基于物联网的肉产品质量安全信息的追溯

林宇洪，林敏敏，林承操，张志彬

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002)

近年来，国内外肉产品质量安全事故频发，引起了社会对肉产品安全问题的关注，部分消费者甚至形成了焦虑情绪。因此，如何保证肉产品的安全性，实施有效的肉产品加工信息追溯系统，实现对违法者的追责机制，成为了国内外食品行业的研究热点。在发达国家因为无线通讯环境好，因此大多采用移动通讯的方式，无线联网，将生产日志写入数据库［1］。部分发达国家还采用DNA技术实现对肉产品追踪及来源检测，能有效地打击各种造假行为［2］。而中国受国情限制，养殖牲畜的牧场、饲养场大多无条件联接数据库，因此无法照搬发达国家的技术路线。在中国流通市场，也无力承担引入DNA溯源的成本开支。通过调研和实验，应用物联网的RFID与条码技术，设计了一种符合低成本的肉产品加工信息追踪系统［3］。

1 系统概述

肉类追溯安全体系要求发现安全问题后，首先能够逆向追溯，找到问题环节，再从问题环节正向追踪同批次肉产品的流向，从技术上实现快速追查机制，减少食品安全问题造成的社会危害［4］。基于该目的，本系统对肉类供应链实现分两段管理模式，在牲畜饲养至牲畜销售过程时采用RFID耳标管理;屠宰分割时完成RFID识别向条码识别的转变;从批发市场至零售市场使用条码管理。先实现正向追踪，记录每一个加工环节的生产日志，为日后追溯提供信息源。

2 系统开发

2.1 RFID耳标选型

如果RFID耳标容量过小，仅能存储耳标号，生产上的每道环节都必须依靠实时联接互联网存储信息［5］，我国牲畜饲养环境普遍恶劣，有些山区饲养场，ADSL宽带联网都难以实现。而更加边远的牧场只能采用GPRS移动技术联网，运营成本高，通讯效果不稳定［6］。因此本课题应当选用具有一定存储容量的RFID芯片作为耳标，除了按《牲畜耳标技术规范》规定存储15位的耳标号外，还额外存储生产日志［7］。工作人员在完成饲养过程中每道工序后，即时采用RFID手持机向耳标写入预置的简单编码。在牲畜屠宰、分割过程中，耳标数据由屠宰流水线上的计算机一次性完整读取，上传于监管中心的数据库。

通过测试和对比，最终RFID耳标选择“Mifare ONE IC S50”逻辑加密芯片，这是一种特性介于RFID卡和智能IC卡之间的成熟芯片，该芯片简称为M1，其各项指标完全吻合本系统设计要求，零售价格低于1.0元/个。M1芯片自然损坏概率极低，具有防水、防震能力，适合于恶劣的饲养环境中使用。工作频率13.56 MHz，无线读写距离2.5～10 cm。芯片容量为1024 Byte，划分为16个扇区(0～15)，每个扇区划分为4块(0～3)，每块16 Byte。扇区0存放厂商信息及全球唯一的序列号，该序列号无法复制及改写。扇区1～15的块0～2称为数据块，供用户存储数据，可分配给不同的供应链环节记录日志。各扇区块3为控制块，可控制本扇区块0～2的读写权限。本系统目前仅使用了10个扇区，对扇区功能分配情况见表1。

表1 扇区分配表

2.2 M1芯片读写权限的设计与计算

M1芯片各扇区物理结构见图1，每个扇区内的块3为特殊块区，包含KEYA(密码A)、控制码(由控制标志组成)与KEYB(密码B)。每个块的读写权限由三个控制标志和密码A、密码B共同决定，每个块对应的控制标志如下:块0(C1M0，C2M0，C3M0);块 1(C1M1，C2M1，C3M1);块 2(C1M2，C2M2，C2M3);块 3:(C1M3，C2M3，C3M3)。控制标志可用CiMN表示，其中:i为控制标志的类型，取值范围(1～3);M指当前扇区;N为块号，取值范围(0～3)。控制标志对块0、块1、块2的控制能力见表2，控制标志对块3的控制能力见表3，块3控制码区域内的每一个位对应着的控制标志见表4。

图1 M1芯片扇区物理结构

表2 控制标志对块0、1、2的读写权限

表3 控制标志对块3的读写权限

表4 块3对应的控制标志

例如，拟设置第5扇区的块2为凭密码A可读，凭密码B可读写，不提供其它权限。查表2可知，该扇区块2的三个控制标志“C1M2、C2M2、C3M2”应为“1、0、0”。从安全考虑，还应禁止持密码A者窥视、篡改密码B，或者改写控制码从而提升密码A权限，查表3可知，该扇区块3的三个控制标志“C1M3、C2M3、C3M3”应为“1、1、0”。如果还需要设置块0、块1的同样权限，计算方法相同，把最后计算获得的控制标志填入表5，再通过进制变换计算，获得控制码16进制值“70FF0869”。实践检测表明，该控制码满足了本系统期望的权限要求。

表5控制码计算过程

耳标发放机构在发放前，设置各扇区块3控制码为“70FF0869”，设置密码A为“888888”向全社会公开，任何机构都可以使用密码A读出耳标全部数据。密码B随机定义，一个供应链环节一密码，内置于各环节的写耳标程序中，各单位仅能用官方授权终端向特定扇区写入特定信息。该项设计即保证了耳标数据透明，又实现了各部门相互监督，杜绝篡改、伪造日志的现象。

2.3 条码的编码和使用

北京市标准化指导性技术文件《DB11/Z 523-2008奥运会食品安全 食品追溯编码规则》设计了较为成熟的编码追溯机制，如图2所示。本系统选用该指导文件作为条码编制规范。

图2 肉类食品追溯编码

本系统无需对现有的屠宰流水线做大的改造，在上流水线前扫描耳标全部扇区数据，按“编码规则”、”“屠宰工艺”批量打印产品所需的全部条码。条码分为躯干类、内脏类装入两个干净的硬塑袋内，钩于牲畜躯干上。每个分割产品生成后，清洗，检验，取出相应条码并粘贴，最后扫码称重。内脏类的条码袋随着内脏一同转入新的流水线。耳标数据、条码数据、称重数据通过互联网实时传入监管部门数据库，接受实时监管。

条码标识的产品在供应链后续环节中，通常还会出现再分割、再加工、更换新条码的需求［8］。例如超市对肉产品再分割后使用自定义的零售条码，而牛排店则在加工后提供带条码的收银小票。系统要求分割前扫描原条码称重，分割后扫描新条码称重，称重数据实时上传监管中心数据库，接受监管。

2.4 电子监查算法

监管中心电子监查程序按如下流程实时监管屠宰过程，①检查数据是否来自定点屠宰的企业，该企业在近期检查中是否达标，判断屠宰企业是否具有资质;②在数据库中检索耳标号是否未发放或已注销，扇区0的“全球唯一编号”是否和数据库记录的一致，判断芯片来源是否合法。③把扇区1块0的“耳标号”与块2的“制卡日期时间”进行特定的加密算法计算，计算结果应等于块1的“防伪校验密码”，判断耳标是否伪造;④检查供应链各环节日志是否完整，从而追查历史环节中的工作人员是否尽责;⑤条码标识产品的总重量必须小于对应耳标记录的入厂体重，由此判断是否混入未知来源的原料。

上述检测指标如异常，系统将异常数据以短信形式发送给巡逻执法人员［9］，调度执法人员做突击检查。如屠宰车间装有闭路监控系统，监控中心也可以在指标异常时，调取该牲畜屠宰录相，人工复核。对于指标正常的耳标号，则进行销号操作，耳标无法再次使用。日后统一回收旧耳标，封存3年以上，清空各扇区信息，根据新的“制卡日期时间”，生成新的“防伪校验密码”，取消销号状态，耳标可重新进入供应链循环使用。

对于条码转条码的再分割、再加工环节［10］，电子监查程序进行如下工作流程:①检查原条码编号是否有备案，可判断原料来源是否合法;②记录企业名称、新旧编号的对应关系，以备追溯检查;③新条码标识的产品总重量应小等于对应原条码标识的产品总重量，允许5%的误差。

2.5 追溯算法

最终顾客按“企业名称，条码编号”格式，发送短信给监管中心，监管中心程序自动逐级逆向反查编号，自至耳标号。再正向生成一个简明的产品生产流程描述，以短信的形式回复顾客。无法追溯到耳标数据，则判定为不合格产品，系统短信告知顾客保存小票、收据作为复查依据。生产部门在生产过程中，每次扫描条码时都可以发出追溯查询，避免未知来源的肉类产品流向市场［11］。

2.6 追踪算法

发生食品安全事故后，监管中心立即逆向反查问题编号，人工分析污染源出现的环节。从事故环节正向追踪新旧编号更替日志。确定同批次产品的流向，锁定最终企业名称及可疑编号，通知企业就地封存产品待检，并招回已售出产品，及时控制食品安全事故不会继续扩大［12］。

3 结论

本系统在南平市一家肉类加工企业进行测试，测试表明，耳标分区存储生产日志、耳标号转条码号、批发条码号转零售条码号的技术设计可行，短信收发部分采用GPRS MODEM技术，运行可靠。通过对比分析，本系统和其它类似系统的最大区别在于“引入了多扇区逻辑加密芯片”，因此具有如下优势:RFID耳标无法复制和伪造;养殖过程中无需联网提交数据;无需为边远牧场架设互联网线路;无需使用GPRS远程通讯技术;在牲畜移动和交易过程中无需解决跨省数据交换的问题;能够实时监控屠宰过程。这些优点即符合中国畜牧业的国情，又加强了对定点屠宰的监管力度，简化肉类供应链的管理流程。

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