基于智能终端的轻简型农产品安全生产溯源系统构建与应用

李国强，陈丹丹，赵丰华，秦一浪，赵 晴，臧贺藏，辛银平，于亚楠，郑国清

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 3.信阳市农业科学院，河南 信阳 464000； 4.濮阳职业技术学院，河南 濮阳 457000)

随着化肥和农药的大量使用，土壤化学残留增加，土壤环境、生态环境被破坏[1]，造成农产品中药物残留与重金属等有害物质超标。农产品是我国民生质量与经济发展的重要保障，农产品质量安全是关乎国计民生的重大问题。建立农产品可追溯体系和农产品溯源系统是保障农产品质量的重要手段[2]，因此研发农产品安全生产溯源系统，有利于规范农业生产作业规程，提高农产品安全水平。国内学者就溯源系统开展了许多研究[3-4]，近几年溯源系统与RFID(射频识别)、物联网、移动互联网等新兴信息技术相互融合成为研究热点。一是与RFID、NFC(近场通信)技术结合，适用于高价值、移动、周转环节多的畜牧养殖(如羊[5]和猪[6]等)应用场景；二是与物联网技术结合，适用于养鸡场[7]、蔬菜大棚[8]、蔬菜冷链转运[9]等闭合可控的应用场景；三是与RFID、物联网、视频、WEBGIS等多种技术结合，适用于省市级[9-10]农产品安全预警与追溯综合平台等区域性综合应用场景；四是与区块链技术结合[11]，适用于对溯源信息准确性要求非常严格的应用场景。在应用实践过程中，这些系统均表现出较好的稳定性，但在系统功能设计上，存在溯源链条涉及环节多、采集信息过多、使用成本高等问题，造成使用效果不佳[12]。武尔维等[13]、杨磊等[14]、毛林等[15]设计和实现了基于智能终端的农产品溯源系统，使农产品追溯信息的收集、管理、查询等更加便捷和高效，但对生产过程没有完整的记录。鉴于此，以中小规模企业为应用主体，以兰考蜜瓜、三门峡苹果、信阳茶叶等高附加值农产品为溯源对象，以低成本的二维码为信息载体，采用文字点选和拍照等便捷录入手段，以移动终端为操作平台，构建一套数据可靠、操作简便、成本低廉、具备溯源档案自动生成、随时随地打印追溯标签等功能的农产品溯源系统，以提高溯源系统的应用体验和应用效果，有效保障农产品的质量和安全。

1 材料和方法

1.1 需求分析与资料收集

实地调研了兰考蜜瓜、三门峡苹果、信阳茶叶、焦作山药、有机果蔬等河南省知名农产品的生产企业或合作社。这些企业具有自主品牌或在当地有良好口碑，有稳定的销售渠道和稳定的客户群体。在调研过程中，收集了企业田间生产操作、人员管理、农资采购等流程信息，收集了《农产品质量安全追溯操作规程通则》(NY/T 1761—2009)、茶叶(NY/T 1763—2009)、谷物(NY/T 1765—2009)、蔬菜(NY/T 1993—2011)、水果(NY/T 1762—2009)等技术标准，用于规范田间农事操作流程以及实现优质农产品的标准化生产和管理。

1.2 系统总体设计

根据前期调研，溯源系统用户限定为管理相对规范、有较完善的生产加工销售等链条的中小经营规模企业或合作社；采集边界为农产品种植、生产加工、包装物流3个环节，其中生产加工为重点环节；系统功能包括地块管理、土壤肥力管理、农资管理、生长季管理、农事管理、农事记录和溯源管理；系统架构采用Android移动端和Web网页端设计，其中Web端负责用户注册、权限分级管理，Android端负责田间数据采集、上传，标签打印等；用户权限应包括总管理员、企业管理员和企业员工。总管理员负责管理并监督所有注册企业及用户，企业管理员负责管理和监督本企业员工，企业员工即为一线工作人员，负责记录农产品田间生产管理措施数据(表1)。

表1 用户类型及权限

根据各用户经营活动，制定规范的业务流程：将地块进行编号，记录各地块基础肥力；整理常用农资；制定种植计划，安排前茬和后茬；记录施肥、打药、灌溉、采收过程；打印追溯标签或绑定印刷好的标签；产品销售。

根据需求分析及业务逻辑，系统分为6个功能模块(图1)：

(1)账号管理功能，包括企业或员工账号注册、修改和删除等。企业用户注册涉及企业名称、位置、联系方式、生产经营信息、营业执照及认证证书等信息。员工用户是企业账号下发的子账号，其注册信息包括姓名、联系电话等。

(2)场地管理功能，分为田块管理和土壤肥力2个子模块。田块管理模块方便用户管理不同田块，设置有露天、拱棚或者日光温室等栽培模式。土壤肥力模块用于记录农作物种植前田块的基础肥力和重金属含量等情况。

(3)农资管理功能，分为肥料管理、药物管理和种子管理3个子模块。用于记录各项农资名称、类型、规格、生产企业等信息。

(4)农事管理功能，分为生长季管理、灌溉记录、施肥记录、用药记录、生长记录和采摘记录6个子模块，用于记录农作物从播种到收获整个生育期各项农事活动，具备照片上传功能。

(5)加工管理功能，用于记录加工环节工艺参数，包括加工工艺、加工车间、加工时间、加工批次、包装材质、净含量、照片上传等字段。

(6)溯源档案管理功能，包括溯源目标自动生成、档案预览、防伪编号生成、溯源标签规格设置与打印4个子模块。

图1 农产品安全生产溯源系统功能模块结构图

1.3 系统实现

1.3.1 系统开发技术架构 系统采用6层开发框架模型的B/S架构，其中底层为设备层，由对象关系映射框架Hibernate，直接连接数据库；第2层为数据访问对象层DAO(Data access object)，提供数据库访问接口；第3层为服务层Service，提供各类业务操作；第4层为应用层，由小程序服务连接器Servlet(供手机APP调用)和Web应用框架Struts2(供Web浏览器调用)组成；第5层为展示层，用于展示溯源技术服务应用情况；第6层为用户层，包括监管部门、企业管理员、合作社管理员、员工和其他用户等。Web端以Visual Studio2015为开发平台，运用ASP.NET MVC 5+Web API 2+C#5.0开发编程技术。前端采用Html 5和Angular 4，基于WEB UI开源框架METRONIC UI。移动端以Android Studio为开发平台，采用模块化设计进行开发。系统框架见图2。

图2 农产品安全生产溯源系统框架

1.3.2 数据库设计 移动端采用SQLite轻型数据库，Web端采用MySQL关系型数据库。移动端通过API(Application program interface，应用程序接口)访问远程服务器数据库，采用JSON(JavaScript object notation,JavaScript物件表示法)数据格式进行数据交换。根据系统功能设置，数据库设计8类表格，如表2所示。

表2 农产品安全生产溯源系统数据库表格主要字段

1.3.3 实现要点 (1)智能手机照片信息隐藏及认证溯源技术。主流智能手机通常在手机拍摄的原始照片信息隐写入照片的EXIF(Exchangeable Image File)数据，包括拍摄时间、地理位置、使用的设备等。直接读取照片的EXIF数据，可提高录入效率，又规避了部分溯源档案篡改等问题。

(2)溯源编码技术。参照杨信廷等[16]制定的追溯编码规则，即采用农产品商品属性编码与种植生长过程编码相结合的UCC/EAN—128编码方式。

(3)批次管理技术。按照批次管理的思路，在农作物种植(播种)至收获(采摘)时间段内，具有相同收获(采摘)时间为同一批次，每一个批次生成不同的二维码，保证不同批次溯源信息的准确性。

(4)二维码技术。二维码(QR code)是在一维条码的基础上发展而来的，具有信息储存量大、追踪性高、保密性好、抗损性强、成本便宜等特性。

2 结果与分析

2.1 帐户注册

企业管理员在APP端填写注册所需相关资料，提交申请。总管理员在Web端审核激活后(图3)，授权其溯源系统账号。企业管理员成功登录后，授权企业员工账户。

图3 农产品安全生产溯源系统Web端管理界面

2.2 基础数据填报

基础数据包括肥力管理、地块管理、农资管理。企业员工成功登录后，APP首页提供近3 d天气预报(图4)。企业通常选择若干有代表性田块测定土壤肥力，所以仅需在肥力管理模块记录代表性地块的土壤基础肥力与重金属含量；根据常年种植计划或种植习惯，对固定种植模式的地块进行编号，然后录入地块管理模块；把企业常年用到的肥料、药物、种子或种苗进行电子化，录入农资管理模块。由于农资厂家和商品繁多，录入工作量较大，因此,在新增农资中，通过智能终端扫描商品条码，溯源系统调用第3方API，自动读取商品生产厂家、规格等信息，以尽可能减少农场员工的录入工作量(图5)。考虑到大多数企业没有正规的出入库管理，暂时未增加仓库管理功能。

2.3 日常数据填报

日常数据填报包括生长季管理、农事管理和加工管理。在日常管理中，企业员工仅需要利用手机APP完成信息录入工作。在生长季管理制定生产计划。生产计划档案是一套完整的田块种植履历，供技术员合理安排前茬和后茬。农事管理是农场员工操作最多的模块，保存从播种到收获整个生育期各项农事记录。在该模块数据录入非常简便，先对田间农事操作活动场景进行拍照，然后采用点选方式完成录入，极大提高了录入效率。在农事记录模块，提供一套完整的农事记录时间树，详细记录了农事管理当日天气、施肥、用药、灌溉、生长和采摘等信息。加工管理仅用于需要加工才能进行出售的农产品(如茶叶)，采摘后，依次录入原料批次、包装批次、加工工艺、加工车间、加工时间、净含量及包装材质，上传加工现场照片(图6)。

图4 农产品安全生产溯源系统APP主界面

图5 农产品安全生产溯源系统基础数据填报界面

图6 农产品安全生产溯源系统日常数据填报界面

2.4 溯源管理

在收获或采摘季，企业员工录入采摘信息后，生成溯源目标和档案。溯源管理包括溯源档案预览、溯源标签生成及二维码打印。在溯源管理模块，选择溯源目标，点击生成溯源二维码，生成溯源档案和溯源二维码。随后可选择打印或预览详细溯源档案。溯源档案包括产品信息、溯源信息和认证证书3个部分。打印标签时，选择标签纸张大小(80 mm×60 mm和60 mm×40 mm)。如果首次使用本系统打印标签，需要手机蓝牙与打印机配对。对于茶叶等高端产品，标签设计精美，带有防伪涂层。对于需要提前印制的标签，可通过标签绑定，实现标签和溯源档案的一一对应(图7)。

图7 农产品安全生产溯源系统溯源管理界面

2.5 溯源系统应用

该系统自2015年开始研发，先后成功申请了5项计算机软件著作权，分别是农产品安全生产全过程溯源系统V1.0(Web端和Android端)、V2.0(Web端和Android端)及V2.1(Android端)。目前，在全省150多家合作社及涉农企业的蜜瓜、蔬菜、梨、草莓、茶叶等农产品上得到很好的应用，企业可以根据自家企业的LOGO(商标)或者产品图片制作防伪二维码标签(图8)。

图8 农产品防伪二维码标签图

3 结论与讨论

建立农产品溯源系统，是保障消费者食用农产品安全和提升农产品竞争力的重要手段[17]。为了加快溯源信息平台的建设，近来年我国可追溯性平台的建设步伐已加快。一些省市已开始建立或试点运行可追溯性管理的相关信息平台，已经建立投入使用的有吉林省、四川省、山东省、广东省、深圳市、厦门市等地的溯源平台[18]，这在一定程度上提升了我国的溯源系统水平，但是平台大、系统使用范围广很容易造成溯源细节的遗漏。本研究以中小规模生产企业为应用主体，从企业实际使用出发，采用B/S架构，C#和Java分别为Web端和Android端开发语言，以MySQL和SQLite为数据库，构建了基于智能终端农产品安全生产全过程溯源系统，实现了从田块整理、农事操作和销售环节的全程记录。与其他溯源系统相比，本系统具有以下几个特点：(1)操作简单，灵活方便。在田间地头可随时采集数据，随时打印溯源标签。(2)使用成本低。以点选和拍照为信息录入方式，提高了信息录入效率，减少重复工作。(3)可扩展性强。兼容农业物联网、大数据等信息化平台，允许第三方监管部门调用数据。下一步，将增加环境数据采集和生产环境视频数据功能，兼容农药残留快速检测仪，实现农残在线检测，进一步完善溯源档案内容。

目前，本溯源系统在兰考蜜瓜、三门峡苹果、信阳茶叶等河南特色农产品上取得较好的应用效果。为进一步规范溯源系统的应用，还制定了《DB41T 1776—2019蔬菜质量安全追溯操作规程》等地方标准。实施该技术后，示范企业建立了较完善的溯源系统体系，规范了企业的农事操作、施肥和用药情况，实现了优质果蔬的批次化溯源管理。