廣西外向型蔬菜質量溯源系統開發與應用

曾志康 李敏 韋健 郭元元 莫小香 鐘翠 覃澤林

摘要?根據廣西外向型蔬菜產業質量安全溯源和監管需求，集成RFIP技術、Web、BDS和傳感器技術等，詳細設計了蔬菜質量溯源系統總體架構和農業投入品管理、模型管理、生產管理、生產環境信息監測、倉儲管理、加工流通、質量安全保障、溯源查詢等系統功能模塊，研發了廣西外向型蔬菜質量溯源系統，并在相關蔬菜種植企業進行推廣應用，為廣西外向型蔬菜產業健康發展提供了一種溯源解決方案。

關鍵詞?外向型蔬菜;溯源系統;架構設計;系統研發;RFID

中圖分類號?S-058?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）09-0225-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.061

Abstract?According to the requirements of quality and safety traceability and supervision of export-oriented vegetable industry in Guangxi， the overall architecture of vegetable quality traceability system and the system function modules of agricultural inputs management， model management， production management， production environment information monitoring， storage management， processing and circulation， quality and safety assurance， traceability query were designed in detail by integrating RFID technology， web， BDS and sensor technology， so as to provide a traceability solution for the healthy development of Guangxi export-oriented vegetable industry.

Key words?Export-oriented vegetables;Traceability system;Architecture design;System development;RFID

廣西地處亞熱帶季風氣候區，非常適合發展蔬菜產業。全區列入國家蔬菜產業重點縣（區）的有26個，也是我國冬春季蔬菜供應保障的重點區域[1]，更是我國重要的供港澳和南菜北運蔬菜生產基地[2]，其中以秋冬菜種植為主體的外銷型蔬菜生產約占全年總量的70%[3]。廣義的廣西外向型蔬菜實際以外銷型蔬菜為主，蔬菜產品主要銷往粵港澳和北方市場。2018年，廣西蔬菜（含菜瓜）播種面積143.97萬hm2，占農作物總播種面積的24.1%[4]，超過水稻和甘蔗，位居第一，在廣西農業經濟中占有重要的地位。

在國家部委支持下，我國農產品溯源系統研究應用取得顯著進展，形成了政府農業部門搭建共性系統、企業主體搭建個性系統的局面。作為農產品溯源系統的重要組成部分，蔬菜溯源系統一直倍受專家學者和消費者關注[5-9]。當前蔬菜溯源系統研究主要集中在如何采集、存儲、傳遞、使用、管理和快捷查詢蔬菜生產過程的數據和信息。要使溯源深入到蔬菜產業種植、流通和加工環節，需要將各種信息技術有機結合起來開展應用，讓消費者能夠全面了解蔬菜生產的全環節信息。涉及技術主要包括物聯網技術、Web網站開發技術、數據庫技術、QR Code二維條碼技術、RFID技術、Web Service技術、BDS、Android終端系統等。雖然多項蔬菜溯源技術的應用為消費者快速查詢蔬菜質量信息提供了快捷通道，但卻局限在生產階段的追蹤，而蔬菜產業后端的包裝、貯藏、加工、運輸、銷售等環節由于流動性大、技術難度高、涉及面廣等問題難以實現追溯。因此，針對廣西外向型蔬菜產業特點，加快蔬菜質量溯源系統的建設和完善， 實現全種植周期的流程梳理和科學合理的關鍵點管控，全方位監控外向型蔬菜安全生產尤為緊迫。鑒于此，筆者根據廣西外向型蔬菜產業質量安全溯源和監管需求，集成RFIP技術、Web、BDS和傳感器技術等，詳細設計了蔬菜質量溯源系統總體架構和農業投入品管理、模型管理、生產管理、生產環境信息監測、倉儲管理、加工流通、質量安全保障、溯源查詢等系統功能模塊，研發了廣西外向型蔬菜質量溯源系統，并在相關蔬菜種植企業進行推廣應用，為廣西外向型蔬菜產業健康發展提供了一種溯源解決方案。

1?系統設計

1.1?系統需求分析?系統功能需求上，根據外向型蔬菜產業鏈更長、環節更多等特點，針對蔬菜生產溯源需求，制定蔬菜生產、加工、流通、銷售和質量安全信息采集規范，建立蔬菜生產和質量安全控制體系，應用信息技術手段實現蔬菜信息的全程跟蹤。①開發蔬菜投入品管理、種植管理、加工管理、銷售流向管理、檢測管理、追溯信息查詢管理等功能，實現從田間到市場環節的信息記錄與查詢。②開發采用當前主流技術，采用扁平化設計理念，提高自動化程度，簡化用戶操作流程，具備良好的客戶使用體驗。③采用“云服務”的設計模式，用戶無須安裝和部署任何軟件與系統，即可實現蔬菜產品信息的溯源。

④開發農殘檢測儀數據上傳接口，實現檢測數據自動上傳，并鎖定上傳數據不可更改。⑤支持移動端藍牙連接打印機，通過手機APP移動終端打印溯源二維碼標簽。⑥支持相關信息數據查詢和展示，根據不同基地的溯源內容展示不同的農業種植信息和產品溯源信息。⑦要求可適配物聯網環境數據采集設備、土壤墑情采集設備、水肥一體化控制設備、視頻監控設備等，實現設備數據與系統的無縫對接。⑧要求設計PC端和移動端版本，管理人員使用PC端進行管理與統計，信息采集錄入人員使用移動端進行生產等信息登記，實現蔬菜溯源內容的“二屏合一”。

1.2?系統架構設計?蔬菜質量溯源系統總體分為應用層、接口層、業務層、數據層、傳輸層、感知層、設備層，系統總體設計架構如圖1所示。

應用層以用戶使用的各類功能為主，直接為用戶提供服務，包括普通用戶日常信息錄入、審核人員對信息的維護與管理、生產批次管理、二維碼管理、系統維護等功能。

接口層負責各類軟件設備接口的具體實現，可實現展示數據對接、移動端接口對接、傳感器設備對接等，作為系統內外數據傳輸的通道。

業務層是溯源系統整體流程的具體實現，是系統的核心部分，負責完成流程的管理與控制、各個功能的實現、數據的處理與校驗，對數據層、接口層和應用層具有承上啟下的作用。

傳輸層主要用于感知設備的數據傳輸，負責傳遞系統對傳感器或控制器下達的控制指令，以及傳輸傳感器回傳的數據。

感知層主要由各類傳感器構成，傳感器的作用是識別物質和采集數據，可測量蔬菜生產過程中種植環境、加工環境、倉儲運輸環境的各項數據。

設備層由溯源過程中使用到的各類輸入輸出設備組成，一般包括二維碼打印機、手持信息錄入終端、條碼掃描儀、農殘檢測儀等設備。

1.3?系統總體設計?通過對蔬菜生產過程涉及的數據、流程和業務進行分析，對系統的功能分布、數據走向、整體結構進行層次化和結構化設計。溯源信息以種植批次為中心，積累整個蔬菜生產過程中所產生的各類信息，最終形成完整的溯源信息，并以二維碼的形式呈現于產品外包裝上，提供PC端查詢與移動端掃碼查詢兩種溯源信息查詢方式。系統總體結構如圖2所示。

2?系統實現

2.1?功能模塊設計

2.1.1?農業投入品管理模塊。投入品管理模塊針對蔬菜種植過程中的投入品實際使用情況進行開發，涉及供應商、投入品與投入品使用情況3個方面，包括投入品供應商資質審核與備案、投入品準入審核與備案、投入品采購記錄監管、投入品倉儲記錄、投入品使用記錄等功能。通過信息化技術實現對蔬菜生產商、生產投入品等蔬菜產品生產要素的監管，確保蔬菜生產基礎投入的安全性。具體業務流程如下：①用戶在系統內提交投入品供應商的資質信息與其他審核材料進行備案。②系統管理運營方審核供應商資質。③根據系統的投入品模型添加農業投入品。④系統管理運營方審核投入品信息。

2.1.2?模型管理模塊。模型管理模塊負責制定各個環節的數據內容、數據格式與環節流程，具體可分為投入品模型、生產模型、加工模型、銷售模型等，可作為各環節中數據錄入界面生成的依據以及接口對接的數據標準。在數據錄入界面生成時，根據數據內容與格式，生成相應的界面表單以及數據校驗規則。在進行接口對接時，需要根據模型中的數據格式進行接口的對接、校驗、數據轉換等操作。

2.1.3?生產管理模塊。生產管理模塊是整個溯源系統的核心模塊，功能覆蓋蔬菜種植過程中的所有環節，具體分為以下3個部分：①種植前包括種植生產計劃制定、地塊用途規劃、農業設施建設計劃等。②種植過程中包括農資需求采購、作業計劃制定、作業記錄、產品生長情況記錄、異常與問題處理等，并對接環境數據監測，提供預警功能，如土壤濕度監測提供干旱預警、氣溫監測提供高溫預警等。③蔬菜成熟后可進行采收計劃的制定、運輸計劃的制定等。

2.1.4?生產環境信息監測模塊。在蔬菜生產過程中，針對土壤環境采用墑情監測傳感器，對不同土層進行濕度、溫度、EC值、pH的監測;針對氣象環境采用小型農業氣象站，對空氣濕度、空氣溫度、大氣壓強、降雨量、風向、風速、光照度等環境指標進行監測。在種植大棚的環境中，采用室內環境采集傳感器，對室溫、室內濕度、室內光照度、一氧化碳、二氧化碳等環境指標進行監測。

2.1.5?倉儲管理模塊。倉儲管理模塊負責針對需要儲存的蔬菜產品，進行嚴格的稱重與出入庫登記操作，保障蔬菜產品按時、按量、按質出庫流通，并針對冷鏈車體、冷庫、廠房等儲藏空間，采用耐低溫的溫度、濕度傳感器對儲藏環境指標進行監測。對于物流過程中的位置信息，利用BDS結合人工定點打卡的模式，進行蔬菜產品的位置跟蹤。

2.1.6?加工流通監測模塊。

利用RFID、BDS等技術實現蔬菜農產品加工倉儲環節、物流運輸環節、市場流通監測環節的信息追溯，確保產品在加工、存儲、運輸、流通等環節的質量安全防護。

2.1.7?質量安全保障模塊。主要分為設備自動采集模塊與人工錄入模塊兩大部分。設備自動采集模塊采用組件集合的開發模式，集成封裝多類蔬菜安全檢測設備、農殘檢測設備、數據自動獲取上傳設備，同時提供對檢測獲取的蔬菜質量信息進行記錄和分析。人工錄入模塊提供手工錄入、數據導入、文件上傳3類功能，以便用戶進行手工錄入、帶專業格式的導入以及各類證書、檢測報告的上傳。

2.1.8?蔬菜溯源查詢模塊。系統針對蔬菜產品，集成有RFID讀寫、NFC近距離讀寫、移動智能端掃碼與批次號查詢4類查詢模式，其中RFID與NFC讀寫主要針對種植企業，二維碼掃描與批次號查詢針對市場消費者。蔬菜產品查詢的相關溯源信息包括種植企業信息、種植基地信息、投入品信息、種植環境信息、種植作業信息、產品倉儲信息、產品物流信息、產品流通信息、質量檢測報告、農殘檢測分析報告等相關溯源信息，覆蓋蔬菜產品全產業鏈過程。

2.2?系統實現關鍵技術說明

2.2.1?基于Web、RFID、BDS與傳感器技術的集成研發。對生產加工、包裝儲藏、運輸流通、銷售交易等環節進行信息化記錄，通過部署車體、冷庫、廠房環境監測傳感器，實現產品加工、儲運環節的智能控制和信息監測，建立可追溯信息鏈，為蔬菜質量安全溯源系統數據中心提供基礎數據源，其關鍵技術如下：①蔬菜出入庫環節信息監測與獲取。蔬菜作為一種時令產品，對倉庫環境要求高，尤其是在倉庫環境欠佳的情況下，更應該減少蔬菜在倉庫的存放時間。蔬菜產品入庫前，利用二維碼讀寫器，通過蔬菜托盤標簽數據的讀取，獲取其保存的QR Code追溯二維碼，并自動寫入倉儲物流子系統的后臺數據庫，由系統處理后根據倉庫特點形成庫存信息，并輸出入庫區位、貨架、貨位的指令。盤點時，倉庫管理人員使用手持二維條碼標簽盤點機讀取蔬菜產品托盤標簽信息，實時記錄盤點的數量。計算機終端導入和解析手持二維條碼標簽盤點機采集的標簽數據并將解析的結果上傳至倉儲物流子系統本地數據庫中。蔬菜產品在出庫前，利用二維條碼標簽讀寫器對蔬菜產品托盤標簽進行數據讀寫與檢查，記錄蔬菜產品的出庫時間等信息，并導入倉儲物流子系統的后臺數據庫。蔬菜倉儲信息獲取實現如圖3所示。

所有的蔬菜產品倉儲過程信息都應導入倉儲物流子系統的后臺數據庫，并利用追溯條碼建立與蔬菜產品種植、加工、包裝各個環節的關聯，倉儲物流管理子系統通過網絡定期上傳數據到蔬菜質量安全溯源系統數據中心。②蔬菜產品運輸過程中的信息獲取。蔬菜產品在運輸環節中，利用二維條碼標簽可以實現在途貨物的監控、跟蹤及口岸檢查。通過把二維條碼標簽技術和BDS結合起來，實現對運輸車輛的實時監控和跟蹤，并將運輸環節中的信息，例如出發時間、車體環境、到達時間以及運輸路線通過車載無線模塊上傳至蔬菜質量安全溯源系統數據中心（圖4）。

③蔬菜產品銷售環節信息監測與獲取。超市以及批發市場的經營戶在零售蔬菜產品時，以隨附其上的QR Code追溯條碼標簽刷開標簽電子秤，電子秤完成零售蔬菜產品的稱重后，自動打印出包含QR Code追溯條碼的收銀小票。超市以及批發市場的銷售管理子系統將銷售數據（出售地點、出售時間等）保存在本地，并定期上傳數據中心進行存儲和處理，這樣各級政府管理人員就可以通過監管決策平臺對超市或者批發市場的市場行為進行監控，而消費者通過查詢終端查詢蔬菜產品的相關溯源信息（圖5）。

2.2.2?基于SOA架構研發系統銷售流通數據交換平臺。蔬菜產品全產業鏈關鍵數據信息經過傳感器采集后，通過網絡傳輸渠道集中回發至數據中心，經由數據中心對多源異構數據進行解析、提取、轉換、存儲后，向上提供跨平臺應用。因此銷售流通數據交換平臺是第3方物流服務平臺建設的基礎設施。銷售流通數據交換平臺的數據源來自蔬菜流通各個環節，各環節的本地數據信息輸入系統數據中心數據庫或與蔬菜質量安全溯源系統數據中心的數據庫系統無縫交換。

平臺集成的中間件基于JBI架構，以插件的集成模式作用于完整的中間件平臺（圖6）。平臺集成開發時，以各類不同物流系統的集成要求為基礎，對中間件進行差異化配置，以適應異構數據的接入需求。數據綁定中間件采用統一的SDO規范封裝數據集對象，實現各業務數據結構的高度標準化;數據轉換中間件通過XSLT和XPATH技術，將異構數據進行轉換，使不同應用的數據能彼此兼容互通;數據安全中間件通過可信計算等先進技術來實現數據的安全保障;流程控制集成中間件采用BPEL引擎，并嚴格遵循BPM規范，實現應用服務結構的流程化裝配，通過低耦合的服務化模式，將離散型邏輯應用模塊整合為全流程化的業務處理模塊。

2.2.3?基于SAAS技術研發廣西外向型蔬菜質量安全溯源系統。安裝蔬菜產品信息溯源查詢終端，通過條碼掃描等方式，可以查詢到蔬菜產品入出庫、流通的全部信息，展示屏可以考慮使用電視屏，具體數量可以根據現場情況確定?；诓樵兘K端的溯源查詢系統是消費者進行農產品信息追溯的窗口，支持的查詢終端可以是Web網站、手機、條碼掃描儀。消費者買到農產品后，可以根據收銀小票上的追溯條碼或者追溯號，以終端查詢機、公共信息平臺網站、手機短信、條碼掃描等方式查詢所購買蔬菜產品產品的流通、銷售等信息，通過這種方式讓消費者吃到經過產品質量安全認證的蔬菜農產品種植基地（企業）的產品（圖7）。

3?系統應用

系統通過部署和測試后，在廣西禾美生態農業股份有限公司、廣西九盛農業有限公司、廣西巨力普惠農業投資有限公司、廣西深禾豐農業科技發展有限公司、廣西長江天成農業集團有限公司、天峨縣富民農業技術服務專業合作社6個企業的蔬菜生產基地進行應用，應用面積196.67 hm2，涉及菜心、胡蘿卜、番茄、黃瓜、西藍花、南瓜等30多個蔬菜品種。通過對采購、生產、庫存、銷售等各環節精細化管控，利用物聯網技術實時抓取最新基地環境數據和加工流通環境數據，助力了基地農業生產加快標準化、規?；?、現代化發展進程，實現廣西外向型蔬菜產業生產全過程的管理和溯源。另外，通過為基地產業鏈中被授權的各方（農業主管部門、農產品監管部門、基地公司）提供種植基地各項報表，也起到了監督基地運行管理的作用。

但系統在應用過程中也存在一些問題。例如，數據可篡改、數據真實性有待驗證;有些基地管理人員專業知識缺乏、培訓不足導致未能按照系統上設置的業務流程進行規范操作;系統宣傳推廣和社會參與度不夠，系統功能應用效果無法得到最真實的反饋。

4?結語

通過集成RFIP技術，輔以Web、BDS和傳感器技術等，研發了面向廣西外向型蔬菜產業的質量溯源系統，該系統具有覆蓋外向型蔬菜全產業鏈、各環節數據無縫銜接等特點，并在蔬菜種植企業進行了推廣和應用，根據用戶使用報告，系統功能模塊設計吻合實際應用需求，在實現企業蔬菜產品追溯、打造企業產品品牌形象、提升企業基地信息管理水平等方面具有重要意義。隨著信息技術的不斷發展，特別是5G技術、區塊鏈技術的普及應用和溯源數據安全性、不可篡改性需求更加明確，開發基于區塊鏈技術的蔬菜溯源系統[10-13]，實現數據上鏈，基于計算機視覺技術建立蔬菜農殘檢測模型，以區塊鏈技術+計算機視覺模式，驗證大數據與表型農殘檢測訓練數據的關系，驗證溯源數據的真實性，解決產品信任問題，并將結果應用于電子商務和社區團購配送等領域，實現產地數據的反向消費，是外向型數據溯源系統下一步重點開展研究的方向。

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