基于物联网的果蔬产品溯源系统编码技术研究与实现

濮永仙

摘要：针对生鲜果蔬种植分散、标准难以统一、溯源渠道不畅的问题，探索了1种企业与农户合作的模式，设计并开发了生鲜果蔬产品质量安全溯源系统。系统依据生鲜果蔬产品供应链特点，采用RFID标签与一维码、二维码相结合的混合编码模式，应用物联网、数据库等技术，开发了具有网络管理、条码打印、产品查询、智能手机管理等多功能的产品质量安全溯源系统。通过物联网技术，可自动采集环境信息，以及摄像头或手机拍摄的图像，上传至服务器，作为产品的原始信息。最终采用二维码溯源，实现果蔬产品在种植、收购、检测、加工等环节的信息追溯。这为果蔬生产建立了统一标准，为市场增强了产品透明度，形成一个具有3方满意及消费者参与监督、评价的溯源服务平台。

关键词：果蔬；物联网；溯源系统；编码技术

中图分类号： S126文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0414-05

生鮮果蔬能为人体提供多种维生素，是人们每天的生活必需品。近年来，果蔬类产品安全事故频繁发生，某些生产者、运营商法律意识与卫生意识淡薄，滥用农药、化肥等，致使产品中药物残留、重金属等有害物质超标事件时有发生。李克强总理在2015年的两会政府工作报告中提出，要“最严格的立法和监管”保障食品安全。全国人大代表郑杰认为，中国急需研究高效统一的编码标志，应用信息技术，完善食品溯源体系[1]，使其在生产、运输等环节有统一标志，使有问题食品可溯源。溯源系统是指对商品从生产到销售各环节信息进行记录及存储，当产品出现质量问题时能够追溯到出现问题的环节，实施有针对性惩罚，必要时对产品召回，以此提高产品质量的追溯信息系统[2]。

欧盟在1997年就开始研究农产品溯源系统[3]。在2002年欧盟颁布了178/2002号法令，要求自2004年起在欧洲范围内销售的食品，要求能够被追溯。2004年美国颁布了《食品安全跟踪条例》，要求任何需加工、运输等相关环节的企业都要建立食品流通全过程的记录[2]。日本除了制定相应的法规外，在零售阶段，还要求大部分超市安装产品溯源终端[4]。英国政府建立了基于互联网的家畜跟踪系统（CTS）[5]。国外在溯源系统研发方面有，在西红柿、草莓、马铃薯等[6-8]的种植中，分别采用传感器、机器人采集环境信息，进行农事操作（浇水、施肥等），并开发了相应的溯源信息管理系统。

中国物品编码中心在2007年开始启动中国条码实施工程，在上海、武汉等地试行，2008年提出要全面推行农产品可追溯系统[9-10]。国内的溯源系统研发起步较晚，但目前已有不少成果[11-17]。因我国机械化程度不高，果蔬种植乃以农户分散种植为主，这致使种植标准难以统一，整体质量难以保证，溯源渠道不通畅等问题。虽然国内学者在食品安全方面进行了大量研究，但大多局限于定性讨论，针对生鲜果蔬溯源的较少，尤其是对生产质量控制体系方面的溯源缺乏全面探讨。

物联网是用射频识别（RFID）、红外感应、GPS、无线通讯等技术，按照一定协议把不同的设备与互联网连接，实现物与物、人与物之间的信息交换，以实现对物体智能化的识别、定位、跟踪、监控、管理的一种网络[18-19]。将物联网用于农产品安全问题追溯，能起到識别、跟踪、监控等作用。本研究在借鉴国内外溯源基础上，根据我国生鲜果蔬种植特点，探讨了一种农户与企业合作的生产模式，采用EPC、RFID、二维码及一维码的混合编码标志，应用物联网、数据库等技术，构建了基于物联网的生鲜果蔬产品质量安全溯源系统。这既为我国放养式生鲜果蔬生产提供统一标准，使果蔬产品在生产、收购、加工等关键环节的质量得以控制，追溯问题果蔬有了源头，又有利于我国农业生产的标准化。

1材料与方法

1.1溯源对象

生鲜果蔬类产品，一般是由种农户种植、采收后批量卖给销售商，再通过销售商进入市场，这就很难监控产品质量，一旦有问题的果蔬进入市场，其源头将无法定位。因此，只有准确记录果蔬产品在每个环节的信息，当有问题时才能准确找到问题根源。针对生鲜果蔬这类产品特性，其关键环节是基本质量控制、收购标准、运输管理及消费者权益等几个方面。创建的生鲜果蔬产品质量安全溯源系统，应包含产品标志、数据库和信息传递3个基本要素。本研究的溯源对象是生鲜的果蔬约30个品种，系统使用者分为企业管理员、加盟的果蔬种植户和消费者共3类。

1.2溯源编码设计

本研究依据《EPC电子产品编码》、《EAN/UCC系统应用标识符》、《农产品追溯编码导则》及《信息分类和编码的基本原则与方法》的相关规定，采用RFID识别与一维码、二维码相结合的混合标签模式，作为生鲜果蔬产品溯源的信息载体，对种植、收购、加工、运输、仓储及追溯环节进行编码。EPC系统是由国际物品编码协会（GS1）提出的一种新的编码规则，它与EAN/UCC编码体系相兼容，具有容量大、安全性好、可扩展性强等特点[20-21]。因RFID标签不受光线、温湿度及其他恶劣自然环境的影响，因此生鲜果蔬产品在种植、采摘等环节可用RFID进行标志。如在果蔬种植时将地块或农户编号，利用EPC编码规则生成1个编码，并分配RFID标签，将作物的基本信息、农事操作及无线传感器收集的信息都标志到其中。收购时，工作人员只需扫描产品对应的射频卡，读取其中信息，对收购信息更新。因一维码成本低，二维码具有编码容量大、方便手机扫描等优点，在其他环节采用EAN/UCC规则与QR技术实现一维码与二维码标签进行标志。生鲜果蔬产品在各环节的编码流程见图1。

系统依据优化生产流程，在各关键环节增加数字化的同时，将各种编码融为一体。在流程中，每个编码必须具有承上启下的功能，至少承载相邻2个环节之间的信息，在数据库中，相邻环节之间的信息采用关键字连接。以下介绍各环节编码格式。

1.2.1种植标至编码采用RFID标签技术对种植地块进行标志，并将每块种植地与数据库中的基本信息、农事操作、环境信息等对应。RFID标签利用二进制数据存储个体标志信息，包括3个部分：96位EPC码、24位的Kill码（出于安全的考虑用于破坏RFID卡内信息）和16位的CRC（循环冗余）校验码。利用EPC编码信息规范中的GID-96编码格式24位十六进制标志，具体编码结构见图2。种植编码=产地代码（6位）+管理者代码（2位）+种植项目代码（6位）+生产批号（8位）。其中，地块划分以种植时间、种植品种、生产措施相对一致的地理区域为同一地块，产地编码由6位组成，前4位为基地编号，后2位为该基地不同的地块编号。批号用8位表示，6位标志种植日期，2位标志顺序号。其中，年的编码范围为00～99，月的范围为01～12，日的编码范围为01～31。

1.2.2收购标志编码收购编码采用GTIN-14编码结构，结合应用标识符（AI）对生鲜果蔬编码，采用GS1-128条码标准打印，将其张贴到包装上的固定位置，具体格式见图3。该编码通过产地编码或交易号与种植编码标志间建立关联，在标签上能查到准确的种植信息。其中，加工批号（AOT）由加[CM（25]工日期（如160123）与2位流水号组成，规定同一地块、同[CM）]

一类产品、同一采收日期为同一批次。

1.2.3物流标志编码果蔬物流编码利用SSCC-18编码标志，并用GS1-128条码标准打印。SSCC-18编码结构由18位十进制编码组成，具体编码格式见图4。其中，N1是扩展位，表示包装类型，由建立SSCC的厂商统一分配，取值范围为0～9。第8位至第17位为系列号，由生产商根据当天的流水号分配唯一编码；最后一位为校验位，由系统根据校验规则自动生成。

1.2.4仓储编码仓储编码标志反映的是产品仓储的位置，其信息来源是仓储操作。具体编码格式采用GIN-13，仓储编码由厂商识别码和位置识别码组成，具体见图5。

[FK（W5][TPPYX5.tif][FK）]

1.2.5溯源码溯源码是消费者对产品各环节信息进行追溯的标志码。溯源码信息包含果蔬的种植、收购、加工企业、加工检测、加工日期、加工批次等关键信息。本系统采用QR二维条码作为生鲜果蔬产品溯源码，厂商为每批出厂的果蔬分配具有唯一性的二维编码。消费者购买到产品后，利用智能手机扫描包装上的二维码，通过溯源数据管理平台响应，对二维码解码、验证后，将在溯源信息数据库中检索到产品相关数据回传至消费者的手机上。图6为以茄子为例的整体编码实例，其中，图6-a为种植编码，图6-b为运输编码，图6-c为存储编码，图6-d为收购加工编码及QR二维溯源码。

1.3溯源功能模块

为满足溯源需求，便于數据共享及后期维护，以及增强其可扩展性，在系统设计时采用统一的数据流程，并采用相应的

措施控制数据的流向，使其统一和规范[22]。在此基础上，以组件的方式开发了生鲜果蔬产品质量安全溯源系统。系统由网络管理平台、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共6个功能模块组成，见图7。针对不同用户，提供不同级别的密钥，用户登陆后，先判定用户的类型，然后给予分配相应的功能模块。

1.4开发环境及工具

系统采用B/S体系构架，该体系构架的兼容性较强，可满足不同地域的用户同时使用[23]。系统开发语言有：Java JDK6、Eclipse SDK 3.3.2、My Eclipse 6.0.1、ASP和Html。数据库选用Microsoft SQL Sever2005。服务器运行环境：Windows Sever2003、Apache-Tomcat 6.0。

1.5信息供应链

生鲜果蔬产品供应链主要包括：种植、收购加工、运输、销售等环节，将这些环节建立信息链，为果蔬产品质量安全溯源提供数据支撑。各环节之间通过编码标志进行链接，在保证各阶段溯源信息真实的同时，确保整个信息链的完整。生鲜果蔬产品溯源信息链的逻辑关系见图8。

1.5.1种植阶段对于签约农户而言，除了需对基地土壤、水质等进行检测外，还需解决2个基本问题：一是果蔬产品的田间信息记录；二是果蔬产品的环境信息记录。问题一，通过在田间安装RFID标签记录卡实现，每次进行田间操作后，操作员记录当天的具体农事操作情况，如20160104，某人，喷洒杀虫剂20 mL；问题二，通过基于物联网的环境信息采集系统实现，该系统通过太阳能供电，利用ZigBee自组网特性[24]，实时记录田间环境信息（如温度、空气湿度、光照、土壤湿度等），通过GSM网关发送到远程服务器，为果蔬产品溯源提供源头信息。

1.5.2收购加工阶段收购果蔬产品时可能会存在2种情况：一是签约农户采用标准化种植的产品，此类产品具有标准的种植信息，在采购时只需审核录入即可；另一类是分散种植的非标准化产品，这类产品的种植信息可能不完整，需对产品进行检测，合格后建立交易号，并记录收购时间、地点、交易人、经手人等信息。在产品加工处理阶段需解决2个基本问题：一是果蔬产品的保鲜；二是果蔬产品的包装。产品在采购后，经检验合格，应立即预冷处理，在5 ℃温度下进行清洗、分级、装箱等處理。果蔬产品在收购加工阶段的溯源标签在包装前预先打印好，方便操作员快速包装，并记录加工时间、经手人、加工地点、农药残留检验等关键信息。

1.5.3运输阶段该阶段需将运输编号与产品批次号相关联，并对产品的生产者、参与者进行记录。利用GPS自动记录运输车辆的出发地和目的地，并最大限度保障果蔬产品运输环节的安全性。在运输途中，需配备环境信息采集设备，对果蔬在运输环境中的信息（如温湿度、CO2浓度等）进行实时感知，并通过GPRS上传至数据库中，以备溯源。

1.5.4销售阶段对所有记录在案的果蔬产品进行认证，并贴上专门设计的生鲜果蔬产品溯源标签，为消费者现场查询。

2结果与分析

2.1自动采集环境信息

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产品质量追溯的源头信息。利用物联网技术，通过在果蔬种植大棚内安装各种传感器、摄像头、可控设施等，用以监测与调控棚内温湿度、土壤温湿度、CO2浓度，以及各种养分等参数。如当温湿度或水分不符合作物生长需求时，向管理者报警，并自动开启棚内设施，调节温湿度、浇水等，使作物生长在最佳的环境中。各种传感器、摄像头获取到的环境参数、视频、图片等信息，通过ZigBee网关，再通过3G、GPRS等网络传至远程服务器中，这些数据经整理后，存入指定的溯源数据库，为最终的果蔬产品溯源提供重要的源头信息。通过物联网实时感知技术，除了可对种植基地环境信息采集外，还可对加工、运输及仓储的环境信息实时感知，采集到的信息被处理后进行无线传输，通过服务器的上位机程序接收，并写入溯源数据库。

2.2原始档案电子数字化

将果蔬种植、采购、加工等过程进行人工档案记录。

（1）记录种植基地所购买的农药、化肥等基础资料，并注明相应的生产商及其联系方式。

（2）对与企业签约的农户，在种植基地安装传感器和RFID设备，农户利用设备进行简单的信息采集及录入，在收购时企业工作人员对农户采集的基本信息进行审核，通过后导入到溯源系统数据库中。

（3）在收购阶段，记录采购时的时间、地点、数量以及对应果蔬检测的农药残留情况，有种植编码的可直接录入相应的收购信息，而对于没有种植码的，需要先建立相应的交易号，再录入收购信息，以便收购后可查。

（4）在加工阶段，工作人员需对收购合格的果蔬产品进行再次质量检测，记录产品的名称、加工日期、加工方式，以及加工检测结果等。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，实现加工档案的电子化。

（5）在运输及仓储时，产品的运输会涉及很多复杂的问题，但是一般的运输管理都包括运输区间、运输方式、运输过程，以及仓储时间、位置等，这些信息都须录入溯源数据库中。

2.3信息的快速录入

由于系统是通过组件式开发的，所以溯源系统允许在条码打印时，自动录入固定信息。在3G、4G网络覆盖范围内，生产责任人、质检人员可利用智能手机实时添加或拍摄该批次产品的生产记录、日常农事操作记录、产品质检报告等各种操作信息，以文字、图片、音频、视频等文件的形式上传至溯源数据中，可提高工作效率并节省操作时间。

2.4消费者溯源信息

消费者在购买到贴有溯源标签的生鲜果蔬产品时，可通过网络、短信、电话、手机扫描识读等方式查询产品在种植、收购、加工、运输等环节的信息，实现对生鲜果蔬产品从种植到销售全程的追溯。消费者通过该溯源系统，除了可查询产品的基本文字信息，验证产品真伪，举报伪劣产品，留言评价产品外，还可通过输入涂层中的验证码，使该二维码失效，防止伪造标签，以及在线观看产品生产现场的监控视频及图片，监督果蔬产品的生产。

2.5应用效果

系统通过使用物联网、混合编码、互联网、数据库等技术，实现了生鲜果蔬产品从种植到销售各环节的追溯标志，生产过程的电子化监管，能够唯一确定产品在产前、产中和产后的安全信息，实现了从农田到餐桌多维安全信息的追溯。开发的系统功能完善、界面友好、性能稳定，该系统在云南德宏的一些果蔬溯源系统中试用，用户反映较好。该系统在企业和消费者之间搭建起了桥梁。企业可通过该系统向消费者宣传品牌产品，提升品牌价值，同时提高企业知名度。消费者通过该系统可监督果蔬生产，并获取令人放心、高品质的绿色果蔬产品。通过该系统，既监督企业的行为，也保障了消费者的权益，如消费者通过该系统可查询果蔬产品在种植、运输、收购、加工甚至施肥、用药等各方面的信息，这样消费者既是受益者又是监督员，也约束了种植户与企业的行为。

3结语

本研究在借鉴国内外同类技术[25-26]基础上，针对生鲜果蔬产品生产的特点，采用RFID、一维码及二维码标签的混合编码模式，应用物联网、数据库、互联网等技术，设计并创建了生鲜果蔬产品质量安全追溯系统。系统能够实现生鲜果蔬产品从种植到销售全过程的监控与信息存储，方便消费者对产品质量进行追溯和对生产过程进行监督。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，增加了果蔬产品的信任度和附加值。本系统探讨了一种企业与农户合作的果蔬生产模式，以新技术为向导，致力于实现农户增收、企业获利的双赢局面。为果蔬产品在生产、销售过程中的信息化水平提供了支撑平台，在方便消费者溯源的同时，也为企业和监管部门对农产品供应链管理提供了优质、高效的服务平台。

参考文献：

[1]赵晔娇.人大代表聚焦食品安全呼吁完善食品追溯体系[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，赵晓东. 关于农产品安全体系建设的思考[J]. 上海交通大学学报：农业科学版，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]徐飞鹏. 本市食品安全追溯系统建设工作正式启动[EB/OL]. （2007-03-19）[2012-10-21]. http：//www.beijing.gov.cn/index.php.[ZK）]

[10]李永生. 农垦试行无公害农产品质量追溯系统EB/OL. （2010-03-01）[2012-10-21]. http：//www.safetyfood.gov.cn/ index.php.

[11]刘宇传，高红梅，张晓林. 移动式农业可追溯数据结构的开发与应用[C]. 第八届亚洲农业信息技术大会会议论文集，2012.

[12]张鉴滔，刘翔，史舟. 马铃薯质量安全管理及溯源信息系统的设计与实现[J]. 农业网络信息，2011（12）：46-48.

[13]冯天忠. 基于无线射频识别技术的果蔬安全供应链系统的构建[J]. 德州学院学报，2012（3）：30-34.

[14]张浩，许慎思，刘蕊. 射频识别技术在果蔬冷链物流管理中的应用研究[J]. 物流技术，2014（7）：348-353.

[15]刘鹏，屠康，侯月鹏. 基于射频识别中间件的粮食质量安全追溯系统[J]. 农业工程学报，2009，25（12）：145-150.

[16]许吉斌，李少波，潘伟杰，等. 特色食品的RFID编码策略研究及应用[J]. 计算机工程与设计，2013（2）：716-720.

[17]白红武，孙爱东，陈军，等. 基于物聯网的农产品质量安全溯源系统[J]. 江苏农业学报，2013，29（2）：415-420.

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

[19]宁焕生. RFID重大工程與国家物联网[M]，北京：机械工业出版社，2010：48-52.

[20]刘成生. 基于EPC标准的农产品溯源平台设计与实现[D]. 北京：中国科学院大学，2014.

[21]周江，刘伯睿. 基于Android 的产品追溯系统[J]. 软件，2013，34（5）：33-34.

[22]杜晓萌，唐碧华，吴帆. 基于Android 终端的物联网物流管理系统的设计与实现[J]. 软件，2013，34（12）：26-31.

[23]王冬. 基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现[D]. 大连：大连理工大学，2013.

[24]兰宏钟，罗红. 基于ZigBee的无线传感器网络管理系统的研究与设计[J]. 软件，2013，34（1）：30-33.

[25]位自友，张立新. RFID在种子质量安全溯源系统中的应用[J]. 江苏农业科学，2014，42（8）：397-399.

[26]李久林，亮，刘君，等. 基于二维码的蔬菜溯源信息管理平台的设计[J]. 江苏农业科学，2015，43（2）：403-405.