馬鐵民，謝秋菊，劉金明，王雪

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

豬肉是我國居民高頻食用肉之一，豬肉的食品安全問題備受矚目；瘦肉精、注水肉等監(jiān)管問題也是市場管理的關(guān)鍵問題。以豬為本體的溯源是從豬的養(yǎng)殖、運(yùn)輸、屠宰以及豬肉制品的批發(fā)、深加工直到零售商環(huán)節(jié)的全過程[1]。國內(nèi)外對于豬、牛以及羊等牲畜為本體的溯源系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)均做了大量的研究。例如，英國建立了CTS 系統(tǒng)，即基于互聯(lián)網(wǎng)的家畜跟蹤系統(tǒng)[2]；加拿大、日本和澳大利亞等國家對畜產(chǎn)品的標(biāo)識制度進(jìn)行了研究和強(qiáng)制性施行[3]。國內(nèi)典型的例子是由北京永泰普諾瑪開發(fā)，并在上海某食品有限公司實(shí)際運(yùn)行的“RFID 屠宰加工實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理和安全信息追溯系統(tǒng)”；該系統(tǒng)在上海市2006年9月的“瘦肉精”中毒事件中，應(yīng)用肉類食品安全信息追溯技術(shù)，對事件的解決和防止危害范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大起到了決定性的作用[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的系統(tǒng)以大慶 某豬場為實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)共分為五個(gè)層次如圖1 所示，分別為：物理層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、軟件服務(wù)層以及應(yīng)用層。物理層是由多種因素構(gòu)成的，它包括豬本體溯源設(shè)備，飼養(yǎng)員、動(dòng)物醫(yī)生以及管理人員在處理日常養(yǎng)殖事務(wù)的管理設(shè)備，還包括檢驗(yàn)檢疫等監(jiān)管部門的監(jiān)管設(shè)備等。傳輸層將從物理層各構(gòu)成元素中通過人工或傳感器等采集到的信息，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行接收；經(jīng)過處理之后存儲在溯源信息庫中。數(shù)據(jù)層主要完成對溯源信息庫的管理，并為溯源的查詢進(jìn)行服務(wù)。軟件服務(wù)層是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心處理層，完成溯源以及相關(guān)管理、查詢等各項(xiàng)功能。應(yīng)用層允許各類用戶使用PC 以及各種移動(dòng)設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行訪問。

圖1 豬溯源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of traceability system for pig products

1.2 系統(tǒng)溯源流程的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)溯源流程的實(shí)現(xiàn)總體可以分成兩條數(shù)據(jù)流。如圖2 所示，一條數(shù)據(jù)流是溯源信息的寫入，另一條數(shù)據(jù)流是溯源信息的回溯。

首先，對養(yǎng)殖場內(nèi)的生豬個(gè)體設(shè)置耳標(biāo)，并且在豬欄內(nèi)設(shè)置傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，通過養(yǎng)殖場的“基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID 標(biāo)識的豬場溯源信息管理系統(tǒng)”將養(yǎng)殖信息存儲于“溯源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”中。在豬養(yǎng)殖直至出欄的一段時(shí)期內(nèi)，檢疫部門的檢疫信息、生豬的醫(yī)療信息等均被存儲在“溯源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”中。生豬出欄后，通過物流進(jìn)入屠宰廠。在這個(gè)過程中，生豬的唯一標(biāo)識是基于RFID 標(biāo)識實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入屠宰廠之后，經(jīng)過屠宰的豬的標(biāo)識將從基于RFID 的標(biāo)識轉(zhuǎn)化為基于二維碼的標(biāo)識。在這之后通過物流生豬進(jìn)入到銷售環(huán)節(jié)。在這一過程中屠宰信息及物流信息均被存儲到“溯源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”中。第一條數(shù)據(jù)流結(jié)束。

第二條數(shù)據(jù)流即生豬信息追溯的流程。消費(fèi)者或賣場管理者對于賣場內(nèi)的豬肉進(jìn)行溯源時(shí)，首先通過二維碼簡單查詢豬肉的來源信息，如果想進(jìn)一步追溯就登陸二維碼中系統(tǒng)鏈接，登陸“生豬質(zhì)量溯源查詢系統(tǒng)”進(jìn)行進(jìn)一步追溯生豬的養(yǎng)殖、檢驗(yàn)檢疫及醫(yī)療等信息，還可以追溯養(yǎng)殖場、屠宰廠以及質(zhì)檢部門的信息，還可以追溯生豬在運(yùn)輸過程中的物流信息。

1.3 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

生豬質(zhì)量溯源查信系統(tǒng)的功能模塊[5]主要包括用戶管理模塊、生豬電子檔案模塊、監(jiān)督檢測模塊和溯源查詢模塊，如圖3 所示。用戶管理模塊除了對注冊及登陸系統(tǒng)的用戶信息管理之外，主要解決不同角色用戶的權(quán)限差異化問題。生豬電子檔案模塊包括對豬本體、養(yǎng)殖場、飼料及醫(yī)療免疫等數(shù)據(jù)的采集與傳輸。監(jiān)督檢測模塊是行政監(jiān)督機(jī)構(gòu)對出欄豬進(jìn)行提交管理數(shù)據(jù)的模塊，主要包括激素類或磺胺類化學(xué)藥品及重金屬殘留的抽檢結(jié)果等。溯源查詢模塊為政府監(jiān)管部門以及消費(fèi)者等不同角色用戶提供不同的查詢服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溯源的流程圖Fig.2 The flowing of traceability system for pig products

圖3 生豬質(zhì)量溯源查詢系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)Fig.3 The module design of traceability system for pig products

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

通過上面對于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)基于RFID 標(biāo)識的設(shè)計(jì)以及二維碼的編解碼設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

2.1 基于RFID標(biāo)識的設(shè)計(jì)

牲畜個(gè)體的身份識別主要是通過基于RFID 的電子標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)的，并且標(biāo)識信息是唯一的。因此，每一個(gè)RFID 標(biāo)識件中攜帶的信息的編碼即ID 號應(yīng)該是唯一的，對動(dòng)物電子標(biāo)簽的編碼應(yīng)遵循2006年農(nóng)業(yè)部頒布的《畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》[6]的規(guī)定和《動(dòng)物射頻識別代碼結(jié)構(gòu)》（ISO11784：1996）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在《畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》中規(guī)定：牲畜的標(biāo)識編碼分為三個(gè)部分：（1）牲畜的類別，用1 位數(shù)字標(biāo)識；（2）行政區(qū)域代碼，用6 位數(shù)字標(biāo)識；（3）同種類牲畜的順序號，由8 位數(shù)字組成標(biāo)識[4]。RFID 芯片在出廠時(shí)所遵守編碼規(guī)范為EPC 碼的編碼規(guī)范，將EPC 編號和RFID 編碼實(shí)現(xiàn)無縫識別，讓兩種編碼在黑盒中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，使用戶在使用過程中只感受到的編碼是唯一的，這也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究，具體的轉(zhuǎn)換過程如圖4 所示。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換之后的RFID 編碼為符合《畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》編碼。在本系統(tǒng)中RFID的形式為耳標(biāo)，某一生豬個(gè)體的RFID 的編碼為“123060202142163”。

圖4 RFID 編碼與EPC 編碼轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)Fig.4 The realization of exchange between RFID code and EPC code

2.2 二維碼的編碼解碼方法

在畜產(chǎn)品流通及消費(fèi)過程中，二維碼發(fā)揮著至關(guān)重要的追溯作用?？紤]到二維碼在追溯系統(tǒng)中的安全性，將二維碼分為兩個(gè)部分，即信息部分和認(rèn)證部分。信息部分為畜產(chǎn)品從養(yǎng)殖到流通環(huán)節(jié)的所有的產(chǎn)品信息，并且采用特別設(shè)計(jì)的二維碼生成及解碼裝置為其服務(wù)。二維碼生成裝置以生豬出欄時(shí)的二維碼生成為例如圖5 所示。該裝置的實(shí)現(xiàn)通過圖片壓縮、圖片數(shù)字化、加密、生成四個(gè)步驟完成。在實(shí)現(xiàn)時(shí)解決了如下幾個(gè)問題：

（1）壓縮后的圖片不影響特征碼的正確提取，在生豬出欄階段為豬場管理者的指紋；

（2）數(shù)字化后的圖片的大小在二維碼能夠表示的字節(jié)范圍內(nèi)；

（3）數(shù)字化后的內(nèi)容為可見的；

（4）選擇合適的加密方法。

圖5 二維碼生成及解碼裝置的實(shí)現(xiàn)Fig.5 The realization of two-dimensional code and decoding

認(rèn)證部分為當(dāng)畜產(chǎn)品流通到一個(gè)新的環(huán)節(jié)時(shí)，需要通過認(rèn)證部分的信息向二維碼生成及解碼裝置進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)證通過后允許將當(dāng)前的二維碼解碼，添加當(dāng)前畜產(chǎn)品的流通信息后再生成新的溯源二維碼。這樣，不僅提高了二維碼使用的安全性，并且在溯源過程中的盡量避免大數(shù)據(jù)查詢及存儲，只有在相應(yīng)的環(huán)節(jié)中的通過專門的讀取和生成裝置進(jìn)行生成和讀取二維碼的操作，用戶通過產(chǎn)品相對應(yīng)的二維碼就可以對產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)追溯。只是追溯到的信息為畜產(chǎn)品的簡單信息，如果想追溯產(chǎn)品的全面豐富的信息也可以通過此二維碼中的信息登陸溯源平臺進(jìn)行查詢。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

以黑龍江大慶 某豬場作為溯源實(shí)例實(shí)現(xiàn)生豬溯源查詢系統(tǒng)，如圖6 所示。當(dāng)物理層的用戶將產(chǎn)品的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層后，數(shù)據(jù)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后寫入數(shù)據(jù)庫，通過軟件服務(wù)層提供的各種溯源查詢功能，應(yīng)用層中的各類用戶就可以使用系統(tǒng)提供的二維碼解碼裝置進(jìn)行解碼并獲得簡單的溯源信息，若有進(jìn)一步查詢需要還可以電腦、手機(jī)等設(shè)備通過進(jìn)行溯源查詢。針對生豬養(yǎng)殖信息的溯源查詢結(jié)果如圖5 所示。

4 結(jié)論

生豬溯源查詢系統(tǒng)的構(gòu)建是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合RFID 編碼和二維碼的編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以豐富生豬產(chǎn)品的溯源信息，促進(jìn)生豬產(chǎn)品的品牌建設(shè)，提升生豬產(chǎn)品的品牌效應(yīng)，推動(dòng)生豬產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；B(yǎng)殖的進(jìn)一步發(fā)展。

圖6 生豬養(yǎng)殖信息的溯源查詢結(jié)果Fig.6 The example of traceability system for pig products

［1］羅遠(yuǎn)明.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的畜產(chǎn)品安全溯源平臺解決方案［C］//中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)信息技術(shù)分會(huì)2012年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)，2012：165-171.

［2］HobbsJE.Informationasymmetryandtheroleoftraceability systems［J］.Agribusiness，2004，20：397-415.

［3］SchwagelEF.Traceabilityfrom aEuropeanperspective［J］.MeatScience，2005，71：164-173.

［4］王雪.基于物聯(lián)網(wǎng)的畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（16）：5318-5319.

［5］熊本海，羅清堯，楊亮，等.基于3G技術(shù)的生豬及其肉制品溯源移動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（15）：228-233.

［6］中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.畜禽標(biāo)識及養(yǎng)殖檔案管理辦法［EB/OL］.（2006-06-29）［2014-05-26］.http：//www.gov.cn/flfg/2006-06/29/content_322763.htm.

［7］張琳芳.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物流系統(tǒng)的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：70-73.