基于NFC標(biāo)簽的水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 源，薛佳妮，李翠麗

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083;2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

我國是世界排名第1的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)品產(chǎn)量約占全世界的70%，也是世界上唯一的養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家，2013年我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量4 547萬t，占水產(chǎn)總量的73.67%［1］。雖然產(chǎn)量巨大，但是我國水產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)狀不容樂觀，水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中存在不合理用藥、飼料添加問題及水產(chǎn)品加工企業(yè)使用禁用物質(zhì)或者摻假使假等現(xiàn)象。隨著消費(fèi)者消費(fèi)意識和產(chǎn)品質(zhì)量意識的提高，已經(jīng)從過去的只對水產(chǎn)品外觀上的直觀意識轉(zhuǎn)向了對水產(chǎn)品微生物、藥物殘留、食品添加劑等危害身體健康的因素的關(guān)注上。因此水產(chǎn)品質(zhì)量問題的關(guān)注越來越重要。

為此，越來越多的學(xué)者關(guān)注到了產(chǎn)品溯源的研究中。可追溯系統(tǒng)使得生產(chǎn)信息更加透明，提高食品質(zhì)量和衛(wèi)生安全，1997年，歐盟為應(yīng)對瘋牛病問題逐步建立起追溯系統(tǒng)。2002年頒布的178/2002號法令，要求從2004年起歐盟范圍銷售的所有食品都能夠進(jìn)行跟蹤與追溯。2004年5月，美國頒布了要求所有的食品企業(yè)建立食品流通的全過程記錄的《食品安全跟蹤條例》。澳大利亞實(shí)施了能夠追蹤家畜從出生到屠宰的國家牲畜標(biāo)識計(jì)劃［2］。我國學(xué)者已經(jīng)利用條形碼技術(shù)，對肉牛、家禽、生豬等實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖的可追溯性，但是條形碼技術(shù)存在識讀效率低、識讀操作困難、無法重用、易損壞且讀取時(shí)有朝向問題等缺點(diǎn)，而且水產(chǎn)品尤其是鮮活水產(chǎn)品的育苗、養(yǎng)殖和流通過程大多需要在水體里面完成［3］。再者由于水產(chǎn)品批量大、單體小、少有獨(dú)立包裝、鮮活運(yùn)銷為主、產(chǎn)品不易加貼加掛標(biāo)簽標(biāo)識等缺點(diǎn)，會使追溯結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，筆者提出了基于NFC標(biāo)簽的水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)，能夠達(dá)到價(jià)格低廉、重復(fù)利用、識讀效率高、識讀操作方便的效果。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 NFC標(biāo)簽技術(shù) NFC(Near Field Communication)即近距離無線通信技術(shù)，由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來，由飛利浦、諾基亞和索尼共同研制開發(fā)。NFC標(biāo)簽是被動式裝置，可用來與主動式NFC裝置(主動式NFC讀寫器)通信。NFC是一種無源產(chǎn)品，也就是說NFC本身是沒有電源的，它需要依靠手機(jī)等設(shè)備來激活，而不能自己工作。一般來說，由手機(jī)中的線圈中的電流產(chǎn)生磁場，該磁場在NFC線圈產(chǎn)生電流并產(chǎn)生感應(yīng)磁場，接收裝置在有效距離內(nèi)感應(yīng)到磁場信號，電子接收器就會開始產(chǎn)生相匹配的電流并且傳輸?shù)皆O(shè)備中，達(dá)到讀取信息的目的。因此，NFC不能長距離傳輸，只能在比較近的距離內(nèi)使用。

NFC與紅外線、藍(lán)牙等同為非接觸傳輸方式，它們具有各自不同的技術(shù)特征，可以用于各自不同的目的，其技術(shù)本身沒有太大的優(yōu)劣差別。與RFID相比，NFC是一種近距離連接協(xié)議，提供各種設(shè)備間輕松、安全、迅速而自動的通信，與其他連接方式相比，NFC是一種近距離的私密通信方式。

NFC的基本標(biāo)簽類型有4種，以1～4來標(biāo)識，各有不同的格式和容量，見表1。

表1 NFC的基本標(biāo)簽類型

NFC最大的優(yōu)勢就在于其廉價(jià)性［5］，由于是無源器件，只需要設(shè)計(jì)非常簡單的電路和極少的組件，便可制成NFC標(biāo)簽。又因水產(chǎn)養(yǎng)殖不同于其他農(nóng)副產(chǎn)品，其具有批量大、單體小、少有獨(dú)立包裝、鮮活運(yùn)銷等特點(diǎn)，所以采用價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單的NFC標(biāo)簽作為水產(chǎn)品的標(biāo)識。

NFC標(biāo)簽理論上可以存儲任何形式的數(shù)據(jù)，但考慮到NFC標(biāo)簽的存儲能力問題，該系統(tǒng)只在NFC標(biāo)簽中存儲如養(yǎng)殖品種、產(chǎn)地、追溯碼等水產(chǎn)品的基本信息，消費(fèi)者在進(jìn)行質(zhì)量追溯的時(shí)候，可以點(diǎn)擊詳細(xì)信息來查看水產(chǎn)品的其他信息。

1.2 基于XML/Web服務(wù)的數(shù)據(jù)傳遞技術(shù) 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PC端windows桌面應(yīng)用程序和手機(jī)App應(yīng)用程序進(jìn)行質(zhì)量追溯，所以涉及不同類型的網(wǎng)絡(luò)整合應(yīng)用［6］，實(shí)現(xiàn)彼此之間的通訊和數(shù)據(jù)的同步和傳輸。該系統(tǒng)基于Internet網(wǎng)絡(luò)和分布計(jì)算技術(shù)，服務(wù)器端通過UDDI進(jìn)行注冊，建立企業(yè)生產(chǎn)過程代理服務(wù)，認(rèn)證監(jiān)管代理服務(wù)等;客戶端通過WSDL建立服務(wù)調(diào)用代理，構(gòu)建了一個基于XML/Web服務(wù)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步和傳輸?shù)亩鄬哟?、分布式的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量信息交換體系。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)架構(gòu)

水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)使用NFC標(biāo)簽作為水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品不同階段的唯一標(biāo)識。由于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖批量大、單體小、少有獨(dú)立包裝、鮮活運(yùn)銷且水產(chǎn)品的育苗、養(yǎng)殖和流通等過程大多需要在水體里面進(jìn)行，所以選用NFC標(biāo)簽作為水產(chǎn)品在養(yǎng)殖、加工生產(chǎn)、運(yùn)輸儲存階段的標(biāo)識，以實(shí)現(xiàn)政府和企業(yè)通過手機(jī)或者手持式NFC掃描設(shè)備，在各個階段將信息上傳至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。消費(fèi)者可以使用手機(jī)掃描NFC標(biāo)簽或者在PC端輸入質(zhì)量追溯碼查詢信息。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)架構(gòu)

從水產(chǎn)品幼苗的進(jìn)場、養(yǎng)殖、加工生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)阶詈蟮竭_(dá)消費(fèi)者手中，每一個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)廠家通過掃描帶有水產(chǎn)品唯一標(biāo)識的NFC標(biāo)簽，將水產(chǎn)品的基本信息，如養(yǎng)殖品種、池塘名稱、池塘面積、公司名稱、公司地址、公司電話以及詳細(xì)信息［詳細(xì)信息包含放養(yǎng)時(shí)間、日常管理、巡池、投喂、用藥、捕撈、水質(zhì)檢測(時(shí)間、溶氧、溫度、pH)等］通過水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯NFC寫入系統(tǒng)上傳到數(shù)據(jù)庫中。政府也可以對水產(chǎn)品從養(yǎng)殖、加工、運(yùn)輸、零售過程進(jìn)行監(jiān)管，并隨時(shí)發(fā)布水產(chǎn)品的信息，以供消費(fèi)者查詢。消費(fèi)者可以通過在PC端輸入產(chǎn)品質(zhì)量追溯碼查詢追溯水產(chǎn)品的信息，也可以通過手機(jī)或者手持式NFC掃描設(shè)備掃描NFC標(biāo)簽來進(jìn)行追溯。

該系統(tǒng)的服務(wù)器端操作系統(tǒng)選用Windows Server 2003 Enterprise，負(fù)責(zé)Web站點(diǎn)的管理與信息發(fā)布。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為MySQL數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端編程語言選用C#2.0，并使用ASP.NET2.0作為開發(fā)工具。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理系統(tǒng)。通過漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)管理和質(zhì)量追溯系統(tǒng)的整合以及深入分析水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)過程，該系統(tǒng)包括放養(yǎng)管理、巡池管理、投喂管理、用藥管理、捕撈管理、日常操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能模塊。用戶可以在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測水中溶解氧濃度、水溫、設(shè)備電壓，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、曲線分析等，以便達(dá)到智能控制、科學(xué)管理的目標(biāo)，從而提高產(chǎn)量，保障水產(chǎn)品的質(zhì)量安全。該系統(tǒng)不僅可以在PC端進(jìn)行操作，還可以通過手機(jī)等客戶端，隨時(shí)隨地對養(yǎng)殖場的情況進(jìn)行監(jiān)控管理，通過與水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)上傳到質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)庫中，以便消費(fèi)者進(jìn)行查詢。

3.1.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯NFC寫入系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于向數(shù)據(jù)庫中寫入質(zhì)量追溯信息，每一批次的水產(chǎn)品都有對應(yīng)的追溯信息。生產(chǎn)者或者工作人員使用用戶名和密碼登陸系統(tǒng)，使用手機(jī)或者手持式NFC讀取設(shè)備掃描某一批次的水產(chǎn)品的NFC標(biāo)簽，可以將此批產(chǎn)品的養(yǎng)殖品種、產(chǎn)地、追溯碼等基本信息寫入到NFC標(biāo)簽中，同時(shí)還可以將放養(yǎng)時(shí)間、日常管理、巡池、投喂、用藥、捕撈、水質(zhì)檢測(時(shí)間、溶氧、溫度、pH)等詳細(xì)信息通過GPRS上傳到數(shù)據(jù)庫中，以供企業(yè)和政府實(shí)時(shí)監(jiān)控，供消費(fèi)者進(jìn)行質(zhì)量查詢追溯。使用者點(diǎn)擊查詢NFC標(biāo)簽按鈕，還可以查詢寫入的數(shù)據(jù)是否正確，以便于及時(shí)修改。

圖2 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯查詢系統(tǒng)流程

3.1.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯查詢系統(tǒng)。水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯查詢系統(tǒng)流程見圖2。生產(chǎn)者將水產(chǎn)品養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的信息上傳到數(shù)據(jù)庫中之后，消費(fèi)者可以通過3種方式獲取水產(chǎn)品的質(zhì)量追溯信息:①使用具備NFC掃描功能的手機(jī)或者手持式NFC掃描設(shè)備，進(jìn)入水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)后，點(diǎn)擊“NFC掃描”按鈕，將手機(jī)或者手持式NFC靠近NFC標(biāo)簽即可讀取到NFC標(biāo)簽中的信息;②在登陸水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯系統(tǒng)后，還可以點(diǎn)擊“條碼拍攝”按鈕，使用手機(jī)等自帶的攝像頭來掃描水產(chǎn)品標(biāo)簽上的條碼來追溯;③還可以點(diǎn)擊系統(tǒng)的“手動輸入”，來輸入水產(chǎn)品標(biāo)簽上面的質(zhì)量追溯碼來查詢信息。

以上3種方式在完成之后，都會顯示出該水產(chǎn)品的基本信息，如:養(yǎng)殖品種、池塘名稱、池塘面積、公司名稱、公司地址、公司電話等。通過點(diǎn)擊“詳細(xì)信息”，消費(fèi)者可以進(jìn)一步查詢該水產(chǎn)品在養(yǎng)殖過程中的各種詳細(xì)信息，如放養(yǎng)信息、巡視信息、投飼信息、用藥信息、捕撈信息、水質(zhì)監(jiān)測、日常操作等。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計(jì)的是否合理對信息管理系統(tǒng)來說至關(guān)重要。在此基礎(chǔ)上定義的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)更是決定了系統(tǒng)的功能和性能。因水產(chǎn)養(yǎng)殖的種類多、數(shù)量大，養(yǎng)殖過程十分復(fù)雜，所以涉及的信息非常龐大，需要設(shè)計(jì)一個良好的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，盡量減少冗余數(shù)據(jù)［4］，達(dá)到方面快捷的目的。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

通過對水產(chǎn)養(yǎng)殖日常工作流程進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析，確定了該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能。不同角色的用戶通過用戶名和密碼登陸到系統(tǒng)中可以選擇不同養(yǎng)殖池塘、不同品種及批次、所屬不同企業(yè)的水產(chǎn)品進(jìn)行例如捕撈、放養(yǎng)、巡塘、用藥等操作信息的寫入，據(jù)此建立如圖4所示的E－R模型，每個表都有自己的主鍵，各個表通過外鍵進(jìn)行聯(lián)系。

圖4 系統(tǒng)E－R模型

在此E－R圖的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的關(guān)系模型是:用戶 (ID，登錄名，登陸密碼，真實(shí)姓名，手機(jī)號，郵箱，地址，用戶類型，所屬企業(yè));企業(yè)(ID，企業(yè)名稱，企業(yè)電話，企業(yè)地址，企業(yè)介紹);品種(ID，品種名稱，品種編號);池塘(ID，池塘名稱，池塘編號，池塘面積，所屬企業(yè));池塘用戶關(guān)聯(lián)表(ID，池塘ID，用戶ID);批次(ID，池塘ID，批次號，養(yǎng)殖品種，開始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間，追溯碼，二維碼，所屬企業(yè));放養(yǎng)信息(ID，池塘ID，批次，養(yǎng)殖品種，放養(yǎng)日期，放養(yǎng)重量，用戶ID，所屬企業(yè));巡塘信息(ID，池塘ID，巡塘日期，巡視結(jié)果，用戶ID，所屬企業(yè));日常操作(ID，池塘ID，用戶ID，所屬企業(yè)，操作名稱，操作內(nèi)容，記錄日期);投飼信息(ID，投飼日期，餌料名稱，投飼量，池塘ID，用戶ID，所屬企業(yè));用藥信息(ID，用藥日期，藥品名稱，用藥量，池塘ID，用戶ID，所屬企業(yè));捕撈信息(ID，捕撈日期，捕撈品種，捕撈量，池塘ID，用戶ID，所屬企業(yè))。按照確定的關(guān)系模型，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)字典如表2～5所示。

表2 用戶表

表3 企業(yè)表

表4 品種表

表5 池塘表

4 結(jié)語

水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量追溯作為水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控的有效手段越來越受到人們關(guān)注。該研究以水產(chǎn)品為對象，采用基于NFC標(biāo)簽和XML/Web服務(wù)數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)，構(gòu)建了多層次、多權(quán)限、多角色的鏈接養(yǎng)殖、生產(chǎn)、監(jiān)管和消費(fèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖質(zhì)量管理系統(tǒng)，并以短信等多種方式向消費(fèi)者提供服務(wù)。該系統(tǒng)利用Web服務(wù)技術(shù)解決了在不同設(shè)備端、不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)的同步的問題，實(shí)現(xiàn)了信息融合、查詢、監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品安全預(yù)警機(jī)制提供了可能，對水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)有著積極的意義。

［1］中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局.中華人民共和國2013年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.2013.

［2］楊信廷，錢建平，孫傳恒，等.蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(3):162 －166.

［3］陳雷雷，金淑芳，李俊，等.基于RFID的水產(chǎn)食品可追溯體系研究［J］.農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2009，30(1):51 －54，70.

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［5］TRIGGSR.All you need to know about NFCTags［Z］.Android Authority，2013.

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