基于物联网的食品安全信息追溯系统*

廖祎玮,郭乃文,孟圆圆,严林涛,贺 敬

(哈尔滨师范大学)

0 引言

目前，食品安全问题频发，如果食品安全不能得到保障，那么必然会牵引出一系列的社会问题.现如今已是大数据时代，人们的日常生活节奏变快，全球居民中处于亚健康的人数也在不断上升.食品的安全与否已经成为一件世人瞩目的热点问题，而解决这些问题主要涉及到信息处理、化学检测等各方面的科学技术.物联网作为一个将物与物建立联系，并且加之以信息体现的新型科学技术，在检测食品安全、监控食品来源上拥有独特的优势[1-4].受“疯牛病”事件的影响，在食品安全追溯体系上，欧盟最早投入研究.在研究过程中，他们引入了HACCP控制体系.HACCP[5]是一套有效鉴别、控制食品安全的重要体系.加拿大联邦政府通过政府的高效监督体系，将HACCP系统应用到食品安全监管方面[6]，发现能够在食品生产、加工、流通、消费的全过程中进行监督，借此说明这是进行食品安全追溯的最佳方法.但较于发达国家，中国食品安全追溯系统还具有一定的不足，例如如何实现食品安全信息的全程追溯；如何将RFID食品追溯系统的应用范围进一步扩大[7]等.

因此基于当今食品安全追溯的特点及不足[8-10]，提出了基于物联网的食品安全追溯模型，以物理层、汇聚层、服务层为体系，运用射频识别、云计算等技术构造食品安全信息追溯系统，从食品的生产、制作加工到转运，实现对食品生产链的追溯，简化食品检测过程，让食品有“源”可寻，使食品造假无处遁形，保证食品的安全.

1 食品安全追溯系统的设计

该文提出了统一的食品安全信息追溯系统，构建食品追溯网络，通过多层次构造建设，使系统的后期建设和扩展更为方便，同时提高了系统的应用能力.该系统对于食品的生产质量、运输安全等有显著的控制效果，大大降低了食品安全隐患.其中运用的基于RFID电子标签技术的食品追溯技术，潜在的市场需求量十分庞大，且成本较为低廉，易于实现.该系统能够改善不公平的商业竞争，保护广大消费者合法权益的同时让食品生产商之间的合作更进一步.对减少食品安全问题、人为灾害和运输过程中的意外损失，有着重大的推进作用[11-14].

该文将食品追溯分为三大模块，即物理层、汇聚层、服务层三方面，实现了对食品追溯的全过程，并结合物联网技术，用科技为民生服务.该食品安全信息追溯系统模型图如图1所示.食品安全信息追溯系统采用RFID技术来实现数据的实时记录，结合了Internet、ZigBee、GPS定位和现代通信网络技术将整个生产、运输和销售过程数据信息完整的上传至系统服务器云中心，实现了对食品来源的全过程的、实时的、有依据的追溯查证.通过MariaDB数据库的搭建，利用html、JavaScript等前端技术及PHP后端技术来实现食品信息的即时追溯，大大降低了维护成本，同时也免去了实体客户端的安装.最终实现了对食品安全的生产、运输和销售的“一条龙”监管，为质检部门对食品质量的检查提供了便利，为食品生产商带来了经济效益，也为消费者提供了合法权益.

图1 食品安全信息追溯模型图

1.1 物理层

物理层是该系统的最底层，也是该系统的数据支撑，利用RFID技术可以实现食品从厂家到用户的全程追溯.在数据收集方面，以RFID为数据载体，通过对食品建立唯一的标识来对食品加工的信息进行记录的系统.食品从原材料、存储、加工、运输、销售等环节都会受到相应的影响与污染，也都会影响到食品的安全，因此对各环节的安全保障是必要的.

RFID具有防损坏、可复用、无障碍辨识、信息储存量大等优点.因此该系统物理层通过RFID技术进行数据采集，能够保障食品安全信息的唯一性以及可追溯性.通过无线网进行覆盖，使用RFID阅读器，把有关产品的数据从附着在物品上的标签传送到数据库，以此获取实时的食品相关信息，并对出现的异常数据进行异常报警，便于及时的进行处理.该系统的物理层架构及拓扑如图2，图3所示.

图2 物理层架构图

图3 物理层拓扑图

1.2 汇聚层

汇聚层是通过云计算、大数据处理等互联网技术构建的层次.具有将物理层的原始数据进行分析挖掘，汇聚整合的功能.借助echart渲染图表，以可视化的形式提供给后台管理者，达到多层次追溯目的.

对RFID上传到云平台的数据进行数据整合，将分散的“数据源”进行统一汇聚.通过数学分析出其共同特征，如渠道、分类等，以此提高食品追溯的可靠性与精确性.汇聚层提取有用信息，将挖掘的数据指标，通过GIS渲染出可视化界面，清晰有效直观地传达关键的方面与特征，从而实现对于相当稀疏而又复杂的数据的深入洞察.

此外，在云数据安全上，采用了数据加密及访问控制的安全保障措施.就数据加密而言，采用数据加密技术是目前云计算环境下实现用户信息安全存储与隔离最有效的方法，而当前最为流行的数据加密方法有同态加密和基于属性加密两种.同态加密指的是云端在不了解用户明文数据的前提下，依旧可以对用户数据进行操作.基于属性加密则是使用用户属性的集合作为公钥，实现对用户数据的加密，同样，若访问用户想要解密，必须要求此用户自身属性集合数量与该公钥的相同属性集合数量保持一致.数据库表见表1.

表1数据库表

1.3 服务层

服务层是基于RFID的食品安全信息追溯的核心层，具有架构先进、接口完整、高性能、易扩展的特性.通过对物理层和汇聚层的云数据进行数学分析，为统一的资源发布食品安全数据信息共享服务网，提供全方位的食品安全数据信息共享与服务.主要为各环节的信息追溯、食品安全监测分析等.

基于RFID的食品安全信息追溯系统通过对物理层和汇聚层的云数据进行分析，完成了追溯轨迹的渲染、查询以及实时的监控.食品安全追溯信息系统，包含厂家、消费者等各部分，对整个过程进行无缝追踪，实现了一个完整的食品安全追溯系统.让食品市场彻底实施食品的源头追踪以及在食品供应链中提供完全透明度的能力.服务层以HTML、CSS3、Jquery以及Python语言为基础，因此该系统可提供给企业、政府监管，以可视化的形式将食品追溯系统呈现给用户，从产源地、运输过程、商家、用户等环节实现透明实时的追溯监控.该系统的服务层整体框架如图4所示.

图4 服务层架构图

服务层提供多个接口，通过互联网门户、移动APP、微信服务号、便民服务终端等渠道发布信息.并开发了可视化的查询追溯信息的“查询系统”，提供友好的查询界面，无论是消费者，还是相关企业，亦或是食品监管执法部门及政府，都可以利用此平台进行食品追溯信息的查询.

2 食品安全追溯系统的实现

2.1 食品信息查询

通过物理层RFID阅读器对食品数据进行收集，数据将自动上传至云中心的数据库服务器.用户可以根据所需查询食品的部分信息或扫描食品上的标签即可直观的看到该食品的原产地、原产地水源质量、农药残余量等信息.系统的食品信息查询界面如图5所示.

2.2 食品信息追溯

在整个追溯系统中，电子标签则成为整个体系必不可少的组成部分，它可以使用在货物、集装箱乃至存储仓库等各个节点，根据电子标签信息的唯一性特点，通过阅读器便可获取相关物品的批次及种类，以便于后期的食品分类.在食品每经过转运点时，云中心将追溯信息进行更新，通过一系列的分析建模渲染出食品安全追溯轨迹图，如图6所示.

图5 食品信息查询

图6 追溯轨迹概况

服务层能够提供诸如食品具体信息查看，追溯轨迹查看，意见反馈等功能.公众可以通过二维码扫码、扫描食品标签等方式方便快捷地查找到所需查询食品的完整追溯信息，实现无缝流畅的查询体验.

系统同时可以提供食品供应商、运输物流商、食品销售商的详细信息，在保证食品安全的前提下保证食品产业链的可靠性，用户可根据选择自行查看，带来可靠的使用体验.该食品安全追溯系统的食品经销商信息查询结果如图7所示.

3 结束语

基于物联网的食品安全信息追溯系统制定了完整的追溯体系标准，遵循“生产有记录、信息可查询、流向可追踪、责任可追究、产品可召回”的原则，采用云计算、地理信息系统、RFID等技术，通过物理层(设备标签)、汇聚层(云计算平台)和服务层(应用服务)，利用APP设计实现了食品从厂家到用户的全程追溯.该文运用的基于物联网的食品安全信息追溯系统，潜在的市场需求量十分庞大，且成本较为低廉易于实现.该研究成果能够使食品安全诚信保障监管体系系统化，使食品安全标准化，提升监管效能，为用户提供可靠的食品安全保障.

图7 食品经销商信息