餐饮行业食品安全智慧管控研究

艾亮东，陆 建，周武云

（湖南孚谷物联科技有限公司，湖南长沙 410125）

经历“三聚氰胺”“瘦肉精”“上海染色馒头”“塑化剂”等事件，食品安全已成为人们关注的焦点，食品安全问题的整治及管控势在必行。2021年物联网和移动计算设备的飞速增长为餐饮行业食品安全的智慧管控提供了新的发展机遇。传统的餐饮服务采用人工进行采购、加工和服务，系统结构单一，服务质量难以保证，服务效率低下，食材难以溯源，存在安全隐患。因此，基于物联网和移动计算的智慧管控研究成为了亟待解决的问题，其从理论上丰富了餐饮行业食品安全智慧管控管理的相关研究，在实际中，不仅符合现行产业政策和可持续发展的要求，还有助于政府对公共食品安全的监控，促进相关产业链发展，取得良好的社会经济效益。

1 餐饮行业食品安全智慧管控的概述

餐饮行业食品安全智慧管控是通过大数据，搭载人工智能设备，运用社会学、管理学、心理学知识结合信息化手段，对传统餐饮行业食品安全的采购、生产、售卖、安全监管、经营分析等全过程升级，进而重塑餐饮行业食品安全的智慧管控经营体系、产业结构与生态圈，实现对食品安全追溯、用餐人员、数量、订餐、消费结算、后厨作业、原材料进出存、远程监控、消洗及售卖作业、就餐环境等管理，既避免了传统餐券流通中所造成的人力、物力、财力的浪费，也避免了餐券的伪造、丢失、智慧管控福利外流及病菌交叉感染等弊端，又实现了财务日清月结，同时提高了工作及管理效率[1]。

2 餐饮行业食品安全智慧管控体系构建

食品安全智慧管控体系需要涵盖从源头到餐桌的所有食品流通环节，以有效控制食品质量。体系主要包含3个平台，即安全溯源平台、食品安全监控平台、智慧餐饮服务平台[2]。

2.1 食品安全溯源平台

食品安全溯源平台主要包括应用层、管理层和网络层。

2.1.1 应用层

消费者可以通过手机应用程序直观地了解食品来源、食品加工设施的加工状态、主要食品供应机构及其销售渠道。每个环节都有一个写入相同账本的区块。另外，这个账本只允许添加，不能修改。每个区块都由遵循共识机制的节点管理器发送。整个网络不需要人为干预。此外，每个区块的信息都包含一个唯一的时间戳，以保证信息安全，只有交易各方的公钥才能解密区块信息。

2.1.2 管理层

第三方监管者只需要授权监管者加入区块链系统，获取相应的公钥并执行查询请求，但监管者也无权篡改信息内容，从而有效防治监管部门在食品溯源责任落实方面出现徇私舞弊行为。

2.1.3 网络层

网络层也叫合约层，该层结合了脚本代码、智能合约、共识算法等机制共同创建控制层的规则，并使用脚本代码连接每个区块并使其可追溯。共识算法是提高系统可靠性的非中和机制，智能合约通过代码控制输出日志记录，在食品可追溯性和监控中发挥着重要作用[3]。

2.2 食品安全监控平台

基于大数据的食品安全监控平台主要分为两个部分，即大数据应用层和数据提取层。

2.2.1 大数据应用层

监管者或相关者通过手机App或H5网页可直观了解当前食品安全市场的各种动态。从食品安全流程中的各个环节，到根据网络食品安全大数据监测到的食品安全热点事件，都能一一反馈在相关板块。透过分层分权限的管理策略，可以有效地保证数据的安全性，每个人员只能看到自己权限下的对应数据。

2.2.2 数据提取层

数据提取层通过公开标准接口接收上报数据外，还通过爬虫软件进行网络数据抓取。在管辖范围内的智慧实施平台上报的基础上，全网跟踪热点食品安全事件，为应用层相应决策提供有效的数据支撑。

2.3 智慧餐饮实施平台

通过基于物联网技术的智能硬件产品帮助终端餐饮企业落地食品安全管控的最终环节。主要包括现场管控软件和智慧硬件[4]。

2.3.1 现场管控软件

食堂使用者通过智慧管控软件可以完成日常的食堂工作管控，包括食材进销存、消费管理、菜品管理等；改变传统的食堂经营模式解决餐厅中存在的管理工作粗放、预见性不足、无法精准吸引特定客群等问题，将餐厅运营的各环节做细、做透，打造让顾客与餐厅管理者双方满意的优质智慧餐厅。传统食堂的经营方式从一成不变的档口打饭、刷卡结算、下班对账，转换为智慧自选、自助结算、账目一键汇总，从而提升消费者用餐体验，实现财务对账一体化、数据化精细管理。

2.3.2 智慧硬件

智慧硬件产品用于助力食堂企业落地智慧管控的全流程。通过智能结算终端完成快速结算。通过智能留样柜完成食品留样管理，杜绝留样遗漏等问题。智能无感称重产品，减少浪费，提高菜品多样性。智能取餐产品助力无接触配送，解决订餐时间无法确定等问题。

3 餐饮行业食品安全智慧管控平台软件设计

3.1 智能结算终端软件设计

结算终端用于实现用户结账支付和外围设备控制。最重要的功能包括操作员登录、智能餐盘识别以及支付结算。这些功能的实现一方面依赖于与服务器的通信和交互，另一方面也需要外设的支持。结算终端的外围设备包括多标签读/写终端、M1卡、POS设备。结算终端软件设计主要包括终端架构设计、接口设计、硬件抽象层设计、串行通信协议、多线程通信设计。结算终端使用RS232协议串口与外设通讯，串口通讯涉及到底层硬件I/O的开发。本次研究的终端设计基于微软.NET平台，采用C#语言。终端框架如图1所示。

图1 智能结算终端框架图

MVVM（Model-View-ViewModel）架构本质上分为：Client.exe客户端视图层；UI.ViewModel层（为响应视图级别和业务逻辑等命令而开发的）；数据获取层DAL；后台服务器通信层ServerConn；模型层。MVVM架构的主要目的是引入ViewModel，实现视图和模型的分离，降低层与层之间的耦合度。

3.2 后台服务器设计

后台系统采用微服务框架Spring Boot实现系统快速开发和增量服务的目标，将服务分解为分布式系统，每种服务的复杂程度各不相同，取决于代码量。与传统的瀑布式开发模式相比，微服务、迭代开发和持续集成开发模式的使用缩短了项目开发周期，减少了项目部署、运维的工作量。其后端服务器必须同时服务于前端浏览器网站认证请求、页面请求、数据请求、终端认证请求及数据请求和服务请求。考虑到桌面端的数据请求与浏览器端的请求有重叠，为了提高代码复用率，综合设计了一个通用的请求接口，分离成各种请求。本文实现了将认证、浏览器、业务、数据需求分离，同时允许通过前端异步框架加载数据，无需更新接口。接口设计可以与接口代码逻辑和数据需求分离，降低耦合度，也适用于系统测试。

前端应用终端、Web程序等通过http协议向后端服务器发送请求。这是页面的加载请求。数据（JSON）通过配置Spring Security，Spring Security会拦截切片中的请求，然后将其传递给Dispatcher Servlet进行处理。由于没有配置，Security还提供了简单的登录界面来恢复会话。Spring Security切片编程完成系统认证请求，有效保护了后台服务器上的数据，防止恶意数据窃取。

3.3 网页设计

为了满足系统需要，浏览器页面必须向不同类型的消费者、操作员和管理员用户呈现不同的页面和功能，用户可以轻松地在不同页面之间切换。因此，系统采用SPA（单页应用）。前端页面管理采用Angular JS页面路由设计，使得为不同的用户和角色提供不同的页面切换选项变得容易，且允许动态扩展，从而无缝集成前端设计。前端页面路由功能由Angular JS依赖注入ng-Route实现。使用ng-Route和thymeleaf对获取不同的权限来查看不同的界面非常有用。thymeleaf是一个xml、xhtml、html、html5模板引擎，可用于多种场景的开发。通过结合thymeleaf、Spring Security，可以实现基于用户权限的自定义属性，从而实现基于用户权限的页面渲染，通过thymeleaf的sec标签实现的，允许你为不同的页面指定所需的用户权限。例如，管理员可以查看餐厅管理界面，而消费者和运营商则不能。可以使用sec:allow=“hasRole（'ADMIN'）”来限制只有拥有“ADMIN”权限的用户才能查看此页面。

3.4 数据库设计

本系统使用MySQL Workbench工具创建的ER图，最后根据项目部署环境和系统性能要求选择合适的数据管理服务器DBMS。最终的系统数据库是使用MySQL 设计和实现的。根据用户、运营商、消费者、餐厅、餐点、营业时间、订单、子命令等业务需求和数据模型共抽取8个实体，消费者和运营商有很多相似的属性，从用户实体中获取共性，减少数据冗余，提高系统可扩展性。

4 餐饮行业食品安全智慧管控平台硬件构成

4.1 RFID智能结算终端

消费者进店消费会得到含具体的餐食信息的智慧餐盘，并可通过餐盘中的智能结算终端进行结账。自动结算终端主要由显示器、支架和钢化玻璃面板、多标签读卡器、M1发卡器、电脑主机等硬件设备组成。结算终端的多标签读取器/写入器对餐盘上的RFID标签进行智能识别。多标签读卡器可采用PBYTJ312一体机。由于结算终端安装在餐馆和食堂等餐饮服务场所，往往存在很多外部电磁干扰，一体机增加了金属外壳作为屏蔽层。但若金属外壳临近天线，变化的磁场会在金属中产生涡流，使天线失调。因此，PBYTJ312一体机具有抗金属设计，通过在底部增加金属屏蔽层，确保其不受底部或周围金属的影响，具有优良的电磁兼容特性，满足系统要求[5]。

PBYTJ312一体机工作频率为13.56 MHz，最大射频输出功率1.5 W，有效识别距离10 cm。这种多合一的多标签阅读器具有二进制搜索的防碰撞算法。在多标签环境下，读卡速度快且稳定，最高识别速度可达50张卡片/秒。上位机通过RS232协议的串口与多标签读写器进行通信，上位机通过串口发送操作指令对天线范围内的只对餐盘进行统计。当智慧餐盘上的RFID标签计数完成时，将发送计数结束事件[6]。主机收到计数完成通知后，通过检索标签队列RFID控制多标签读写终端RFID标签扇区中存储的数据，这些数据是经过3DES加密的餐食标识符。主机通过后台服务器获取密钥进行数据解密，识别智慧餐盘上的食物并显示在主机屏幕上，通过语音提示引导消费者结算，然后启动下一次结算循环。消费者可以将M1卡放在POS机识别范围内进行自动支付，支付成功后，结算终端的主机自动将消费者消费的餐单下载到后台服务器，并存储在数据库中。

4.2 智慧备菜终端

通过在备菜加热台中的无线频率读/写设备和生产控制台的备菜方案，利用程序的后台控制保持原有菜品排序的基础上实现更加复杂，更加智能的备菜管理。智慧备餐App可以改变传统餐厅备菜混乱的局面，为餐厅提供所有食物数据分析的基础。使用智能备菜台后，餐具的颜色统一，可以有效减少餐具种类。从而减少20%的餐具消耗。同时，清洗和分拣餐具更经济，餐具清洁工作量可减少30%。

①预先赋值菜品。根据餐具的颜色区分菜品的价格，只需要赋值一次，但需要在清理后对其进行重新整理。②实时赋值菜品。每次出菜品都需要重新赋值，但可以使用相同的餐具。电子价签显示菜品的具体信息和价格信息，将餐具放在RFID天线上时会自动赋值。

4.3 智慧餐盘设计

智慧餐盘主要是用于制造普通餐具的密胺材料，板底嵌有符合ISO/IEC 15693标准要求的13.75 MHz频段RFID标签，可耐受温度最高260 ℃。一般餐饮设施消毒温度为120 ℃。因此，智慧餐盘的外观、消毒方法、特点与普通餐盘相同。智慧餐盘关键技术指标包括如下。①存储容量。8kbit EEPROM，分为16个扇区，每个扇区分为4个块，每个块大小为16字节。②数据安全。三重相互认证系统。③数据存储期限不少于10年。④删除和写入操作次数不少于10万次。⑤支持ISO/IEC15693协议标准。⑥最大检测距离10 cm。⑦数据传输速度106 kbit/s，响应时间小于100 ms。

智慧餐盘读写终端设计以MCU为主控芯片，433 MHz无线通信方式实现无线通信，RS232实现与上位机通信，RC522实现智慧餐盘读写，触控彩色LCM实现餐品的显示和触控。其中，主控MCU控制模块采用基于ARM Cortex-M3内核开发的STM32单片机，该单片机具有更大片上RAM和外围I/O，外部扩展电路少，简化了硬件开发，满足智能餐盘读写终端的设计要求。MCU通过中断程序识别LCM中的餐品点击操作后向RFID发送操作指令，并将餐品ID写入智慧餐盘。

4.4 自助充值机

用户可通过自助充值终端完成充值，自助充值机选用立式机，提供24 h无人自助充值服务，可有效降低人工充值的压力和成本，省去繁琐步骤，优化服务。其功能包括：①现金充值服务；②移动支付余额充值服务；③账户充值请求；④消费信息查询；⑤账户余额查询；⑥会员卡挂失；⑦密码更改；⑧收据打印。

4.5 食品溯源智能秤

食品安全管理关键环节是食品原料采购和储存环节。食品溯源可利用智能秤自动检测、称重、拍照、存储样品并控制食品原材料的质量。智能电子秤集称重、计价、支付、打印、跟踪、数据交互于一体，可在食品入库前执行验收/测量控制功能。同时可以将电子秤与业务系统对接，并在业务系统中实时上传食品材料采购时的检验数据，以便进行食品溯源跟踪。其基本功能包括：①挂单同步；②称重拍照收货；③打印收据；④上传食材数据。

4.6 AI视觉识别结算台

使用成熟的电子硬件产品，如相机、显示器用于餐盘识别、图像识别和支付。餐盘识别根据餐盘外观、颜色、尺寸等特征。图像识别根据各种菜肴的成分和成分确定食物制备信息和价格。AI视觉识别支付平台运用AI视觉图像识别技术1 s识别餐品、3 s完成支付结算。同时还支持信用卡支付、二维码支付、刷脸支付。该设备还可收集用户数据，分析营养摄入量，将其输入个人健康档案，并提供营养建议。

4.7 托盘绑定机

托盘绑定机用于智能称重、无感计算场景，配合内置RFID芯片餐盘使用。用户在餐厅拿到托盘后只需将托盘放置在托盘绑定机感应区即可。机器检测到托盘后，用户可以选择将个人账户与人脸或卡片关联。配对成功后用户可以到智能秤台点菜就餐。托盘绑定机可减少排队时间，提高餐厅服务效率，降低运营成本。其主要功能：①托盘认证；②添加手环；③远程启停；④停止营业；⑤开始营业；⑥绑定托盘。

4.8 称重结算台

该设备用于智能称重无感支付应用场景，配合RFID智能餐盘使用。当用户完成托盘与个人账户绑定，托盘被放置在智能秤台。当智能秤台检测到托盘，用户就可以自由选择所需的菜肴，屏幕自动显示所选菜肴的重量、营养分析和消费金额。若用户操作不正确，智能秤台的显示屏会触发报警，提醒用户操作错误。用户用餐完毕后只需将托盘放在回收区，系统会自动结算。

4.9 智能取餐柜

智能取餐柜可实现无接触餐品配送，减免排队取餐过程，节省用户等待时间。餐饮经营者按照订单制作完餐品投入到取餐柜中即可认为该单任务结束，免去成品餐维护成本和后续配合配送的消耗，食客或派送员可以自主完成后续传递。对于食客来说，取餐柜可以解决派送餐品乱放和取错现场，消除不必要的潜在危险，实现安全有效的外卖环境。

5 结语

随着国家不断推动“互联网+”，餐饮行业实现自我变革成为必然趋势。本文开发的系统是大型餐饮服务行业物联网技术的先驱，开发了硬件和软件相结合的智能餐饮服务系统。本文开发餐饮行业食品安全智慧管控系统由智慧餐盘、餐盘读写终端、数据网关、多标签读写终端、M1卡POS机、后台服务器、自动结算终端、数据中心、无线数据网关、自助充值机和食品溯源智能秤等硬件构成。实现了餐饮行业安全智慧管控。