基于物聯網的果蔬產品溯源系統編碼技術研究與實現

濮永仙

摘要：針對生鮮果蔬種植分散、標準難以統一、溯源渠道不暢的問題，探索了1種企業與農戶合作的模式，設計并開發了生鮮果蔬產品質量安全溯源系統。系統依據生鮮果蔬產品供應鏈特點，采用RFID標簽與一維碼、二維碼相結合的混合編碼模式，應用物聯網、數據庫等技術，開發了具有網絡管理、條碼打印、產品查詢、智能手機管理等多功能的產品質量安全溯源系統。通過物聯網技術，可自動采集環境信息，以及攝像頭或手機拍攝的圖像，上傳至服務器，作為產品的原始信息。最終采用二維碼溯源，實現果蔬產品在種植、收購、檢測、加工等環節的信息追溯。這為果蔬生產建立了統一標準，為市場增強了產品透明度，形成一個具有3方滿意及消費者參與監督、評價的溯源服務平臺。

關鍵詞：果蔬；物聯網；溯源系統；編碼技術

中圖分類號： S126文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0414-05

生鮮果蔬能為人體提供多種維生素，是人們每天的生活必需品。近年來，果蔬類產品安全事故頻繁發生，某些生產者、運營商法律意識與衛生意識淡薄，濫用農藥、化肥等，致使產品中藥物殘留、重金屬等有害物質超標事件時有發生。李克強總理在2015年的兩會政府工作報告中提出，要“最嚴格的立法和監管”保障食品安全。全國人大代表鄭杰認為，中國急需研究高效統一的編碼標志，應用信息技術，完善食品溯源體系[1]，使其在生產、運輸等環節有統一標志，使有問題食品可溯源。溯源系統是指對商品從生產到銷售各環節信息進行記錄及存儲，當產品出現質量問題時能夠追溯到出現問題的環節，實施有針對性懲罰，必要時對產品召回，以此提高產品質量的追溯信息系統[2]。

歐盟在1997年就開始研究農產品溯源系統[3]。在2002年歐盟頒布了178/2002號法令，要求自2004年起在歐洲范圍內銷售的食品，要求能夠被追溯。2004年美國頒布了《食品安全跟蹤條例》，要求任何需加工、運輸等相關環節的企業都要建立食品流通全過程的記錄[2]。日本除了制定相應的法規外，在零售階段，還要求大部分超市安裝產品溯源終端[4]。英國政府建立了基于互聯網的家畜跟蹤系統（CTS）[5]。國外在溯源系統研發方面有，在西紅柿、草莓、馬鈴薯等[6-8]的種植中，分別采用傳感器、機器人采集環境信息，進行農事操作（澆水、施肥等），并開發了相應的溯源信息管理系統。

中國物品編碼中心在2007年開始啟動中國條碼實施工程，在上海、武漢等地試行，2008年提出要全面推行農產品可追溯系統[9-10]。國內的溯源系統研發起步較晚，但目前已有不少成果[11-17]。因我國機械化程度不高，果蔬種植乃以農戶分散種植為主，這致使種植標準難以統一，整體質量難以保證，溯源渠道不通暢等問題。雖然國內學者在食品安全方面進行了大量研究，但大多局限于定性討論，針對生鮮果蔬溯源的較少，尤其是對生產質量控制體系方面的溯源缺乏全面探討。

物聯網是用射頻識別（RFID）、紅外感應、GPS、無線通訊等技術，按照一定協議把不同的設備與互聯網連接，實現物與物、人與物之間的信息交換，以實現對物體智能化的識別、定位、跟蹤、監控、管理的一種網絡[18-19]。將物聯網用于農產品安全問題追溯，能起到識別、跟蹤、監控等作用。本研究在借鑒國內外溯源基礎上，根據我國生鮮果蔬種植特點，探討了一種農戶與企業合作的生產模式，采用EPC、RFID、二維碼及一維碼的混合編碼標志，應用物聯網、數據庫等技術，構建了基于物聯網的生鮮果蔬產品質量安全溯源系統。這既為我國放養式生鮮果蔬生產提供統一標準，使果蔬產品在生產、收購、加工等關鍵環節的質量得以控制，追溯問題果蔬有了源頭，又有利于我國農業生產的標準化。

1材料與方法

1.1溯源對象

生鮮果蔬類產品，一般是由種農戶種植、采收后批量賣給銷售商，再通過銷售商進入市場，這就很難監控產品質量，一旦有問題的果蔬進入市場，其源頭將無法定位。因此，只有準確記錄果蔬產品在每個環節的信息，當有問題時才能準確找到問題根源。針對生鮮果蔬這類產品特性，其關鍵環節是基本質量控制、收購標準、運輸管理及消費者權益等幾個方面。創建的生鮮果蔬產品質量安全溯源系統，應包含產品標志、數據庫和信息傳遞3個基本要素。本研究的溯源對象是生鮮的果蔬約30個品種，系統使用者分為企業管理員、加盟的果蔬種植戶和消費者共3類。

1.2溯源編碼設計

本研究依據《EPC電子產品編碼》、《EAN/UCC系統應用標識符》、《農產品追溯編碼導則》及《信息分類和編碼的基本原則與方法》的相關規定，采用RFID識別與一維碼、二維碼相結合的混合標簽模式，作為生鮮果蔬產品溯源的信息載體，對種植、收購、加工、運輸、倉儲及追溯環節進行編碼。EPC系統是由國際物品編碼協會（GS1）提出的一種新的編碼規則，它與EAN/UCC編碼體系相兼容，具有容量大、安全性好、可擴展性強等特點[20-21]。因RFID標簽不受光線、溫濕度及其他惡劣自然環境的影響，因此生鮮果蔬產品在種植、采摘等環節可用RFID進行標志。如在果蔬種植時將地塊或農戶編號，利用EPC編碼規則生成1個編碼，并分配RFID標簽，將作物的基本信息、農事操作及無線傳感器收集的信息都標志到其中。收購時，工作人員只需掃描產品對應的射頻卡，讀取其中信息，對收購信息更新。因一維碼成本低，二維碼具有編碼容量大、方便手機掃描等優點，在其他環節采用EAN/UCC規則與QR技術實現一維碼與二維碼標簽進行標志。生鮮果蔬產品在各環節的編碼流程見圖1。

系統依據優化生產流程，在各關鍵環節增加數字化的同時，將各種編碼融為一體。在流程中，每個編碼必須具有承上啟下的功能，至少承載相鄰2個環節之間的信息，在數據庫中，相鄰環節之間的信息采用關鍵字連接。以下介紹各環節編碼格式。

1.2.1種植標至編碼采用RFID標簽技術對種植地塊進行標志，并將每塊種植地與數據庫中的基本信息、農事操作、環境信息等對應。RFID標簽利用二進制數據存儲個體標志信息，包括3個部分：96位EPC碼、24位的Kill碼（出于安全的考慮用于破壞RFID卡內信息）和16位的CRC（循環冗余）校驗碼。利用EPC編碼信息規范中的GID-96編碼格式24位十六進制標志，具體編碼結構見圖2。種植編碼=產地代碼（6位）+管理者代碼（2位）+種植項目代碼（6位）+生產批號（8位）。其中，地塊劃分以種植時間、種植品種、生產措施相對一致的地理區域為同一地塊，產地編碼由6位組成，前4位為基地編號，后2位為該基地不同的地塊編號。批號用8位表示，6位標志種植日期，2位標志順序號。其中，年的編碼范圍為00～99，月的范圍為01～12，日的編碼范圍為01～31。

1.2.2收購標志編碼收購編碼采用GTIN-14編碼結構，結合應用標識符（AI）對生鮮果蔬編碼，采用GS1-128條碼標準打印，將其張貼到包裝上的固定位置，具體格式見圖3。該編碼通過產地編碼或交易號與種植編碼標志間建立關聯，在標簽上能查到準確的種植信息。其中，加工批號（AOT）由加[CM（25]工日期（如160123）與2位流水號組成，規定同一地塊、同[CM）]

一類產品、同一采收日期為同一批次。

1.2.3物流標志編碼果蔬物流編碼利用SSCC-18編碼標志，并用GS1-128條碼標準打印。SSCC-18編碼結構由18位十進制編碼組成，具體編碼格式見圖4。其中，N1是擴展位，表示包裝類型，由建立SSCC的廠商統一分配，取值范圍為0～9。第8位至第17位為系列號，由生產商根據當天的流水號分配唯一編碼；最后一位為校驗位，由系統根據校驗規則自動生成。

1.2.4倉儲編碼倉儲編碼標志反映的是產品倉儲的位置，其信息來源是倉儲操作。具體編碼格式采用GIN-13，倉儲編碼由廠商識別碼和位置識別碼組成，具體見圖5。

[FK（W5][TPPYX5.tif][FK）]

1.2.5溯源碼溯源碼是消費者對產品各環節信息進行追溯的標志碼。溯源碼信息包含果蔬的種植、收購、加工企業、加工檢測、加工日期、加工批次等關鍵信息。本系統采用QR二維條碼作為生鮮果蔬產品溯源碼，廠商為每批出廠的果蔬分配具有唯一性的二維編碼。消費者購買到產品后，利用智能手機掃描包裝上的二維碼，通過溯源數據管理平臺響應，對二維碼解碼、驗證后，將在溯源信息數據庫中檢索到產品相關數據回傳至消費者的手機上。圖6為以茄子為例的整體編碼實例，其中，圖6-a為種植編碼，圖6-b為運輸編碼，圖6-c為存儲編碼，圖6-d為收購加工編碼及QR二維溯源碼。

1.3溯源功能模塊

為滿足溯源需求，便于數據共享及后期維護，以及增強其可擴展性，在系統設計時采用統一的數據流程，并采用相應的

措施控制數據的流向，使其統一和規范[22]。在此基礎上，以組件的方式開發了生鮮果蔬產品質量安全溯源系統。系統由網絡管理平臺、短信管理平臺、智能手機管理平臺、條碼打印系統、查詢機軟件和查詢網站共6個功能模塊組成，見圖7。針對不同用戶，提供不同級別的密鑰，用戶登陸后，先判定用戶的類型，然后給予分配相應的功能模塊。

1.4開發環境及工具

系統采用B/S體系構架，該體系構架的兼容性較強，可滿足不同地域的用戶同時使用[23]。系統開發語言有：Java JDK6、Eclipse SDK 3.3.2、My Eclipse 6.0.1、ASP和Html。數據庫選用Microsoft SQL Sever2005。服務器運行環境：Windows Sever2003、Apache-Tomcat 6.0。

1.5信息供應鏈

生鮮果蔬產品供應鏈主要包括：種植、收購加工、運輸、銷售等環節，將這些環節建立信息鏈，為果蔬產品質量安全溯源提供數據支撐。各環節之間通過編碼標志進行鏈接，在保證各階段溯源信息真實的同時，確保整個信息鏈的完整。生鮮果蔬產品溯源信息鏈的邏輯關系見圖8。

1.5.1種植階段對于簽約農戶而言，除了需對基地土壤、水質等進行檢測外，還需解決2個基本問題：一是果蔬產品的田間信息記錄；二是果蔬產品的環境信息記錄。問題一，通過在田間安裝RFID標簽記錄卡實現，每次進行田間操作后，操作員記錄當天的具體農事操作情況，如20160104，某人，噴灑殺蟲劑20 mL；問題二，通過基于物聯網的環境信息采集系統實現，該系統通過太陽能供電，利用ZigBee自組網特性[24]，實時記錄田間環境信息（如溫度、空氣濕度、光照、土壤濕度等），通過GSM網關發送到遠程服務器，為果蔬產品溯源提供源頭信息。

1.5.2收購加工階段收購果蔬產品時可能會存在2種情況：一是簽約農戶采用標準化種植的產品，此類產品具有標準的種植信息，在采購時只需審核錄入即可；另一類是分散種植的非標準化產品，這類產品的種植信息可能不完整，需對產品進行檢測，合格后建立交易號，并記錄收購時間、地點、交易人、經手人等信息。在產品加工處理階段需解決2個基本問題：一是果蔬產品的保鮮；二是果蔬產品的包裝。產品在采購后，經檢驗合格，應立即預冷處理，在5 ℃溫度下進行清洗、分級、裝箱等處理。果蔬產品在收購加工階段的溯源標簽在包裝前預先打印好，方便操作員快速包裝，并記錄加工時間、經手人、加工地點、農藥殘留檢驗等關鍵信息。

1.5.3運輸階段該階段需將運輸編號與產品批次號相關聯，并對產品的生產者、參與者進行記錄。利用GPS自動記錄運輸車輛的出發地和目的地，并最大限度保障果蔬產品運輸環節的安全性。在運輸途中，需配備環境信息采集設備，對果蔬在運輸環境中的信息（如溫濕度、CO2濃度等）進行實時感知，并通過GPRS上傳至數據庫中，以備溯源。

1.5.4銷售階段對所有記錄在案的果蔬產品進行認證，并貼上專門設計的生鮮果蔬產品溯源標簽，為消費者現場查詢。

2結果與分析

2.1自動采集環境信息

把設施監控系統與溯源系統有機結合起來，從一定程度上解決了產品質量追溯的源頭信息。利用物聯網技術，通過在果蔬種植大棚內安裝各種傳感器、攝像頭、可控設施等，用以監測與調控棚內溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度，以及各種養分等參數。如當溫濕度或水分不符合作物生長需求時，向管理者報警，并自動開啟棚內設施，調節溫濕度、澆水等，使作物生長在最佳的環境中。各種傳感器、攝像頭獲取到的環境參數、視頻、圖片等信息，通過ZigBee網關，再通過3G、GPRS等網絡傳至遠程服務器中，這些數據經整理后，存入指定的溯源數據庫，為最終的果蔬產品溯源提供重要的源頭信息。通過物聯網實時感知技術，除了可對種植基地環境信息采集外，還可對加工、運輸及倉儲的環境信息實時感知，采集到的信息被處理后進行無線傳輸，通過服務器的上位機程序接收，并寫入溯源數據庫。

2.2原始檔案電子數字化

將果蔬種植、采購、加工等過程進行人工檔案記錄。

（1）記錄種植基地所購買的農藥、化肥等基礎資料，并注明相應的生產商及其聯系方式。

（2）對與企業簽約的農戶，在種植基地安裝傳感器和RFID設備，農戶利用設備進行簡單的信息采集及錄入，在收購時企業工作人員對農戶采集的基本信息進行審核，通過后導入到溯源系統數據庫中。

（3）在收購階段，記錄采購時的時間、地點、數量以及對應果蔬檢測的農藥殘留情況，有種植編碼的可直接錄入相應的收購信息，而對于沒有種植碼的，需要先建立相應的交易號，再錄入收購信息，以便收購后可查。

（4）在加工階段，工作人員需對收購合格的果蔬產品進行再次質量檢測，記錄產品的名稱、加工日期、加工方式，以及加工檢測結果等。最大限度保障加工過程中責任到人，在保留原始憑證完整性、真實性和有效性的基礎上，由專人錄入數據并拍照存檔，實現加工檔案的電子化。

（5）在運輸及倉儲時，產品的運輸會涉及很多復雜的問題，但是一般的運輸管理都包括運輸區間、運輸方式、運輸過程，以及倉儲時間、位置等，這些信息都須錄入溯源數據庫中。

2.3信息的快速錄入

由于系統是通過組件式開發的，所以溯源系統允許在條碼打印時，自動錄入固定信息。在3G、4G網絡覆蓋范圍內，生產責任人、質檢人員可利用智能手機實時添加或拍攝該批次產品的生產記錄、日常農事操作記錄、產品質檢報告等各種操作信息，以文字、圖片、音頻、視頻等文件的形式上傳至溯源數據中，可提高工作效率并節省操作時間。

2.4消費者溯源信息

消費者在購買到貼有溯源標簽的生鮮果蔬產品時，可通過網絡、短信、電話、手機掃描識讀等方式查詢產品在種植、收購、加工、運輸等環節的信息，實現對生鮮果蔬產品從種植到銷售全程的追溯。消費者通過該溯源系統，除了可查詢產品的基本文字信息，驗證產品真偽，舉報偽劣產品，留言評價產品外，還可通過輸入涂層中的驗證碼，使該二維碼失效，防止偽造標簽，以及在線觀看產品生產現場的監控視頻及圖片，監督果蔬產品的生產。

2.5應用效果

系統通過使用物聯網、混合編碼、互聯網、數據庫等技術，實現了生鮮果蔬產品從種植到銷售各環節的追溯標志，生產過程的電子化監管，能夠唯一確定產品在產前、產中和產后的安全信息，實現了從農田到餐桌多維安全信息的追溯。開發的系統功能完善、界面友好、性能穩定，該系統在云南德宏的一些果蔬溯源系統中試用，用戶反映較好。該系統在企業和消費者之間搭建起了橋梁。企業可通過該系統向消費者宣傳品牌產品，提升品牌價值，同時提高企業知名度。消費者通過該系統可監督果蔬生產，并獲取令人放心、高品質的綠色果蔬產品。通過該系統，既監督企業的行為，也保障了消費者的權益，如消費者通過該系統可查詢果蔬產品在種植、運輸、收購、加工甚至施肥、用藥等各方面的信息，這樣消費者既是受益者又是監督員，也約束了種植戶與企業的行為。

3結語

本研究在借鑒國內外同類技術[25-26]基礎上，針對生鮮果蔬產品生產的特點，采用RFID、一維碼及二維碼標簽的混合編碼模式，應用物聯網、數據庫、互聯網等技術，設計并創建了生鮮果蔬產品質量安全追溯系統。系統能夠實現生鮮果蔬產品從種植到銷售全過程的監控與信息存儲，方便消費者對產品質量進行追溯和對生產過程進行監督。在實際推廣應用中，用戶反映良好，一方面保障了消費者對產品的知情權，另一方面，增加了果蔬產品的信任度和附加值。本系統探討了一種企業與農戶合作的果蔬生產模式，以新技術為向導，致力于實現農戶增收、企業獲利的雙贏局面。為果蔬產品在生產、銷售過程中的信息化水平提供了支撐平臺，在方便消費者溯源的同時，也為企業和監管部門對農產品供應鏈管理提供了優質、高效的服務平臺。

參考文獻：

[1]趙曄嬌.人大代表聚焦食品安全呼吁完善食品追溯體系[EB/OL]. （2015-03-07）[2015-03-14]. http：//news.xinhuanet.com/info/2015-03/07/c_134044117.htm.

[2]Smith C C，Tatum J D，Belk K E，et al. Traceability from a US perspective[J]. Meat Science，2005，71：174-193.

[3]申廣榮，趙曉東. 關于農產品安全體系建設的思考[J]. 上海交通大學學報：農業科學版，2005，23（1）：77-83.

[4]Massimo B，Maurizio B，Roberto M.Fmeca approach to product traceability in the food industry [J]. Food Control，2006，17：137-145.

[5]Hobss J E. Information asymmetry and the role of traceability systems [J]. Agribusiness，2004，20：397-415.

[6]Arima S，Shibusawa S，Kondo N. Traceability based on multi-operation robot； information from spraying，harvesting and grading operation robot[C]. 2003.[HJ1.75mm]

[7]Hertog M，Yudhakusuma R F，Snoekx P. Smart traceability systems to satisfy consumer expectations [J]. Acta Horticulturae，2008，768：407-415.

[8]Porto S，Arcidiacono C，Cascone G. Developing integrated computer-based information Systems for certified plant traceability：Case study of Italian citrus-plant nursery chain [J]. Biosystems Engineering，2011，109（2）：120-129.

[9]徐飛鵬. 本市食品安全追溯系統建設工作正式啟動[EB/OL]. （2007-03-19）[2012-10-21]. http：//www.beijing.gov.cn/index.php.[ZK）]

[10]李永生. 農墾試行無公害農產品質量追溯系統EB/OL. （2010-03-01）[2012-10-21]. http：//www.safetyfood.gov.cn/ index.php.

[11]劉宇傳，高紅梅，張曉林. 移動式農業可追溯數據結構的開發與應用[C]. 第八屆亞洲農業信息技術大會會議論文集，2012.

[12]張鑒滔，劉翔，史舟. 馬鈴薯質量安全管理及溯源信息系統的設計與實現[J]. 農業網絡信息，2011（12）：46-48.

[13]馮天忠. 基于無線射頻識別技術的果蔬安全供應鏈系統的構建[J]. 德州學院學報，2012（3）：30-34.

[14]張浩，許慎思，劉蕊. 射頻識別技術在果蔬冷鏈物流管理中的應用研究[J]. 物流技術，2014（7）：348-353.

[15]劉鵬，屠康，侯月鵬. 基于射頻識別中間件的糧食質量安全追溯系統[J]. 農業工程學報，2009，25（12）：145-150.

[16]許吉斌，李少波，潘偉杰，等. 特色食品的RFID編碼策略研究及應用[J]. 計算機工程與設計，2013（2）：716-720.

[17]白紅武，孫愛東，陳軍，等. 基于物聯網的農產品質量安全溯源系統[J]. 江蘇農業學報，2013，29（2）：415-420.

[18]International Telecommunication Union. ITU Internet Reports2005：TheInternet of Things[R] .Geneva：ITU，2005.

[19]寧煥生. RFID重大工程與國家物聯網[M]，北京：機械工業出版社，2010：48-52.

[20]劉成生. 基于EPC標準的農產品溯源平臺設計與實現[D]. 北京：中國科學院大學，2014.

[21]周江，劉伯睿. 基于Android 的產品追溯系統[J]. 軟件，2013，34（5）：33-34.

[22]杜曉萌，唐碧華，吳帆. 基于Android 終端的物聯網物流管理系統的設計與實現[J]. 軟件，2013，34（12）：26-31.

[23]王冬. 基于物聯網的智能農業監測系統的設計與實現[D]. 大連：大連理工大學，2013.

[24]蘭宏鐘，羅紅. 基于ZigBee的無線傳感器網絡管理系統的研究與設計[J]. 軟件，2013，34（1）：30-33.

[25]位自友，張立新. RFID在種子質量安全溯源系統中的應用[J]. 江蘇農業科學，2014，42（8）：397-399.

[26]李久林，亮，劉君，等. 基于二維碼的蔬菜溯源信息管理平臺的設計[J]. 江蘇農業科學，2015，43（2）：403-405.