基于二維碼的蔬菜溯源信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李久林等

摘要：提出基于二維碼的蔬菜溯源信息管理平臺(tái)，在對(duì)QR碼糾錯(cuò)編碼算法、QR碼掩膜分析的基礎(chǔ)上，利用PHP進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)整體采用Linux+Apache+MySQL+PHP實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層3層。

關(guān)鍵詞：二維碼；蔬菜；溯源；信息管理平臺(tái)

中圖分類號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0403-03

收稿日期：2014-09-16

基金項(xiàng)目：河北省科技廳建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：14967417D）。

作者簡(jiǎn)介：李久林（1988—），女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事智能檢測(cè)與自動(dòng)控制研究。E-mail：780409623@qq.com。

通信作者：高亮，教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。蔬菜產(chǎn)業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，蔬菜質(zhì)量不僅關(guān)系到人民群眾的身體健康與生命安全，而且對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定具有重大影響。要實(shí)現(xiàn)蔬菜的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，治本之策是要建立完善的蔬菜安全生產(chǎn)追溯平臺(tái)，確保蔬菜生產(chǎn)信息透明化，實(shí)現(xiàn)“從田間地頭到餐桌”的全程質(zhì)量監(jiān)控。追溯平臺(tái)記錄并存儲(chǔ)產(chǎn)品供應(yīng)過(guò)程中各種相關(guān)信息，有助于質(zhì)量控制。20世紀(jì)90年代，在瘋牛病事件的影響下，歐盟開(kāi)始了對(duì)追溯系統(tǒng)的研究[1-3]。近年來(lái)，隨著食品工業(yè)的不斷發(fā)展及人們對(duì)食品安全的重視，許多國(guó)家都開(kāi)始重視食品追溯系統(tǒng)建設(shè)，我國(guó)已建立了一些產(chǎn)品追溯平臺(tái)：如農(nóng)業(yè)部產(chǎn)業(yè)化辦公室、農(nóng)業(yè)部農(nóng)村研究中心主辦的“中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯網(wǎng)”；江蘇省宜興市丁蜀鎮(zhèn)人民政府建立的“農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯平臺(tái)”；浙江省杭州市建立的“肉類蔬菜流通追溯管理平臺(tái)”等。這些追溯平臺(tái)大多內(nèi)容陳雜、使用繁復(fù)、針對(duì)性弱、技術(shù)陳舊[4]。本研究提出基于二維碼的蔬菜溯源信息管理平臺(tái)，使用信息容量大、高速全方位識(shí)讀、糾錯(cuò)能力強(qiáng)的二維碼作為載體，平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)者、加工者、銷售者組成的蔬菜供應(yīng)鏈實(shí)行線上線下同步監(jiān)控，消費(fèi)者通過(guò)二維碼與平臺(tái)可以清楚地追溯到蔬菜的詳細(xì)信息，旨在為保障我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供依據(jù)。

1二維碼技術(shù)

二維碼技術(shù)是針對(duì)一維條形碼數(shù)據(jù)容量小、需要后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)支持等缺點(diǎn)產(chǎn)生的。二維碼可表示文字、圖像、音頻等各種信息，將蔬菜所有階段信息匯總后形成二維碼，碼圖生成方便，無(wú)需硬件設(shè)備。

1.1二維碼編碼

二維碼分為40個(gè)尺寸（1～40），官方稱版本Version。二維碼尺寸公式：（V-1）×4+21（V是版本號(hào)），版本1的大小就是（1-1）×4+21=21，21×21最小的正方形，其二維碼圖如圖1所示。

根據(jù)二維碼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，二維碼編碼流程如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)流確定數(shù)據(jù)編碼的數(shù)據(jù)類型，選擇L/M/Q/H糾錯(cuò)等級(jí)，將這些信息編碼成數(shù)據(jù)塊，填充到功能圖的相應(yīng)位置，添加掩膜，最后將格式與版本信息加到功能圖中形成完整二維碼。QR碼作為二維碼中的1種，是為追蹤汽車零件而設(shè)計(jì)的，由于其具有超高速識(shí)讀、全方位識(shí)讀、能存儲(chǔ)漢字等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1.2QR碼加密算法

為了提高QR碼信息的安全性，采用DES、RSA 2種加密算法的混合算法對(duì)二維碼進(jìn)行加密。DES加密算法是將信息分組，分組后的信息再加密。RSA算法是1種公開(kāi)的密鑰算法，它能產(chǎn)生2把密鑰，1把用來(lái)加密，1把用來(lái)解密。本研

究結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了DES-RSA混合加密算法。 運(yùn)用DES算法對(duì)二維碼明文信息加密，再用RSA加密DES的密鑰（圖3）。

1.3QR碼糾錯(cuò)編碼算法

QR碼在生產(chǎn)流通中會(huì)出現(xiàn)破損、污染等問(wèn)題，對(duì)二維碼識(shí)別產(chǎn)生直接影響，因此選擇好的糾錯(cuò)算法極其重要。本研究設(shè)計(jì)的平臺(tái)應(yīng)用RS（reed solomon）錯(cuò)誤控制碼，在QR中利用糾錯(cuò)能力極強(qiáng)的RS碼最高可以糾錯(cuò)30%的錯(cuò)誤碼。以q作為素?cái)?shù)的有限伽羅華域（galois field，GF）記作GF（q），若a滿足aq-1=1，a作為GF（q）的本原元，組成循環(huán)群G（a）：a0，a1，a2，…，aq-1。那么如果糾正k個(gè)錯(cuò)誤的RS碼生成多項(xiàng)式為g（x）=（x-a）（x-a2）（x-a3）…（x-a2k），信息碼的多項(xiàng)式為d（x）=d0+d1x1+d2x2+d3x3+…+dn-1xn-1。RS編碼后的多項(xiàng)式為h（x）=x2kd（x）+x2kd（x）modg（x），式中x2kd（x）是原始碼部分，x2kd（x）modg（x）是糾錯(cuò)碼的部分。

1.4QR碼掩膜

QR碼的掩膜就是對(duì)QR碼做Masking操作，主要是針對(duì)碼圖出現(xiàn)大面積的空白或黑塊、點(diǎn)不均衡導(dǎo)致掃描識(shí)別碼圖困難的問(wèn)題，這里的Mask操作是對(duì)生成的圖做XOR（異或）操作。二維碼Mask過(guò)程如圖4所示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體框架

蔬菜溯源信息管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)蔬菜土地、種植戶、農(nóng)資、加工、質(zhì)檢等信息的信息化，并將其數(shù)據(jù)集成，生成二維碼溯源標(biāo)簽，消費(fèi)者用手機(jī)掃描二維碼查詢蔬菜信息，通過(guò)平臺(tái)同樣可以查詢。該平臺(tái)的建立增強(qiáng)了蔬菜從種植到最終消費(fèi)這一過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性及數(shù)據(jù)共享能力，利用信息化手段使得蔬菜信息更加透明化。系統(tǒng)功能流程圖如圖5所示。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用B/S 3層架構(gòu)，即表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層[5-7]。各層間互相分離，最低限度降低了功能模塊間的耦合性，如果變更業(yè)務(wù)需求，無(wú)需對(duì)所有代碼進(jìn)行修改，只需對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)應(yīng)用UML進(jìn)行統(tǒng)一建模。信息管理平臺(tái)層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2.1表現(xiàn)層設(shè)計(jì)表現(xiàn)層面向用戶，用于顯示數(shù)據(jù)及接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供可操作的、友好的、可見(jiàn)的功能界面。系統(tǒng)利用laravel框架提供的豐富界面模板進(jìn)行設(shè)計(jì)。用戶輸入請(qǐng)求后，將顯示結(jié)果通過(guò)客戶端顯示給用戶。通過(guò)用戶接口，為政府、企業(yè)內(nèi)部用戶提供信息管理系統(tǒng)，用于政府監(jiān)管及蔬菜生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息管理。endprint

2.2.2業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)表現(xiàn)層發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，通過(guò)HTTP/HTTPS協(xié)議與表示層通信，而且可以與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，分為控制層、服務(wù)層、訪問(wèn)層3個(gè)子層次。業(yè)務(wù)邏輯層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要是業(yè)務(wù)對(duì)象的位置以及應(yīng)用于業(yè)務(wù)對(duì)象的規(guī)則。它的任務(wù)是接受表現(xiàn)層的請(qǐng)求，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則處理請(qǐng)求，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，將結(jié)果傳回表現(xiàn)層。從業(yè)務(wù)功能上，系統(tǒng)分為蔬菜生產(chǎn)者檔案管理子系統(tǒng)、蔬菜溯源查詢子系統(tǒng)、蔬菜安全健康生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化子系統(tǒng)、政府監(jiān)管子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

2.2.3數(shù)據(jù)訪問(wèn)層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)，也就是

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、存儲(chǔ)、檢索、維護(hù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)層的核心，通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口與表現(xiàn)層、邏輯層進(jìn)行交互，即數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器處理完成后將庫(kù)中數(shù)據(jù)反饋給業(yè)務(wù)邏輯層，業(yè)務(wù)邏輯層完成處理后，將結(jié)果發(fā)送到表現(xiàn)層顯示給用戶。

3蔬菜溯源信息管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

蔬菜溯源信息管理平臺(tái)應(yīng)用PHP進(jìn)行開(kāi)發(fā)，選擇apache作為WEB應(yīng)用服務(wù)器，選擇Mysql作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，采用B/S架構(gòu)部署實(shí)現(xiàn)交互，利用HTTP實(shí)現(xiàn)用戶與服務(wù)器之間的通信協(xié)議，敏感數(shù)據(jù)采用HTTPS進(jìn)行通信。平臺(tái)包含了蔬菜全面的安全生產(chǎn)信息，并且對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、提供安全保障。應(yīng)用二維碼技術(shù)使得人們可以方便快捷地查詢蔬菜信息。本平臺(tái)不僅為政府對(duì)監(jiān)管蔬菜提供了技術(shù)手段支持，而且規(guī)范了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)行為，還保障了消費(fèi)者權(quán)益。平臺(tái)的主要界面如圖8所示。

4結(jié)論

本研究探討QR碼的糾錯(cuò)碼算法及掩膜方法，采用B/S 3層架構(gòu)，結(jié)合laravel框架構(gòu)建了系統(tǒng)的表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層結(jié)構(gòu)，初步構(gòu)建了蔬菜“從田間到餐桌”的信息溯源管理平臺(tái)，對(duì)蔬菜從土地、種植戶、農(nóng)資、加工到質(zhì)檢等信息實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理與儲(chǔ)存，通過(guò)信息容量大的QR二維碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蔬菜生產(chǎn)信息的追溯。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊信廷，錢建平. 蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（3）：162-166.

[2]劉英，陳歷程. 歐盟及美國(guó)的“溯源性”：牛肉生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]. 食品科學(xué)，2003（8）：182-184.

[3]Opara L U. Traceability in agriculture and food supply chain：A review of basic concepts，technological implications，and future prospects[J]. Journal of Food Agriculture & Environment，2003，1（1）：101-106.

[4]魯洪軍. 淺談二維碼識(shí)別在防偽系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用 2012（22）：127，16.

[5]何祖軍，尚明玲. 基于DES和RSA的組合加密技術(shù)在綜合船橋系統(tǒng)中的研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程 2009，7（9）：1729-1733.

[6]徐秀敏，郝赫，曹占峰，等. 基于三層B/S的規(guī)劃計(jì)劃信息管理平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（4）：51-54，78.

[7]陳麗，劉彤. 通用物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2013（2）：52-54，58.梁文東，蔣益敏. 基于MATLAB的玉米果穗顆粒統(tǒng)計(jì)方法[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：406-408.endprint