬菜产品质量安全溯源系统。系统由网络管理平台、短信管理平台、智能手机管理平台、条码打印系统、查询机软件和查询网站共6个功能模块组成，见图7。针对不同用户，提供不同级别的密钥，用户登陆后，先判定用户的类型，然后给予分配相应的功能模块。
2.4开发环境及工具
系统采用B/S体系构架，该体系构架的兼容性较强，可满足不同地域的用户同时使用。系统开发语言有：Java JDK6、Eclipse SDK3.3.2、My Eclipse6.0.1、ASP和Html。数据库选用Microsoft SQL Sever2005。服务器运行环境：Windows Sever2003、Apache-Tomcat 6.0。
2.5信息供应链
生鲜蔬菜产品供应链主要包括：种植、收购加工、运输、销售等环节，将这些环节建立信息链，为蔬菜产品质量安全溯源提供数据支撑。各环节之间通过编码标识进行链接，在保证各阶段溯源信息真实的同时，确保整个信息链的完整。生鲜蔬菜产品溯源信息链的逻辑关系见图8。
（1）种植阶段
对于签约农户而言，除了需对基地土壤、水质等进行检测外，还需解决两个基本问题：一是蔬菜产品的田间信息记录；二是蔬菜产品的环境信息记录。问题一，通过在田间安装RFID标签记录卡实现，每次进行田间操作后，操作员记录当日的具体农事操作情况，如20160104，某人，喷洒杀虫剂20ml；问题二，通过基于物联网的环境信息采集系统实现，该系统通过太阳能供电，利用ZigBee自组网特性，实时记录田间环境信息（如温度、湿度、光照、土壤湿度等），通过GSM网关发送到远程服务器，为蔬菜产品溯源提供源头信息。
（2）收购加工阶段
收购蔬菜产品时可能会存在两种情况：一是签约农户采用标准化种植的产品，此类产品具有标准的种植信息，在采购时只需审核录入即可；另一类是分散种植的非标准化产品，这类产品的种植信息可能不完整，需对产品进行检测，合格后建立交易号，并记录收购时间、地点、交易人、经手人等信息。在产品加工处理阶段需解决两个基本问题：一是蔬菜产品的保鲜；二是蔬菜产品的包装。产品在采购后，经检验合格，应立即预冷处理，在5～C温度下进行清洗、分级、装箱等处理。蔬菜产品在收购加工阶段的溯源标签在包装前预先打印好，方便操作员快速包装，并记录加工时间、经手人、加工地点、农药残检验等关键信息。
（3）运输阶段
该阶段需将运输编号与产品批次号相关联，并对产品的生产者、参与者进行记录。利用GPS自动记录运输车辆的出发地和目的地，并最大限度保障蔬菜产品运输环节的安全性。在运输途中，需配备环境信息采集设备，对蔬菜在运输环境中的信息（如温湿度、CO2浓度等）进行实时感知，并通过GPRS上传至数据库中，以备溯源。
（4）销售阶段
对所有记录在案的蔬菜产品进行认证，并贴上专门设计的生鲜蔬菜产品溯源标签，为消费者现场查询。
3结果与分析
3.1自动采集环境信息
把设施监控系统与溯源系统有机结合起来，从一定程度上解决了产品质量追溯的源头信息。利用物联网技术，通过在蔬菜种植大棚内安装各种传感器、摄像头、可控设施等，用以监测与调控棚内温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、以及各种养分等参数。如当温湿度或水分不符合作物生长需求时，向管理者报警，并自动开启棚内设施，调节温湿度、浇水等，使其生长在最佳的环境中。各种传感器、摄像头获取到的环境参数、视频、图片等信息，通过ZigBee网关，再通过3G、GPRS等网络传至远程服务器中，这些数据经整理后，存人指定的溯源数据库，为最终的蔬菜产品溯源提供重要的源头信息。通过物联网实时感知技术，除了可对种植基地环境信息采集外，还可对加工、运输及仓储的环境信息实时感知，采集到的信息被处理后进行无线传输，通过服务器的上位机程序接收，并写入溯源数据库。
