农产品产业链安全溯源体系设计与实现

刘芳++薛莲

摘要：农产品安全溯源系统保障了农产品的安全和监管，设计结合射频识别（RFID）自动识别技术、现代数据库管理技术、网络技术等实现农产品安全溯源。电子标签采集农产品种植信息、加工包装和检测农药残留信息、物流供应链信息、销售去向信息等关键环节的信息；阅读器读取电子标签的数据包，通过网络传送到农产品溯源管理数据库中，按电子产品代码（EPC）在数据库中存储对应信息；消费者或管理者可以通过客户端扫描溯源码，通过网关从数据库读取对应的具体信息，同时以云计算和物联网为基础搭建农产品产业链安全溯源的云平台，实现对农产品产业链基本信息的溯源和监控。

关键词：RFID射频识别；安全溯源；云平台；农产品；电子标签

中图分类号：TP391.45文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）08-0206-04

农产品是日常生活的必需品，食品安全关系到人们身体健康及生命安全，为了减少“西瓜爆炸”“毒生姜”等事件的发生，农产品溯源系统十分必要。伴随着信息化技术的提高和物联网射频识别（RFID）技术的发展，农产品安全溯源系统结合RFID自动识别技术、现代数据库管理技术、网络技术、云计算等将整个农产品生产供应链和消费者查询对接，实现农产品监控和实时查询。国际食品法典委员会（CAC）与国际标准化组织ISO（8042：1994）把可追溯性的概念定义为“通过登记的识别码，对商品或行为的历史和使用或位置予以追踪的能力”[1]，据此概念，农产品可追溯管理平台的建立和数据收集包含多个过程，通过RFID技术记录农产品种植信息、加工包装和检测农药残留信息、物流供应链信息、销售去向信息等关键环节的信息，并把这些信息通过互联网传送到农产品数据库系统中，消费者通过移动终端的服务平台，实时查询产品信息。当农产品发生质量问题时，可以溯源查询到农产品源头和流向，为农产品的安全保障提供了有效的監管。

1系统整体方案

1.1系统组成

农产品产业链的溯源系统主要包括2个部分。一部分是农产品基本信息的采集，如种植生长期信息、加工包装和检测农药残留信息、物流供应链信息、销售去向信息，通过RFID自动射频采集，并通过通用分组无线服务技术（GPRS）或互联网将信息传输到数据库中和云平台[2]；另一部分是客户端通过Web端或者Android界面登录和扫描相关条码，或者通过电脑、电话等途径查询，消费者可以扫描标签溯源农产品的整个供应信息。监管部分可以通过溯源查询问题存在的环节，对不合格食品进行溯源管理和管制。结合溯源信息流程的特点，本系统设计一种以ARM控制器为核心，集成条码技术、电子标签技术、无线网络通信技术、全球定位系统（GPS）定位技术、嵌入式数据库技术和手持终端系统开发技术，通过软硬件的一体化协同设计，在农产品的包装箱上贴上电子标签，阅读器与天线相连，集成传感器的阅读器读取的数据包通过网络传送到农产品食品溯源管理数据库中，同时将农产品在供应链中的产品信息注册到RFID公共服务体系中，基于农产品溯源数据库和农产品供应链信息，实现农产品溯源服务和终端查询服务[3]。系统的整体设计方案如图1所示。

1.2溯源系统功能

农产品产业链安全溯源系统主要实现以下5个功能[4]。（1）种植生长期基本信息。该信息采集时与农业智能环境监控系统深度集成，代表性选择农产品贴上电子标签，安装无线RFID读写设备，并通过RFID读写设备无线发送给电子标签进行保存。（2）加工包装和检测农药残留。RFID扫描设备记录加工和包装的时间及操作人；对农药残留进行检测，检测值、产品合格与否、检测等级输入系统，保存到RFID电子标签中。（3）物流供应链信息。在农产品运输时，在对应农产品上贴上系统自动生成的二维码，记录农产品信息，在物流货车指定位置粘贴RFID标签，表面有可视化信息，结合GPS定位技术，系统记录农产品的物流供应链去向信息。（4）销售去向信息。为了方便农产品的召回，对农产品供应的超市和购买者信息进行记录，同时也写入数据库系统。（5）消费者扫描。农产品溯源时，系统自动生成二维码粘贴在包装上，消费者通过手持终端设备直接扫描二维码或者输入溯源编号，各种手持终端上显示该农产品的详细产品信息。

2系统设计

2.1读写器设计

RFID阅读器又称为RFID读写器，即无线射频识别[5]，通过射频识别信号的方式自动识别相关农产品并获取相关数据，同时可识别运动物体或同时识别多个RFID标签，操作快捷方便。对同类农产品贴上RFID标签，该电子标签采用PC材料的UHF900M，标签内具有唯一的标识符UID，UHF900M电子标签内分保留区、电子产品代码（EPC）区、标签识别号（TID）区和用户区，用户区内保存农产品的种植生长期信息、加工包装和检测农药残留信息、物流供应链信息、销售去向信息等各个环节的信息。农产品溯源系统的读卡器采用UHF900M，是工作频段902～928 MHz的远距离读卡设备，UHF900M阅读器与UHF900M电子标签以耦合方式通信，实现射频信号的传递和数据交换，UHF900M阅读器连接嵌入式ARM-A8网关，上位机通过串口给UHF900M阅读器发送指令，再通过网关读取数据库的信息返回给上位机，该读写器支持单卡、多卡读书信息，并具备RS232、RS485等数据接口。RFID阅读器工作流程如图2所示。

2.2数据库开发与设计

对于数据库，结合农产品信息的特点建立数据库，对信息有较强的处理能力，同时可以方便地进行更新维护，具有符合标准的较强的安全性。数据库系统设计支持多进程、多线索，支持Client/Server和SMP处理模式，在终端查询时，开发的数据库具有良好的查询和运行性能。为了提高信息查询速度，采用分散存储策略保存数据。

UHF900M电子标签[6]内的存储用户定义区只有64b，用来存储农产品关键信息的编码，该编码按照定义的EPC编写，将不同农产品信息独立送进统一的数据库管理，扫描编码信息，通过网关从数据库读取对应的具体信息，农产品溯源系统数据库包含5类信息，每类信息有自己的结构，如农产品供应链信息结构如表1所示。

表1农产品供应链信息结构

列名1类型1说明id1自动增加的整数1主键date1整数，非空1用于保存该产品的检测日期address1文本，非空1用于保存该产品所在仓储地址name1字符，非空1用于保存该产品的检测人姓名result1文本，非空1用于保存产品是否合格或级别

2.3数据访问接口设计

农产品溯源系统访问数据库在Web服务器的环境中，由Web服务器完成对数据库的操作[7]。使用HTTP协议对程序进行调用，使用PHH语言和control.php这个URL来实现对接口的调用，调用基本规则如下：【接口地址】control.php？module=模块名&method=方法名；【调用方式】GET或者POST；【表单参数】module，必须按照参数表指定4个调用模块之一；【表单参数】method，必须用来指定调用模块中方法的名字，实现查询、添加、修改、删除等功能。

建立溯源数据库时，根据农产品各个阶段信息的分类，设定各个阶段的信息并建立对应的数据表，其中指定的调用模块是指农产品溯源系统数据库中包含的种植生长期信息、加工包装和农产品等级信息、物流供应链信息、销售去向信息4类信息对应类型表的管理模块。

3农产品产业链溯源云平台设计

3.1云服务功能结构

农产品产业链的云服务主要功能为农产品种植监管子系统、加工检测监管子系统、供应链监管子系统、销售跟踪子系统和手持终端溯源系统等。该系统整体云平台构架基于1个智慧云计算服务系统加上5个横向服务子系统。种植加工物流销售等实时信息上传到各自对应的数据库，存储到相关的职能部门信息管理系统，通过开放式应用程序接口（API）接口进行对接，结合服务的子系统，对传给云服务对应的事件任务、数据信息进行增查补删或分类智能协同管理。

3.2层次架构

农产品产业链安全溯源的云平台是以云计算和物联网为基础的，其层次架构分6层[8]。感知接入层通过GSM/3G、RFID、视频等对农产品溯源的各个环节进行信息的识别和采集；网络接入层作为传输通道，通过超文本传输协议（HTTP）、传输控制/网际协议（TCP/IP）等各种协议，对感知接入层的信息进行上传，同时该层也是应用层与用户层间的传输媒介；智能资源层是基于IaaS，分为IT硬件支撑基础设施和基础服务，基础设施对从网络层提取的农产品的种植、生产、加工、物流等基础信息进行分类分配和存储，同时为保障存储信息的安全，设置防火墙、安全网等硬件设备，基础服务则是利用知识工程的理念实现农产品产业链存在问题的模型构建和基于知识的技术服务；服务管理层基于PaaS，通过API接口调用智能资源层的数据资源，改成提供服务开发环境，内置操作系统支持多语言开发，提供计算环境，对从API接口从资源层提取的农产品产业链溯源数据资源进行整合和挖掘。核心应用层基于SaaS，通过各种软件服务构建农产品供应链的监管服务应用，通过门户网站进行信息发布、内容管理、即时通信等服务；用户层则是面向消费者，提供多种平台、多种终端来查询访问管理层和应用层[9]。该云平台的层次结构如图3所示。

4终端系统设计与开发

系统溯源智能手持终端有多种，本设计实现以ARM嵌入式处理器为核心，由核心模块控制连接单元协同工作和数据间的通信[10]。终端集成模块及对应功能如下：身份识别RFID模块读取被测农产品流通时对应的UID号及写入的信息；微型热敏打印模块实现在终端查询时打印相关交易表单或该产品的溯源条码。终端查询平台界面友好，农产品溯源系统平台开发是建立在以Java语言的灵活使用作为平台搭建的基础技能，以Mysql数据库为基础[11]开发的3层构架的B/S模式[9]。采用JDBC+SPRING框架实现系统农产品数据的各分类信息逻辑层和数据访问层，在业务层与数据层交互时按需创建数据表的更新与维护。以Myeclipse10为开发平台，Mysql为数据库，Tomcat为服务器，前端界面设计采用jQuery技术，服务端以Json格式统一处理实现数据发送，实现终端农产品安全溯源的查询平台[12]。

5农产品溯源查询结果

农产品终端溯源系统是以条码技术和电子标签技术为主的信息载体，以数据库技术和网络技术为服务平台，实现各种终端，如溯源网站、条码扫描等各种形式的查询方式。本系统溯源平台的开发采用通过查询溯源号或扫描对应的条码，或查询建立的溯源网站，显示农产品的基本信息。本设计结合农产品供应链结构的输入信息，在供应链信息处分别显示对应的日期、仓储位置、检测人字符信息和检测结构情况。查询结果如图4所示。

本设计从RFID读写器设计，数据库开发设计，云平台搭建、终端的设计实现了农产品安全溯源，溯源系统操作简单可行，溯源的结果显示了农产品相关的信息，保障了消费者的权益和食品的安全。

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