物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用研究

王宇飛

（黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院電子工程系，黑龍江哈爾濱150086）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用研究

王宇飛

（黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院電子工程系，黑龍江哈爾濱150086）

食品安全作為國民生活最為重要的基礎(chǔ)層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光，對食品安全的重視程度，比以往任何時期都顯得更為重要和迫切.基于此需求，在食品生產(chǎn)、流通、環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案.利用一套標(biāo)準(zhǔn)兼容、跨越多個垂直解決方案，整合食品安全生產(chǎn)、流通、管理各個環(huán)節(jié)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，形成食品安全大數(shù)據(jù)服務(wù)的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過程管理問題，形成可信的第三方食品安全數(shù)據(jù)資料.

物聯(lián)網(wǎng)；食品安全云計(jì)算；食品溯源；北斗物流應(yīng)用

中國自古以來就是一個農(nóng)業(yè)大國，地域遼闊，我國農(nóng)業(yè)起源的時間上推至萬年以前.農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要.但是在中國自然災(zāi)害頻發(fā)，氣候復(fù)雜多變，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于解決“三農(nóng)”問題是一個很好的發(fā)展機(jī)遇.

食品安全作為國民生活最為重要的基礎(chǔ)層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光，對食品安全的重視程度，比以往任何時期都顯得更為重要和迫切.基于此需求，在食品生產(chǎn)、流通、環(huán)節(jié)，出現(xiàn)了多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案.利用一套標(biāo)準(zhǔn)兼容、跨越多個垂直解決方案，整合食品安全生產(chǎn)、流通、管理各個環(huán)節(jié)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，形成食品安全大數(shù)據(jù)服務(wù)的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過程管理問題，形成可信的第三方食品安全數(shù)據(jù)資料.

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用需求

近年來，各項(xiàng)食品安全事件層出不窮，保衛(wèi)舌尖上的安全，已經(jīng)成為各級政府、食品行業(yè)相關(guān)企業(yè)的核心問題.食品安全的源頭在于農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)產(chǎn)品一旦遭受污染，整個食品產(chǎn)業(yè)鏈的安全就無法得到保證.因此，把好“源頭關(guān)”顯得至關(guān)重要.曾幾何時，部分農(nóng)戶和企業(yè)受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，違反生物生長規(guī)律，過度噴灑農(nóng)藥、施放化肥，投放添加劑和激素，以期縮短生長周期，增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量.殊不知這樣的生產(chǎn)方式雖然帶來了短暫的經(jīng)濟(jì)利益，但給土壤、水源等生態(tài)環(huán)境造成很大破壞，甚至直接威脅人們的身體健康.如何在選種、用肥、施肥等方面采用嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)是食品安全源頭的保障.

物物互聯(lián)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村信息化領(lǐng)域已經(jīng)有了初步應(yīng)用，如傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用、智能化專家管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測和遙感系統(tǒng)、生物信息和診斷系統(tǒng)、食物安全追溯系統(tǒng)等.

通過物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時傳感采集和歷史數(shù)據(jù)存儲，能夠摸索出植物生長對溫、濕、光、土壤的需求規(guī)律，提供精準(zhǔn)的科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過智能分析與聯(lián)動控制功能，能夠及時精確地滿足植物生長對環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)的要求，達(dá)到高幅度增產(chǎn)的目的；通過光照和溫度的智能分析與精確干預(yù)，能夠使植物，特別是名貴花卉的花期完全遵循人工調(diào)節(jié).目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展項(xiàng)目有很多，比如：土壤養(yǎng)分、墑情監(jiān)測，為作物選擇和耕種方式提供指導(dǎo)；糧情信息監(jiān)測，為監(jiān)管部門科學(xué)決策保護(hù)糧食安全提供有效數(shù)據(jù)；農(nóng)業(yè)大棚溫室監(jiān)控、田間自動化管理，通過連續(xù)監(jiān)測土壤濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時滴灌補(bǔ)水；二維碼動物溯源，通過食品追溯標(biāo)簽使消費(fèi)者全面了解產(chǎn)品信息，確保食品安全.

其次，在食品流通環(huán)節(jié)，如何有效的利用好各管理部門的流通檢測能力、建立高效共享的數(shù)據(jù)平臺.掌控流通的數(shù)量、溫度、時間等重要信息，避免食品在流通環(huán)節(jié)的變質(zhì)、摻雜、造假等問題的出現(xiàn)，也對食品的倉儲、物流、終端銷售信息的及時傳遞提出了更高的要求.

國內(nèi)已出現(xiàn)的食品安全追溯系統(tǒng)，正是這一環(huán)節(jié)的管理.以豬肉安全為例：進(jìn)入農(nóng)貿(mào)市場的豬肉安裝上電子芯片，以跟蹤豬肉產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、批發(fā)，以及零售等各個環(huán)節(jié).具體來說，即在農(nóng)貿(mào)市場的豬肉經(jīng)營店配備電子溯源秤，消費(fèi)者在購買豬肉時可索取含有食品安全追溯碼的收銀條，憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來源、屠宰場、質(zhì)量檢疫等多方面的信息.

但是，如何將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通、監(jiān)督檢驗(yàn)，各個系統(tǒng)，各個環(huán)節(jié)的信息自動化、高效率的進(jìn)行同步，形成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)，來全面系統(tǒng)的涵蓋食品生產(chǎn)流通的全過程，就需要采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)這三種技術(shù).將信息整合，形成集成應(yīng)用.

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 生產(chǎn)監(jiān)測及管理系統(tǒng)

通過傳統(tǒng)傳感器技術(shù).可以獲取到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù).典型應(yīng)用如農(nóng)田，溫室大棚，果園的采集光照、溫度、土壤水含量、CO2濃度等影響農(nóng)作物生長信息的采集.漁塘中放置傳感器，實(shí)時監(jiān)測魚塘溶解氧、水質(zhì)情況，自動控制氧泵開啟和關(guān)閉，同時顯示在監(jiān)控子系統(tǒng)上，大大的提高魚苗的成活率，而且能有效的防治水污染.或禽舍的溫度,濕度,空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)采集等.

這些數(shù)據(jù)的采集，可以通過傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)配合網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸?shù)胶笈_中心.數(shù)據(jù)可儲存為食品生產(chǎn)的基礎(chǔ)信息供分析和查詢，也可根據(jù)預(yù)設(shè)的配置策略，對農(nóng)田生產(chǎn)端的遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行自動化的開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動灌溉，自動施肥的精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn).

2.2 溯源查詢系統(tǒng)

溯源查詢系統(tǒng)，是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以采集生長、物流、加工及流通銷售過程中的數(shù)據(jù)，建立食品溯源數(shù)據(jù)中心.消費(fèi)者和稽查人員不但可以實(shí)時的通過物聯(lián)網(wǎng)連接至后臺追溯數(shù)據(jù)中心，了解食品的前世今生，而且可以及時反饋虛假、錯誤信息.已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及功能包括：在線實(shí)時生成追溯信息Web二維碼、設(shè)計(jì)適合食品安全信息的加密機(jī)制和策略、設(shè)計(jì)Web二維碼生成算法及開發(fā)套件、支持混合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在邏輯層的智能融合傳輸機(jī)制、支持食品安全追溯業(yè)務(wù)對食品數(shù)據(jù)的時空屬性序列化要求、提供異構(gòu)終端鑒權(quán)接入的統(tǒng)一食品安全查詢服務(wù)平臺等多個層面的內(nèi)容，共同構(gòu)成了食品安全溯源體系.

溯源體系的運(yùn)營核心，是產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通信息.這些信息來源的真實(shí)和可靠，是溯源信息真實(shí)的重要基礎(chǔ).所以，盡可能的在溯源系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最大程度的減少各生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的人為干擾，才能實(shí)現(xiàn)溯源信息的客觀、公正、透明.

2.3 流通環(huán)節(jié)GPS監(jiān)控及溫控系統(tǒng)

流通環(huán)節(jié)的規(guī)范運(yùn)行，是食品行業(yè)保障食品安全的重要一環(huán).不同的食品種類，對倉儲、流通，有著不同的溫度、濕度等環(huán)境要求.優(yōu)質(zhì)的食品，如果不能在適宜的條件、規(guī)定的時間內(nèi)完成食品的物流環(huán)節(jié)，勢必將變成過期食品、變質(zhì)食品.針對流通的狀態(tài)監(jiān)控，主流的應(yīng)用是GPS與無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成的模式.通過GPS模塊獲取位置信息、額外通過其他的溫度探測模塊，獲取到貨箱溫度信息.將信息編碼后通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到平臺.相對更為優(yōu)越的方案，是北斗系統(tǒng).依靠北斗系統(tǒng)獨(dú)有的報文上傳技術(shù)，在定位的同時，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)獲取到位置、溫度、速度等相關(guān)信息，將使得流通環(huán)節(jié)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行更為高效穩(wěn)定.

2.4 第三方檢測及報告系統(tǒng)

第三方檢測報告系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的持久化及終端虛擬化技術(shù).將分散在農(nóng)技站、質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督、食品藥品監(jiān)管，等多個部門、多種終端、多種數(shù)據(jù)格式的信息.通過數(shù)據(jù)抓取，同步到服務(wù)平臺，供溯源查詢及管理使用.

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用集成框架

食品生產(chǎn)源為食品分配二維碼，在食品生產(chǎn)過程中，食品生產(chǎn)商與質(zhì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)分別采集食品詳細(xì)信息、認(rèn)證狀況等食品安全數(shù)據(jù)，存入食品安全追溯數(shù)據(jù)中心；并利用二維碼在線生成系統(tǒng)，打印標(biāo)簽，粘貼在食品包裝上；稽查人員使用二維碼識讀系統(tǒng)，可以方便的進(jìn)行抽樣檢查.消費(fèi)者購買產(chǎn)品時，只需手機(jī)掃碼或編輯短號發(fā)短信，即可隨時隨地查詢食品源信息與質(zhì)量認(rèn)證等信息，并可及時舉報虛假、錯誤信息.

整個系統(tǒng)采用分層架構(gòu)模式來實(shí)現(xiàn)，分別由數(shù)據(jù)采錄層、融合網(wǎng)絡(luò)層、時空數(shù)據(jù)引擎層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層四層組成，技術(shù)架如圖1所示.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用集成框架

3.2 食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息獲取和生產(chǎn)控制

食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息獲取和生產(chǎn)控制主要包括三方面內(nèi)容:傳感設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù).通常分解為感知層：傳感器網(wǎng)絡(luò)（溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、CO2濃度等傳感器等）和無線監(jiān)控終端（用于水、飼料的遠(yuǎn)程投放開關(guān)控制）；傳輸層：傳感器網(wǎng)絡(luò)由zigbee協(xié)議組成前段網(wǎng)絡(luò)，CDMA 1X/GPRS協(xié)議組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層：由數(shù)據(jù)持久化中間件、業(yè)務(wù)處理中間件、邏輯控制組件構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用及管理系統(tǒng).圖2展示了相關(guān)生產(chǎn)信息通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)管理及控制的過程.

圖2 生產(chǎn)信息的物聯(lián)網(wǎng)管理及控制過程

3.3 食品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)同步

在食品流通環(huán)節(jié)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的獲取存在兩種情況：一種是原始數(shù)據(jù)直接通過通信接口，上傳到系統(tǒng)平臺.這種形式，只要在通信層確保數(shù)據(jù)協(xié)議的一致，正確的響應(yīng)通信協(xié)議的應(yīng)答，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行正確的解析即可.另一種相對復(fù)雜的情況，是原始數(shù)據(jù)存儲于第三方系統(tǒng).在這種情況下，就需要進(jìn)行異構(gòu)數(shù)據(jù)的同步.

采用類似MobiLink這樣的工具，可解決將一個統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)器與大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫進(jìn)行同步（通常包含多個移動數(shù)據(jù)庫）的問題.此同步策略是基于連接的，遠(yuǎn)程同步的數(shù)據(jù)源可隨時進(jìn)行連接.在每次進(jìn)行連接之后，數(shù)據(jù)庫是完全同步的.

具體工作方式是：將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫上的多個事務(wù)的結(jié)果合并成一個更改集，然后應(yīng)用到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中.因?yàn)橥绞冀K在事務(wù)邊界進(jìn)行的，所以保持了參照完整性.不保留在組件事務(wù)過程中所做的各個更改的順序：因?yàn)閺牟粡?fù)制未提交的數(shù)據(jù)，所以保留了數(shù)據(jù)完整性.

MobiLink分為服務(wù)器端和客戶端兩部分.MobiLink服務(wù)器與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫連接，MobiLink客戶端則與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接.進(jìn)行同步時，當(dāng)MobiLink遠(yuǎn)程站點(diǎn)打開與MobiLink同步服務(wù)器的連接時，通常便開始了同步過程.同步期間，遠(yuǎn)程站點(diǎn)的MobiLink客戶端將上載自上一次同步以來對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫所作的更改.MobiLink同步服務(wù)器在收到這些數(shù)據(jù)時開始更新統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，然后將統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中的更改下載到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫.

所以，建立食品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)同步信息數(shù)據(jù)庫，只需要在原有的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫上建立發(fā)布，將發(fā)布信息發(fā)送給MobiLink Client，即可完成異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步.

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用鏈上的其他環(huán)節(jié)，如電信運(yùn)營商以及終端商應(yīng)充分發(fā)掘潛在市場，為各自在物聯(lián)網(wǎng)版圖上占有一席之地作好準(zhǔn)備.為監(jiān)管部門提供食品安全追溯的行業(yè)解決方案，并進(jìn)一步將方案發(fā)展到奶制品、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)等方面；整合農(nóng)業(yè)信息資源，為農(nóng)民提供具有針對性的信息服務(wù)；與有關(guān)行業(yè)協(xié)會、統(tǒng)計(jì)部門展開合作，為農(nóng)戶提供有用的農(nóng)作物產(chǎn)銷信息，為溫室、系統(tǒng)和芯片生產(chǎn)企業(yè)提供行業(yè)信息；在芯片生產(chǎn)上應(yīng)具有針對性，開發(fā)適合特定業(yè)務(wù)（如信息溯源）的芯片；加大對芯片應(yīng)用配套設(shè)備的研發(fā).

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不同的階段，都可以用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高工作效率.在種植和培育階段，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析實(shí)時的土壤信息，來選擇合適的農(nóng)作物；在農(nóng)產(chǎn)品的收獲階段，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個廉價的信息采集，從而在種植收獲階段進(jìn)行更精準(zhǔn)的測算.

在生鮮農(nóng)產(chǎn)品流通方面，需要對儲運(yùn)環(huán)境的溫度和農(nóng)產(chǎn)品的水分進(jìn)行控制.環(huán)境溫度過高，可能會發(fā)生大批農(nóng)產(chǎn)品的腐爛，水分不足，會使品質(zhì)受到影響，在這個環(huán)節(jié)要借助物聯(lián)網(wǎng)的幫助.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)畜禽產(chǎn)品從養(yǎng)殖、屠宰到運(yùn)輸、銷售的全過程質(zhì)量控制，并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量溯源，可實(shí)現(xiàn)畜禽生產(chǎn)檔案管理（畜禽信息、飼料信息、疾病防疫等），實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽和條碼間信息的轉(zhuǎn)換，條碼標(biāo)簽的打印，基于網(wǎng)站、電話和手機(jī)短信的畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全的溯源查詢功能.

4 結(jié)束語

盡管物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通等環(huán)節(jié)已經(jīng)有一些應(yīng)用.但各應(yīng)用環(huán)節(jié)相脫離的問題仍存在.而且我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力與國外先進(jìn)國家相比，仍存在很大的差距，平均單位產(chǎn)量低于國外的30%，單位產(chǎn)量成本大于國外的50%，由于不合理的使用農(nóng)藥，產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)低于國外水平.其落后的主要原因是資金缺乏、設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備落后；沒有獲取專家指導(dǎo)的途徑，大多沿襲傳統(tǒng)的種植方法，生產(chǎn)管理粗放，造成設(shè)施的智能化水平低.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通環(huán)節(jié)出現(xiàn)的相關(guān)問題，提供一條技術(shù)支持的思路.為農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)、保障食品安全提供信息化的支撐.

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1673-260X（2014）05-0010-03