基于物联网的农产品质量安全溯源系统

白红武， 孙爱东， 陈 军， 孙立荣， 卢海燕， 梁 颖， 刘贤进

(1.江苏省食品质量安全重点实验室，农业部食品质量安全监控重点开放实验室，农业部农产品质量安全风险评估实验室(南京)，江苏 南京 210014;2.南京未来星传感技术有限公司，江苏 南京 210042)

现今人们越来越重视饮食与健康的关系，然而由于某些食品生产者和经营者法律意识和卫生意识淡薄，农药滥用现象尚未得到有效控制，导致农产品中药物残留与重金属等有害物质超标事件不时发生。农产品的质量安全不仅关系到农业的可持续发展，更是关系到人类身心健康，是亟待解决的社会问题之一。

物联网(Internet of things)将相关物品通过信息传感设备，如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等装置与互联网结合起来，实现智能化识别和管理［1-3］。在现代农业领域，物联网可用来监视农作物灌溉情况、空气温湿度、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测，自动收集温度、湿度、风力、大气、降雨量等数据，为研究人员进行科学分析提供基础数据［4］。

溯源系统(Traceability system)是在产品供应整个过程中对产品的各种相关信息进行记录存储的质量保障系统［5］，其目的是在产品质量出现问题时，能够快速有效地查询到产生问题的原料或加工环节，必要时进行产品召回，实施有针对性的惩罚措施，由此来提高产品质量水平。农产品溯源系统是追踪农产品(包括食品、饲料等)进入市场各个阶段(从生产到流通的全过程)的系统，有助于质量控制和食品安全。

欧盟的农产品溯源系统应用最早。2000年1月欧盟发表了《食品安全白皮书》，以控制“从农田到餐桌”全过程，明确所有相关生产经营者的责任［6］。美国的农产品溯源系统主要是企业自愿建立，政府起到推动作用。日本不仅制定了相应的法规，而且在零售阶段，大部分超市安装了产品溯源终端［7］。英国政府建立了基于互联网的家畜跟踪系统(CTS)［8］。加拿大从2002年7月1日起开始实施强制性活牛及牛肉制品标识制度［9］。澳大利亚通过国家牲畜标识计划(NLIS)实现牲畜溯源［10-11］。中国物品编码中心在2007年开始启动中国条码推进工程，在上海、武汉等地推出了试点，2008年提出要全面推行农产品可追溯系统［12-13］。因此，综合利用物联网技术，开发农产品溯源系统具有非常重要的社会意义。

1 材料与方法

1.1 溯源对象

农产品溯源系统，是应用标识技术，对农产品的生产、加工、流通和检测等环节实施全程监管的系统。基本做法是对农产品的种植区域进行规划，对生产情况进行电子记录，对使用者和检验结果记录在案，对生产场所实施危害分析与关键控制点管理，建立中心数据库，记录各环节的信息，实现对农产品生产过程的跟踪和溯源管理。建立农产品溯源系统，必需3个基本要素，即产品标识、数据库和信息传递。本研究的溯源对象主要涉及到蔬菜、瓜果、猪肉、鸡肉4大类，30多个品种。

1.2 标识设计

根据生产实际情况，农产品标识的设计要考虑的首要问题是低成本、易用性以及与现有的生产管理相融合。在无线射频识别(RFID)标识尚未达到大规模推广应用之前，条形码标识仍然是使用最广泛的农产品标识。人工输入追溯码，速度慢且易发生错误，为实现追溯码的自动获取，我们采用二维条码技术。如图1所示，在产品标签1上，显示有电子质量安全(eQS)标志，详细记录了该产品的产地安全、投入品安全和产品安全等检验结果。在产品标签2上，简洁显示该产品的安全信息(如追溯码、品种产地、责任人等)，提示了如何使用该追溯标签，最下面的一维条码方便现场查询，二维条码(QR码)可供手机识读。此外，对于高附加值的农产品(如茶叶)，我们还在标签背面增加了RFID芯片，进行非接触式识读。农产品的编码规则参照《NYT 1431-2007农产品追溯编码导则》。有2种方式:一种是采用20位长码，其含义为1类别+6行政区划+2公司+2产品+6日期+3批次号;另一种是采用10位的短码，其含义是1类别+5日期+2品种+2序列，方便消费者通过短信或电话的方式查询。

图1 农产品的标签设计Fig.1 Label design for agricultural products

1.3 功能模块

为了增强该系统应用的生命力，系统设计时采用统一的数据流程，并采用相应的策略控制数据的流向。数据流图的统一和规范，不仅适应本系统查询功能的要求，而且使系统能更好地与相关系统进行数据交流和共享，特别是能更好地完成系统在运行后长期而繁重的系统维护任务，减少维护开发的工作量，增加了系统的可扩展性。在此基础上，按照系统的功能进行组件式开发，图2显示系统的核心组件和基本功能。

图2 溯源系统功能图Fig.2 Function of traceability system

1.4 开发语言

农产品质量安全溯源系统主要包含6部分:网络管理平台、短信管理平台、智能手机管理平台、条码打印系统、查询机软件和查询网站。系统使用的开发语言有:VB.net、C#、Asp 和 Html。数据库选用SQL Sever 2005企业版。系统针对生产者、经营者和消费者，分别提供不同级别的密钥。

1.5 硬件设备

查询机是农产品质量安全追溯系统的重要展示窗口，因此查询机的外观和功能非常重要。根据企业的需求，设计开发智能终端——RFID多功能查询机。该查询机支持自动上网、自动播放广告、自动显示查询结果。结构和外观如图3所示:正面布置了弧线型有机玻璃罩;在支柱上部安装了LCD显示器和触摸屏;在支柱上部安装了激光条码扫描装置;在支柱中部安装了RFID读写器;在支柱下部安装了微型电脑和音箱;预留了电源接头、网线接头和视频输出HDMI接头;符合人体工程学原理，便于操作，整体性好，便于移动，维护方便。查询机尺寸为500 mm×800 mm×1 700 mm。硬件包括:19寸LCD显示器、INTEL酷睿E2210、华硕主板、金士顿4G内存、日立500G硬盘、长城电源、支持双显示器的显卡、触摸屏、展盟S-7030扫描平台和RFID读写器FS-3601。软件包括:Windows XP操作系统、NET 2.0 框架、Supermarket查询软件。

图3 JAAS-1型RFID多功能查询机Fig.3 JAAS-1 multi queny machine with RFID

1.6 信息链

根据农产品的追溯要求，设计了如图4所示的追溯信息链，实现中央数据库和信息传递功能。

图4 农产品溯源信息链Fig.4 Information chain for agricultural product traceability

在生产阶段，解决2个基本问题:一是农产品的田间信息记录;二是农产品的环境信息记录。问题1通过置于田间的防雨记录卡来实现。每次进行田间操作后，操作员记录当日的具体实施情况，例如2010-11-14，某人，喷洒除草剂50 ml。问题2通过基于物联网的环境信息采集系统来实现。该系统通过太阳能供电，利用Zigbee的自组网性，实时记录田间的环境信息(例如温度、湿度、光照、土壤湿度等)，通过GSM网关发送到远程的服务器，为农产品溯源提供源头信息。

在加工阶段，解决2个基本问题:一是农产品的保鲜问题;二是农产品的包装问题。农产品在采收后，立即进入冷库进行预冷处理，之后在5℃的温度下进行择拣和包装处理。农产品的溯源标签在包装前预先打印好，方便操作员快速包装。

在运输阶段，对农产品的生产者和参与者进行记录，同时对农产品的冷链运输过程中的环境进行监测和控制。通过GPS自动记录运输车辆的出发地和目的地，最大限度保障农产品运输环节的安全性。

在销售阶段，对所有记录在案的农产品进行eQS认证，贴有专门设计的农产品溯源标签，不仅实现现场查询，还提供网络查询、短信查询、电话查询、手机识读等功能。

1.7 供应链

典型的农产品供应链如图5所示，包括生产基地(农户、农场或种植基地)、加工包装环节(加工车间、批发市场或物流中心)和销售环节(农贸市场、超市网点或专卖店)。各环节的生产主体不同，分布地域不同，管理方式也不同，信息采集、交换与发布也不同。追踪系统能够明确供应链的信息流，便于供应链中的责任界定，同时方便问题食品的召回，降低了食品安全问题的外部成本。

图5 农产品供应链Fig.5 Supply chain for agricultural products

2 结果与分析

2.1 自动采集环境信息

利用物联网技术，在生产基地的蔬菜大棚里，布置功能性智能无线传感器节点，实时采集植物生长的环境信息(如温度、湿度、CO2浓度、土壤湿度等)，当温湿度不符合植物生长需求时，可以短信的方式向管理者报警，可对温室大棚进行远程监控;当植物缺水时，根据不同植物的需水模型，可自动打开电磁阀，对作物进行高效节水管理。系统自动记录植物生长的各项参数，经过数据整理，存入指定的数据库，为最终的农产品溯源提供重要的源头信息。把设施监控系统与溯源系统有机结合起来，从一定程度上解决了溯源的源头信息。

2.2 原始档案电子化

对于生产操作过程人工记录档案。首先，记录生产基地所购买的农药、化肥等基础资料，注明生产商及其联系方式;其次，在田间地头设置一个具有防雨功能的记录卡，每次进行田间操作后，操作员记录当日的具体实施情况，以此考核工人的绩效;最后，在加工车间，记录工人的消毒和操作时间，最大限度保障加工过程中责任到人。在保留原始凭证完整性、真实性和有效性的基础上，由专人录入数据并拍照存档，实现生产档案的电子化。

2.3 快速录入信息

由于是通过组件式开发，溯源系统允许在条码打印时，自动录入固定信息，例如品种、产地、责任人、资质证明等。质检员也可以在网站远程添加该批次产品质检报告。在3G网络覆盖的地方，生产责任人使用智能手机的拍照功能实时传送该批次产品的照片和生产记录卡。利用Web2.0发微博的方式，最大程度提高溯源信息录入的效率和便捷性。

2.4 用户查询

在贴有追溯码的最终产品包装上，可通过现场查询机查询到该产品的详细安全信息，例如品种、产地、责任人、产地环境、投入品检测、生产记录、产品检测报告等(图6)。此外，消费者购买产品后，发现问题，可通过短信的方式查询到该产品的基本安全信息以及相关责任人。普通手机用户，可通过Wap方式获得产品的检测报告等安全信息。对于智能手机用户(例如Android、手机)，我们提供了开放式的QR码标签，用户只需轻轻一拍，即可快速获得该产品的详细信息。

图6 查询首页(A)和查询结果页(B)Fig.6 Query page(A)and query result page(B)

2.5 应用效果

基于QR码的农产品质量安全追溯系统已成功应用于江苏省明天农牧科技有限公司、无锡水蜜桃科技园、江苏江山农业科技有限公司、东台市益群植保专业服务合作社、泗洪县华翔蔬菜专业合作社等多家企业。系统通过使用物联网技术、二维码技术和网络技术，实现了“从农田到餐桌”的产品追溯标识以及生产过程的电子化监管，能够唯一确定农产品的产前、产中和产后的安全信息，实现从种植到生产到流通全方位的安全信息的追溯。根据用户的反馈信息，使用追溯系统后，可增加消费者对其产品的信任度，提高品牌效应，增加了产品的附加值。此外，为了更好的满足不同用户的需求，我们把溯源系统设计成合作社版、企业版和集团用户版，同时增加了消费者评价的功能，以加强对产品质量的监督。

3 讨论

本研究在消化吸收国内同类技术基础上，分析区域农产品生产链的特点，将物联网技术应用于农产品的生产链，构建了基于QR码的农产品质量安全追溯系统。在实际推广应用中，用户反映良好，一方面保障了消费者对产品的知情权，另一方面，增加了农产品的信任度和附加值。与其他溯源系统［12-17］相比，我们开发的农产品质量安全追溯系统更注重于应用企业的需求，减少溯源过程的重复劳动，注重溯源结果的展示度，提高与消费者的交互性(微博式评价)。当前，国家支持有一定特色的溯源系统，但在推广应用中也遇到了一定的阻力，主要是企业的投入产出比和消费者的信任问题。企业的投入产出比，可通过提高产品品质、优质优价的方式来解决。而消费者的信任则需要全社会的努力，尤其是加强法制建设，加大对不诚信企业的惩罚力度，公开生产过程，让食品企业在阳光下经营。

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