基于云平臺和體溫標(biāo)簽的豬肉質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)

楊奉陽++秦興++陳浩++鄭騰飛

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.121

摘要：建立一種基于云平臺、射頻識別、SOA、二維碼、追溯碼等技術(shù)的豬肉質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。系統(tǒng)采用植入式無源RFID標(biāo)記豬體身份并測量體溫，采用標(biāo)簽閱讀器采集養(yǎng)殖階段、屠宰階段、冷鏈階段和零售階段的數(shù)據(jù)。依托于SaaS服務(wù)模式，系統(tǒng)采用Spring輕量級架構(gòu)和MVC分層模式構(gòu)建追溯云平臺，用以分析體溫?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)測健康狀況，預(yù)警疾病疫情信息，并生成消息通知，以此提醒工作人員及時(shí)采取措施。追溯云平臺生成與豬體ID、胴體ID相對應(yīng)的二維碼、追溯碼，消費(fèi)者掃描二維碼或使用追溯碼即可查詢豬肉的全程信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅可以追溯全程信息，而且能夠監(jiān)測豬體健康情況，有效地防止了病死豬肉流入屠宰加工環(huán)節(jié)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在追溯全程信息的基礎(chǔ)上增加了監(jiān)測預(yù)警功能，為進(jìn)一步研究食品安全追溯系統(tǒng)提供了參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：豬肉追溯；云平臺技術(shù)；射頻識別；植入式無源RFID；監(jiān)測預(yù)警

中圖分類號： TS207.7；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0414-05

收稿日期：2015-08-31

基金項(xiàng)目：工業(yè)和信息化部2014年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)資金（編號：工信廳聯(lián)科〔2014〕74號）。

作者簡介：楊奉陽（1990—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)方向研究。E-mail：fredyounghdu@163.com。

通信作者：秦興，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)方向研究。E-mail：qinx@hdu.edu.cn。近年來，食品安全問題層出不窮，尤其是在豬肉食品領(lǐng)域，如“嘉興死豬”“瘦肉精”“僵尸肉”等事件。食品安全重于泰山，建立科學(xué)合理的食品安全追溯系統(tǒng)，保障食品安全和提升食品品質(zhì)，不僅是當(dāng)今世界食品安全領(lǐng)域的兩大主題，也是國際上食品進(jìn)出口大國之間展開競爭的主要方式，受到了全世界的關(guān)注[1-3]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了許多追溯方法并應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)生活中[4-6]。在水產(chǎn)品方面，顏波等提出了基于射頻識別、電子編碼、物聯(lián)網(wǎng)的追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)品的全程追溯[7]。在谷物產(chǎn)品方面，Liang等提出了基于二維碼、ARM控制器的追溯系統(tǒng)，將原產(chǎn)地的GPS、環(huán)境數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)化的管理追溯[8]。在追溯方式上，趙麗等提出了手機(jī)識別二維碼的方式，降低了追溯復(fù)雜度，解決了成本高和便攜性差的問題[9]。在發(fā)達(dá)國家，相關(guān)專家和學(xué)者對射頻識別等技術(shù)在追溯領(lǐng)域的應(yīng)用同樣進(jìn)行了大量研究，如使用電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)牲畜的管理追溯，使用標(biāo)簽和二維碼實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、加工過程的追溯等等[10-13]。

目前，食品追溯雖取得了一定的研究成果，然而由于涉及企業(yè)多、地域廣和技術(shù)水平有限，仍有兩點(diǎn)問題需要解決。一是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖階段信息追溯，追溯養(yǎng)殖階段信息一直是追溯的難點(diǎn)，目前的方法或是追溯不到，或是只能追溯到身份而無法追溯飼料、防疫、體溫、健康狀況等詳細(xì)信息；二是實(shí)現(xiàn)早期監(jiān)測預(yù)警，防止病死家畜流入屠宰加工環(huán)節(jié)。此外，由于環(huán)節(jié)多、軟件多，導(dǎo)致追溯系統(tǒng)復(fù)雜和推廣成本過高。針對上述問題，本研究提出了基于云平臺和體溫標(biāo)簽的豬肉質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。

1材料與方法

1.1云平臺技術(shù)

軟件即服務(wù)（SaaS，Software-as-a-Service）是一種通過Internet提供軟件服務(wù)的新型互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式。云平臺是提供基于云服務(wù)的軟件，開發(fā)人員可以專注于自己的核心業(yè)務(wù)，不必重復(fù)搭建網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施和運(yùn)行平臺，只需要創(chuàng)建新的SaaS應(yīng)用即可。面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（SOA，Service-Oriented Architecture）是服務(wù)的組建模型，通過約定的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用之間的互通和調(diào)用。用戶可以根據(jù)自己的需求對接第三方軟件服務(wù)，無需考慮不同系統(tǒng)、不同設(shè)備之間的兼容性問題。追溯是一個(gè)涉及企業(yè)多、系統(tǒng)多、地域廣、數(shù)據(jù)分散的領(lǐng)域，重新開發(fā)包含上述功能的平臺需要非常高的成本，復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯也會令研發(fā)人員望而卻步，而且不適合實(shí)際應(yīng)用和后續(xù)擴(kuò)展。采用基于云平臺的軟件服務(wù)，通過SOA結(jié)構(gòu)對接不同的企業(yè)和系統(tǒng)將會極大地降低開發(fā)運(yùn)行成本，而且平臺易于擴(kuò)展和推廣，為后續(xù)的持續(xù)發(fā)展提供了空間。因此，基于SaaS的追溯云平臺是最佳選擇。

如圖1所示，地域上分散的養(yǎng)殖、屠宰、冷鏈、零售等企業(yè)可以通過互聯(lián)網(wǎng)接入追溯云平臺。隨著業(yè)務(wù)發(fā)展，相關(guān)的第三方的企業(yè)和機(jī)構(gòu)、監(jiān)管平臺、飼料企業(yè)、醫(yī)藥企業(yè)、專家團(tuán)隊(duì)也可以陸續(xù)接入，最大限度地發(fā)揮平臺優(yōu)勢，整合資源。云平臺獲取食品生產(chǎn)過程中上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、協(xié)同處理，生成追溯、監(jiān)測和預(yù)警信息。隨著時(shí)間推移，追溯云平臺將擁有龐大的數(shù)據(jù)量，通過大數(shù)據(jù)分析將可以提取出更多有價(jià)值的信息，為下一步的大數(shù)據(jù)分析提供了數(shù)據(jù)儲備。

1.2植入式無源RFID

標(biāo)記家畜身份是追溯的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到追溯的完整性和準(zhǔn)確性。國內(nèi)外目前使用的動物身份標(biāo)記方法有耳槽、刺青、熱燙、耳標(biāo)、條形碼耳標(biāo)、電子耳標(biāo)等技術(shù)。然而，這些標(biāo)

記方法都有一定的缺陷，如耳槽、刺青、熱燙、耳標(biāo)等方法不包含電子信息，不能進(jìn)行智能化管理。二維碼耳標(biāo)則受到打印、讀取技術(shù)的限制，當(dāng)覆蓋污漬或受到磨損時(shí)，讀取更加困難[14]。電子耳標(biāo)則容易受損脫落，導(dǎo)致追溯信息斷裂，當(dāng)僅起到標(biāo)記身份作用不能提升養(yǎng)殖管理水平時(shí)就增加了成本，因此養(yǎng)殖戶的使用積極性并不高。

體溫與機(jī)體健康密切相關(guān)，是確定疾病性質(zhì)和嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。Nagl等還以此設(shè)計(jì)了用于遠(yuǎn)程監(jiān)測家畜體溫的可穿戴設(shè)備，根據(jù)體溫預(yù)測疾病和疫情[15]。在健康狀態(tài)下，家畜的體溫保持恒定并且波動范圍非常小，而口蹄疫等疫情則會使群體出現(xiàn)大面積的體溫升高[16]。本研究采用基于植入式無源RFID技術(shù)的體溫標(biāo)簽（如圖2所示）獲取動物體溫，標(biāo)記動物身份，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到追溯云平臺，供用戶遠(yuǎn)程登錄訪問，從而避免了損壞、脫落等缺陷[17]。

1.3追溯體系

一般的追溯系統(tǒng)多是追溯到動物的身份為止，這樣導(dǎo)致了信息不完整，一旦出現(xiàn)問題難以定位癥結(jié)所在，給產(chǎn)品的召回、責(zé)任的追究增加了難度。實(shí)際上，完整的豬肉供應(yīng)過程起始于種豬的產(chǎn)仔，然后是保育、養(yǎng)殖、商品豬、屠宰、運(yùn)輸、銷售等過程，最后才到達(dá)消費(fèi)者的餐桌，其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都與豬肉安全息息相關(guān)。

如圖3所示，系統(tǒng)以追溯云平臺為核心，采用植入式無源RFID、胴體標(biāo)簽、分欄站、標(biāo)簽閱讀器（手持或固定式）、車載數(shù)據(jù)上傳設(shè)備、電子秤、二維碼、追溯碼、智能手機(jī)等終端，結(jié)合現(xiàn)有的投入品、種豬繁育、養(yǎng)殖、屠宰、運(yùn)輸、銷售等過程，借助互聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)構(gòu)建豬肉安全追溯系統(tǒng)。從種豬的品系為起點(diǎn)，包含豬體在養(yǎng)殖階段的飼料、用藥、體溫、疾病信息，然后是屠宰、冷鏈、零售過程，直到成為消費(fèi)者手中的產(chǎn)品，基本上涵蓋了整個(gè)生產(chǎn)過程，一旦發(fā)現(xiàn)問題，能夠快速定位問題點(diǎn)，為科學(xué)及時(shí)地采取處理措施提供了依據(jù)。

1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.4.1追溯云平臺基于SaaS的追溯云平臺是追溯系統(tǒng)的核心，豬肉生產(chǎn)流程中的所有環(huán)節(jié)都接入到該平臺，并面向食品安全監(jiān)管部門、企業(yè)和消費(fèi)者3個(gè)主要群體。平臺通過用戶角色權(quán)限對每個(gè)群體提供不同的追溯深度。對于消費(fèi)者，系統(tǒng)提供消費(fèi)者所關(guān)心的產(chǎn)品信息；對于食品安全監(jiān)管部門，系統(tǒng)提供所有供應(yīng)環(huán)節(jié)的信息；對于相關(guān)企業(yè)，系統(tǒng)提供供應(yīng)鏈中與本企業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)信息，供工作人員查看維護(hù)，以防數(shù)據(jù)遺漏。

追溯云平臺采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，基于Spring輕量級框架的MVC 3層設(shè)計(jì)模式，如圖4所示。數(shù)據(jù)庫層采用MySQL開源數(shù)據(jù)庫，通過存儲過程對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，通過iBATIS框架進(jìn)行存儲操作。中間層包含系統(tǒng)涉及的主要模塊，提供身份認(rèn)證和接口服務(wù)，通過接口調(diào)用第三方SOA服務(wù)，并與數(shù)據(jù)庫層交互。頁面層采用響應(yīng)式頁面布局適配PC和移動終端，通過HTML標(biāo)志語言開發(fā)前端頁面，以醒目樣式顯示異常的消息通知。本研究在Windows操作系統(tǒng)下搭建開發(fā)環(huán)境，使用MyEclipse集成開發(fā)工具編寫Java語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，通過WebService接口接收標(biāo)簽閱讀器上傳的數(shù)據(jù)，并獲取對接的飼料系統(tǒng)中的飼料信息，采用Apache公司的tomcat應(yīng)用服務(wù)器，系統(tǒng)最終部署并運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下。

基于上述追溯體系，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，對接政府監(jiān)管平臺，方便企業(yè)及時(shí)地掌握新聞?wù)?、法律法?guī)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息；消息通知模塊用于生成異常報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)公告等信息，便于企業(yè)和管理人員監(jiān)測動物健康狀況；屠宰、冷鏈、零售模塊則采集在此階段下的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供2種追溯方式，二維碼追溯和追溯碼追溯，方便消費(fèi)者使用。

1.4.2養(yǎng)殖階段在養(yǎng)殖階段，幼豬斷奶后即植入無源RFID標(biāo)簽，并測量體溫。工作人員將動物的身份、體溫、品種、所在牧場、豬舍、欄期、體重、出生日期、經(jīng)辦人等數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到追溯云平臺。此時(shí)，主要采用分欄站（如圖6所示）或移動手持機(jī)（如圖7所示）采集數(shù)據(jù)。其中，分欄站的控制器是牧場的控制樞紐，控制整個(gè)牧場的智能設(shè)備，包括分欄、環(huán)境、采食、稱重、體溫等，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)（有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、移動網(wǎng)絡(luò)）上傳到養(yǎng)殖管理云平臺和追溯云平臺。養(yǎng)殖和追溯的復(fù)用不僅充分發(fā)揮了分欄站的價(jià)值，而且便于牧場的智能化、科學(xué)化管理。手持機(jī)則通過無線網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)上傳到云平臺。

根據(jù)豬的體溫設(shè)定正常區(qū)間，超出時(shí)追溯平臺生成消息通知，提醒養(yǎng)殖人員重點(diǎn)監(jiān)測該個(gè)體，當(dāng)出現(xiàn)大面積體溫異常時(shí)，往往預(yù)示了疫情的出現(xiàn)，養(yǎng)殖人員要及時(shí)采取應(yīng)對措施。

1.4.3屠宰階段在屠宰階段，屠宰單位可先在追溯云平臺導(dǎo)出家畜健康狀況報(bào)表，挑選健康個(gè)體。對于曾患有疾病的家畜要重點(diǎn)檢測，防止病死豬流入屠宰環(huán)節(jié)。工作人員檢疫待宰家畜，并重點(diǎn)檢疫曾經(jīng)患病和體溫異常的個(gè)體，一旦檢疫結(jié)果不合格則將家畜退回到牧場，待該個(gè)體痊愈后才可以再次進(jìn)入屠宰階段。工作人員采用手持機(jī)將標(biāo)簽ID、體溫、胴體標(biāo)簽ID、單位、時(shí)間、經(jīng)辦人等信息上傳到追溯云平臺。

1.4.4冷鏈階段在冷鏈階段，工作人員采用手持機(jī)將胴體標(biāo)簽ID、車次、運(yùn)輸溫度、運(yùn)輸單位、進(jìn)出庫時(shí)間、經(jīng)辦人等信息上傳到追溯云平臺。同時(shí)，上傳冷鏈車輛的GPS信息，平臺調(diào)用SOA服務(wù)，接入第三方電子地圖，顯示車輛的行駛路線。

1.4.5零售階段在零售階段，工作人員根據(jù)消費(fèi)者需求分割肉塊，使用固定式標(biāo)簽閱讀器將胴體標(biāo)簽ID、分割質(zhì)量、分割時(shí)間、分割肉質(zhì)量、經(jīng)辦人等信息上傳到追溯云平臺。追溯云平臺自動生成與ID相對應(yīng)的二維碼、追溯碼，并下發(fā)到電子秤，電子秤打印產(chǎn)品信息條。工作人員將產(chǎn)品信息條粘貼到外包裝上即完成了零售過程。

1.4.6追溯階段參照農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T1 431—2007《農(nóng)產(chǎn)品追溯編碼導(dǎo)則》，采用29位的追溯條碼，包含20位產(chǎn)品產(chǎn)地編碼和9位產(chǎn)品信息碼[18-19]。產(chǎn)品產(chǎn)地編碼含義包括6位縣行政區(qū)劃、3位鄉(xiāng)鎮(zhèn)編碼、3位村編碼、5位產(chǎn)地分類代碼和3位流水號；產(chǎn)品信息碼包括3位產(chǎn)品備案號、3位生產(chǎn)批次號、3位采收批次號。追溯云平臺采用QR編碼技術(shù)，生成包含追溯網(wǎng)址和追溯條碼信息的二維碼，其所含信息更豐富，容錯(cuò)能力更強(qiáng)，使用也更方便。

2結(jié)果與分析

2.1監(jiān)測預(yù)警

追溯系統(tǒng)以金華大堰河農(nóng)牧場為試點(diǎn)單位，在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置體溫正常范圍為38～39.5 ℃，分欄站和手持機(jī)通過HTTP協(xié)議，借助WebService接口，將JSON格式數(shù)據(jù)上傳到追溯云平臺，系統(tǒng)以報(bào)表形式列出體溫?cái)?shù)據(jù)（如圖8所示）。數(shù)據(jù)庫層采用存儲過程每隔固定時(shí)間對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)體溫異常時(shí)，生成包含動物編號、發(fā)布時(shí)間、消息類型、發(fā)布人等信息的數(shù)據(jù)，并插入到消息通知列表，界面層的 HTML 標(biāo)志語言通過CSS屬性，以醒目方式顯示報(bào)警消息通知（圖9），提醒養(yǎng)殖人員及時(shí)處理。有時(shí)僅僅看到消息通知不能滿足養(yǎng)殖人員的需要，此時(shí)，點(diǎn)擊標(biāo)題可以查看消息通知的具體內(nèi)容，便于采取更加有針對性的處理措施。

2.2產(chǎn)品追溯

追溯產(chǎn)品信息保障了消費(fèi)者的知情權(quán)，是讓消費(fèi)者放心消費(fèi)的重要手段。隨著智能手機(jī)的普及，采用手機(jī)掃碼追溯的方式越來越符合消費(fèi)者的需求，為滿足不同的消費(fèi)者，本研究還提供了登錄追溯平臺，輸入追溯碼追溯的方式。研究表明，消費(fèi)者傾向于了解產(chǎn)品的部分信息，而并非全部信息，過多的信息會導(dǎo)致信息過載，降低用戶體驗(yàn)，當(dāng)消費(fèi)者希望看到更多信息時(shí)再提供詳細(xì)信息[20]。采用安卓手機(jī)微信客戶端掃描產(chǎn)品二維碼，追溯到的產(chǎn)品信息如圖10所示。

3結(jié)論和討論

本研究在調(diào)研了國內(nèi)外的食品追溯現(xiàn)狀后， 結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，采用植入式無源RFID、云平臺等技術(shù)設(shè)計(jì)了豬肉追溯系統(tǒng)，并在浙江省的部分企業(yè)試點(diǎn)應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豬肉的全程追溯和監(jiān)測預(yù)警功能，能夠在養(yǎng)殖階段監(jiān)測家畜的健康狀況，防止病死家畜流入生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)。該研究不只是局限于豬肉食品，也為牛、羊等肉類食品的追溯提供了參考價(jià)值。食品安全是關(guān)系到人們健康和社會穩(wěn)定的重大問題，提高食品的安全性不僅需要科研人員不斷地提出新的方法，也需要食品行業(yè)從業(yè)人員和社會全體成員的共同努力。

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念也成為了當(dāng)下非常熱門的科技話題。將信息技術(shù)應(yīng)用到食品生產(chǎn)、加工、追溯領(lǐng)域，與傳統(tǒng)食品行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的方法，提高生產(chǎn)效率和管理水平，將是未來幾年的重點(diǎn)研究方向。

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