第三方稻米溯源平台设计与实现

姜 爽，韩贵清，司震宇，田景齐，王立舒，戚国强



第三方稻米溯源平台设计与实现

姜 爽1，韩贵清1※，司震宇2，田景齐3，王立舒4，戚国强4

（1. 东北农业大学经济管理学院，哈尔滨 150030；2. 东北农业大学现代教育技术与信息中心，哈尔滨 150030；3. 哈尔滨市积扫成多网络科技有限公司，哈尔滨 150001；4. 东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

中国现有农产品质量安全溯源平台大多以生产企业（基地）为主体自行设计和实施，造成溯源平台与生产企业同属一个利益团体，溯源结果难以得到消费者认同。为解决这一问题，该文分析现有农产品溯源机制及实现方式，以稻米为例提出一种第三方溯源平台的设计模式。第三方溯源平台在政府监管下，通过独立权威检测机构对稻米生产相关数据进行检测，并把溯源数据安全可靠地提供给消费者。该溯源平台系统采用B/S架构，数据库采用 MySQL，采用J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）等技术手段，通过与微信公众号连接，向消费者提供二维码溯源服务，针对溯源平台中二维码防伪关键技术问题进行深入研究，并实现试运行。该系统为2家企业的稻米高端农产品实现全程溯源。试运行结果表明，由第三方溯源模式带来的成本提升，在售价提升20%后，得到了消费者认可，且销量提高了20%，达到了企业的效益增长。证明本文设计的第三方溯源平台较好解决了消费者对溯源结果的认同问题，为优质农产品安全溯源提供了一种有效手段。

农产品；追溯；编码；稻米；第三方；溯源系统；二维码；J2EE；食品安全

0 引 言

国外农产品质量安全追溯系统建立于20世纪70年代，研究成果显著。Fontanesi[1]探讨运用基因鉴定的方法对食品信息进行溯源的可行性。Garcia等研究了RFID（射频识别，radio frequency identification）技术在食品溯源领域应用的可行性、优势和不足[2]。Thakur等研究EPCIS（EPC information services）框架应用于食品溯源信息管理的可行性[3]。Dabbene等首次成功搭建基于语义网络的食品安全溯源系统[4]。Voorhuijzen等总结基于DNA的多重溯源信息检测工具在农作物品质检测方面的进展[5]。中国农产品溯源研究起步较晚，但近年来发展迅速，在畜产品追溯体系方面研究相对集中。在农产品溯源方面制定了一些相关标准和指南，初步建立部分食品溯源制度，搭建起部分食品溯源信息系统和网络交换平台。董玉德等建立了基于农产品供应链的质量安全可追溯系统[6]。郑火国详细研究了食品安全可追溯系统[7]。赵荣等探讨了山东省寿光市蔬菜追溯体系发展、评价及展望[8]。有研究探讨基于.NET及GIS构架的安全猪肉、牛肉、水产品全程可追溯系统研发[9-13]。亦有学者实现了农产品追溯系统优化，进行了对策及管理模式研究[14-19]。王立方等系统阐述家畜和畜产品可追溯系统的研究进展[20]。傅泽田等探讨了食品质量安全可追溯关键技术发展[21]。但上述的系统溯源存在信息内容不一致，有简有繁；溯源链条较短，没有实现上下游企业之间的溯源信息的传递；质量溯源终端匮乏及服务模式可行性差等问题，阻碍了溯源系统的普及和推广。

虽然近年来农产品溯源有一定发展[22-26]，但相关法律法规体系与标准还不健全，未能形成统一标准，相关主体各方面认知不足，目前溯源机制仍存在不足，国内现有的农产品溯源平台大多以生产企业（基地）为主体自行设计和实施的，属于非独立性“自我溯源”模式，造成溯源平台与生产企业同属一个利益团体，溯源结果消费者不认同，博弈结果是面对消费者的是“假溯源”，企业方容易形成管理上的“疲劳”，平台可持续性差，最终流于形式，这也是众多溯源产品投入市场运行后难于长期运行的主要原因。

中国东北地区生产的粳稻由于其优异的品质畅销国内外。部分地区的优质米早在2013年就获得中国原产地域保护产品认证，具有较高的品牌价值。但产品优质优价问题亟待解决。为此，本文提出由政府监管的第三方溯源机制，即第三方稻米溯源平台，通过独立权威检测机构对生产相关数据进行检测，农产品的最终零售包装内放置带有经过安全防伪技术处理后二维码的卡片，把溯源数据安全可靠地提供给消费者，消费者用微信扫描二维码溯源。通过第三方溯源平台设计模式和管理模式的创新，以期从体制上保证稻米的优质优价以及消费者的权益保护。

1 第三方稻米溯源机制构建

1.1 第三方溯源机制的提出

溯源是农产品优质优价以及食品安全的必然要求。目前常见的溯源模式有2种，自我溯源模式和企业加盟开放溯源平台溯源模式。

自我溯源模式的结构如图1a所示，溯源平台由生产企业自行开发，溯源数据由企业本身提供，企业容易受到利益的驱使而展示对销售有利的结果。当发生相关质量以及食品安全问题维权时，消费者在举证、责任认定、追责等方面比较困难。

另一种是企业加盟开放溯源平台的模式如图1b所示，这种方式溯源数据一般是由生产企业提供或者企业提供送测样品，数据来源于送测样品的检测结果。这种模式下，用户购买到的产品发生问题在追责时，但是仍然存在举证、责任认定、追责相对较难的问题。

针对以上2种溯源方式的不足，本文提出第三方溯源平台新模式，如图1c所示，溯源平台在政府监管下，平台通过传感器、手工录入等方式采集产品的相关信息，通过独立权威检测机构对生产过程的数据进行检测，把溯源数据安全可靠地提供给消费者。企业入驻溯源平台可以提高消费者对该企业产品质量的信心，用户出现质量问题也可以方便地检测、举证、追责。实现多赢的局面。

图1 两种传统溯源与第三方溯源模式

2 系统总体设计

2.1 总体框架

溯源以消费者溯源信息追溯，结合稻米生产过程作为主要流程，结合传感器信息采集和人工手动输入信息，通过独立权威机构对产品和环境进行检测，由政府监管机构进行监督和指导，对产品信息的二维码进行安全技术进行处理，与微信公众号进行关联。消费者通过二维码扫描方式，获取产品的溯源查询信息。平台整体框架设计如图2所示。

图2 第三方溯源平台基本框架

首先政府监管机构对申请加入溯源平台的企业进行准入资格审核，通过审核的企业具有管理本企业信息的权限，可以对企业相关信息进行设置。在种植信息采集模块中，需要采集产品的生产全过程的信息，包括田间种植信息采集（温度，水质，肥料等），种植管理相关信息（灌溉，施肥，农药，土质，生长期监测等），以及生产加工仓储等信息。这些信息一部分通过传感器自动采集，一部分通过手动录入。在生产过程中，独立检测机构会对相关因素进行检测，并对加工后的产品进行质检，并返回质检报告文档，文档既可以提供给消费者查询，也作为档案信息进行保存，为发生食品安全问题时提供相关证明。政府对全过程进行监管，并对相关数据进行统计和分析，对指导生产销售等环节进行数据支撑和风险预警，形成有效的把控。消费者在购买到商品后，可通过包装内部经过防伪加密后的二维码进行扫描后，访问微信公众号端的溯源信息页面获取到产品相关溯源信息。

2.2 平台组成

稻米第三方溯源平台由4个子平台组成：政府监管子平台，用于政府对平台的监管和决策以及风险预警；种植管理子平台，存储产品灌溉，施肥等种植管理信息；田间种植信息系统采集子平台，用于收集田间温度、水质等环境信息；企业信息管理子平台，对企业信息、产品信息进行管理。溯源查询信息通过对数据库查询并提取相关信息显示给消费者，通过相关调用完成，不需要设计成为单独子平台。

2.3 开发架构

本文主要设计的第三方稻米溯源平台，采用Jfinal系统框架，Browser/Server（浏览器/服务器）结构模式，开发工具Java语言，运用J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）技术，运行环境采用Myeclipse。满足现有平台各应用系统建设的需求的同时，保证平台的可拓展性。数据服务器专门存放数据，应用服务器提供各类服务组件来访问数据服务器和响应客户端的请求，用户手机端只发出请求和显示结果。

稻米溯源平台的实际需求，溯源信息管理系统主要分为前台展示和后台管理2个部分，前台主要是用来向消费者展示稻米产品的相关信息。网站后台主要是用于管理员管理基本信息，企业员工采集溯源信息，实现稻米生产的信息化。为了保证溯源信息的安全、准确避免误操作的发生，在网站后台管理中企业信息管理模块只有具有管理员权限的用户才能访问。

3 系统详细设计

3.1 溯源流程设计

将网站与微信服务号做关联处理，消费者首先要打开微信的扫描功能，扫描二维码，进入稻米溯源平台查询结果页面。消费者买到稻米产品后，可以通过产品包装内部的二维码查询稻米产品的溯源信息，如产地、生产商、质检结果、相关资质等。稻米产品的溯源码具有唯一性，每袋（独立包装）产品只有一个溯源码，查询到的溯源信息都相同，对查询次数计数并显示，超过2次，消费者基本可判断查询信息被泄露，买到的商品为假冒。溯源查询信息模块从数据库中提取产品信息、质检信息、企业信息，查询次数统计并显示，数据将从数据表中提取，显示在查询结果页面。溯源的流程如图3所示。

3.2 数据库设计

数据库使用MySQL数据库，根据溯源平台系统整体架构与功能分析，建立一个数据库，5个数据表项，供系统信息采集录入及查询和管理等操作。

图3 溯源流程

具体表项如下：

企业信息表：设计有多个字段（如企业相关信息，相关资质，产品质检信息与类别管理，种植、加工、仓储信息采集等），根据企业表中的各数据字段建立模版。

田间种植信息采集表：保存田块中传感器自动采集的生产环境相关信息，如温度、水分、土壤肥料以及其他种植信息。

种植管理信息采集表：保存稻农手动录入的生产过程相关信息，如灌溉、施肥、农药等其他种植信息。

产品相关信息检测表：保存相关信息检测结果。

溯源信息查询表：保存消费者溯源查询相关信息。

以上5个数据表保存的数据能够提供系统功能的使用，在开发过程中，根据不同功能需求，还进行角色权限的设计，对数据库进行录入和查询等操作：如在独立权威检测机构角色中，检测机构角色可以添加检测结果及相关图片；政府监管机构角色中，可以对企业表进行审核，可以查询企业信息表中的信息，也可以查询产品种植信息表查看信息，以及其他所有溯源系统的可供监管的信息；系统管理员角色可以对企业信息表管理。企业信息管理员可以对企业相关信息，以及产品类别，产品信息进行录入等管理。消费者角色通过二维码对溯源信息查询表查询并显示。

3.3 溯源二维码的生成与加密的实现

扫码溯源主要原理是将溯源产品的生产、运输、检测等数据所在的网址编码成二维码格式，当用户扫码时则会解析二维码的内容并跳转到溯源平台网站进行溯源[27-30]。

要实现扫码溯源不但要有在URL（统一资源定位符uniform resource locator）中存储溯源服务器的地址还需要在URL字符串中保存相应的稻米的溯源编码。将稻米的溯源编码与服务器相应的后台地址结合组成带有参数的URL地址。例如溯源平台的查询地址是http://192.168.0.1/track.jsp，商品的溯源编码是001000030000000000012345，对于溯源码的编码，通常可以将溯源码分为几个部分，例如在本系统中使用前面4位表示是哪种类型的稻米，例如可以用0001表示长粒香，0002表示稻花香等等，中间5位表示生产的批次，用后面15位则唯一标识该产品。这样的分级设计可以使得在数据库设计时可以利用产品类型和批次建立索引以提高检索的速度。

如果用trackId作为溯源码字段的话组合起来带有参数的URL则应该为http://192.168.0.1/track.jsp?trackId= 001000030000000000012345。

以上的方案虽然可以满足功能和性能的需求，但是在溯源的二维码中使用明文的参数会使得二维码存在被恶意破解的风险。例如竞争对手或者其他恶意的用户容易通过购买一定数量的已经溯源的稻米，通过二维码解码得到一定数量的查询参数，进而通过分析和比对这些查询参数找出规律从而对溯源平台进行破坏或者对溯源码进行盗用。

本文二维码的加密与编码主要目的是溯源数据不被破解和违规利用，因此应该对URL进行加密，将参数部分加密并且需要保证密文仍为有效字符，从而得到一个类似http://192.168.0.1/track.jsp?trackId=jmer3INCXEJ7Y0WNYx4bsthV9Ayvf+WOaTzafGZ6USY=的合法的URL字符串。

为保证安全性使用DES（数据加密标准，data encryption etandard）算法对参数进行加密，先将查询字符串转换为字节，并按64位进行分组，并准备一个64位长的私钥（密钥中有56位参与DES运算其余为是校验位）分组后的明文组在密钥控制下进行16轮替代和置换，这样就得到查询参数的密文。不过现在这个密文的各个字节不一定取值落在ASCII码表中，并不能保证都是合法字符，为使这些字符变为合法字符使用BASE64再次对这个密文进行一次加密，由于BASE64的密文的取值范围都是合法字符，这样就得到由合法字符组成的查询字符串。溯源URL的加密过程如图4所示。

图4 溯源统一资源定位符加密过程

得到加密后的溯源URL还需要利用二维码编码技术来获取用于溯源的二维码。通过相应的编码算法将溯源URL字符串编码为对应的二维码，这样用户扫码之后就会跳转到相应的URL指示的网络地址，从而实现扫码溯源。

相关的执行文件主要分为两个文件夹具体如表1所示。

数据从加密到生成二维码需要两个步骤：

1）溯源码首先通过EncryptUtils.java调用DESEncryptor.java（DES加、解密模块）和Encryptor.java(BASE64加、解密模块)中的接口完成DES加密，和BASE 64二次加密得到一个合法的查询参数密文。

2）系统通过QRO.class文件接收加密后的查询参数，与服务器地址结合后，生成含有密文参数的二维码，并通过PrintO.class文件来进行二维码的打印。

表1 相关执行文件分类信息

用户扫描溯源二维码时，会访问加密后的URL，系统首先通过EncryptUtils.java来把加密后的参数进行BASE 64和DES解密，然后系统利用解密之后的查询参数在数据库中查询溯源信息，并把溯源结果返回给用户。用户手机里的扫描功能app，如微信等会自动调用浏览器查看溯源结果。如果是已经注册过的稻米则会返回稻米的溯源信息，并更新查询次数记录。

4 试运行

系统目前架设于东北农业大学数据中心，通过与微信企业公众号关联，提供二维码扫描溯源，向部分农业生产企业提供服务。溯源平台与微信公众号关联，可以使消费者能够了解微信公众号的主体是政府指定的第三方服务单位，具有权威性，而且二维码通过加密具备了一定的保密性，这样基本可以保证消费者能够扫描到的网址是正规的网址，从而保证数据可靠性。

目前已有多家稻米品牌企业与溯源平台签署合作协议或合作意向。溯源平台向合作企业提供最终产品的溯源二维码，由企业喷印在卡片并放置于最终产品的包装内部。

目前二维码设计成一物一码，即每个包装袋里面会放入一个带有唯一性质的二维码的卡片，消费者在购买商品后，打开包装就可以扫描卡牌上面的二维码查询了，扫描后，消费者会打开溯源平台微信公众号的链接，在关注公众号之后，消费者会访问到产品详细信息的页面，包括溯源产品的产地、包装、企业信息以及产品检验报告。溯源二维码见图5。查询结果见图6。后台管理见图7。

图5 溯源二维码

图6 溯源查询结果示例

5 企业成本与效益分析

企业只有当第三方溯源系统带来的收益大于或等于成本时，企业才有意愿加入到第三方溯源系统平台中，因此，有必要对第三方溯源平台体系中的企业进行成本与效益分析。第三方溯源系统的成本主要由标签费用，网络服务和服务费用组成，详细成本见表2。

表2 第三方溯源系统的成本分析

从表2可知，每件产品粘贴1张二维码，用于产品的溯源跟踪，根据印刷数量决定着其成本，一般在0.09～0.12元/张，平均成本为0.10元/张；服务成本包括第三方平台服务费成本和信息采集、维护与咨询费用，信息采集、维护与咨询费用为3 000元/a，第三方平台服务成本，按企业年销售额的千分之一计算，第三方溯源系统软件为1 000元。

如五常市顺泽米业有限公司的稻香社品牌在2016年之前未采用溯源，销售量为50 t/a，单价为20元/kg，采用的是10 kg的包装，销售额约为100万元/a，在2016年采用溯源模式后，由于成本上升，单价提高至24元/kg，由于采用溯源模式，消费者对产品认可程度提高，接受价格提升，2016年销售量达到60 t，销售额达到144万元，溯源成本约为7 000元人民币。从上述数据可以看出，由溯源模式带来的成本提升，在售价提升20%后，被消费者认可，并且销量也提高了20%，达到了企业的效益增长。

6 结 论

本文提出由政府监管的第三方溯源机制，即第三方稻米溯源平台，通过独立权威检测机构对生产相关数据进行检测，农产品的最终零售包装內放置带有经过安全防伪技术处理后二维码的卡片，把溯源数据安全可靠地提供给消费者，消费者用微信扫描二维码进行溯源。本研究基于J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）技术手段构建了中国东北地区优质稻米的在线溯源平台，解决了溯源平台中特有的二维码设计问题和安全加密等关键技术。该系统为2家企业的稻米高端农产品实现全程溯源。试运行结果表明，由第三方溯源模式带来的成本提升，在售价提升20%后，得到了消费者认可，且销量提高了20%，达到了企业的效益增长。该模式下第三方溯源平台企业入驻溯源平台可以提高消费者对该稻米产品质量的信心，消费者因为稻米产品具有质量保证而愿意支付因此产生的费用，从而提高收入，实现优质优价。

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Design and implementation of third-party traceability platform for rice

Jiang Shuang1, Han Guiqing1※, Si Zhenyu2, Tian Jingqi3, Wang Lishu4, Qi Guoqiang4

(1.,,150030,; 2.,,150030,; 3.150001,; 4.,,150030,)

The rice produced in the northeast of China is well sold in the world because of its excellent quality. High-quality rice produced in some areas makes high brand value. For the reason that the shoddy rice phenomenon is increasing seriously, solutions should be proposed to solve the problem. Most of the existing traceability systems of agro-products in China are mainly designed and implemented by the manufacturing enterprises, which make both the organization providing traceability service and the manufacturing enterprises are community of interest, and the traceability results are difficult to meet the consumers' needs. To achieve the quality and safety of agricultural products, the existing agricultural product traceability mechanism and implementation were analyzed, and a new third-party traceability system was proposed in this paper. Under the supervision and guidance by the government, the third-party traceability system provided the traceability data to the consumer safely and reliably, as rice samples were tested by the independent authoritative testing agency . B/S architecture were used in the third-party traceability platform system,and MySQL, J2EE (Java 2 Platform Enterprise Edition) and other technical means were used for the database construction. By connecting with the WeChat public number, the QR code of the product information is processed with safety technology in order to provide the consumers with traceability services. At the same time, the anti-counterfeiting problem of the QR code on the traceability platform was studied, and the new platform succeeded in the simulation running. The platform has been used by two enterprises to achieve the full traceability of the high-quality agricultural products. The results showed that the price of rice sale was increased by 20%, which was caused by the cost of the third-party traceability mode, but it was accepted by the consumers, and the total rice sale had been increased by 20%, which had achieved the benefit growth of the enterprises. The results showed that the traceability results using the third-party traceability platform designed in this paper make the consumers’ approval, and the third-party traceability platform provides an effective means for the traceability of high-quality agricultural products.

agricultural products; tracking; encoding; rice; third-party; traceability system; QR code; J2EE; food safety

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.028

S24;TP391

A

1002-6819(2017)-24-0215-07

2017-07-08

2017-12-07

国家自然科学基金项目（51209039）；黑龙江省教育厅科技项目（12521038）

姜 爽，女，黑龙江人，博士研究生，研究方向为农业经济管理。Email：jiangshuangjs@163.com

韩贵清，男，研究员，博士，博士生导师，主要从事农业经济管理、农业工程管理等方面研究。Email：haashangq@126.com

姜 爽，韩贵清，司震宇，田景齐，王立舒，戚国强.第三方稻米溯源平台设计与实现[J]. 农业工程学报，2017，33(24)：215－221. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.028 http://www.tcsae.org

Jiang Shuang, Han Guiqing, Si Zhenyu, Tian Jingqi, Wang Lishu, Qi Guoqiang. Design and implementation of third-party traceability platform for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 215－221. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.028 http://www.tcsae.org