定性分析與在線識別相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品溯源方法

王宏偉　王華　喬志偉

摘要 ? ?針對現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源實(shí)驗(yàn)室定性分析、溯源系統(tǒng)中地域數(shù)據(jù)特征不明顯、數(shù)據(jù)易被替代從而引起公信力不足的問題，本文突出采集數(shù)據(jù)的地理特性及產(chǎn)品品質(zhì)的區(qū)域特性，提出一種采用定性分析與在線識別相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品溯源方法及體系，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、品質(zhì)溯源的內(nèi)在契合。通過賦予每個(gè)農(nóng)產(chǎn)品唯一的帶有國密算法的RFID標(biāo)簽并結(jié)合手機(jī)專用的電商App，可以獲取農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、品質(zhì)檢測、倉儲、運(yùn)輸、銷售等全流程數(shù)據(jù)，為消費(fèi)者提供高效、真實(shí)、可信的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地追溯平臺，有助提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的公信力。

關(guān)鍵詞 ? ?農(nóng)產(chǎn)品;地理定性分析;品質(zhì)分析;區(qū)塊鏈;RFID;產(chǎn)地溯源

中圖分類號 ? ?TS207.7 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0223-05

來自瑞士聯(lián)邦公共衛(wèi)生組織的評估表明，食物產(chǎn)地是決定消費(fèi)者購買食品的主要因素的比例占到82%，而其中71%的消費(fèi)者選購畜肉產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)即是產(chǎn)品來源[1]。由于我國農(nóng)產(chǎn)品市場準(zhǔn)入制度和溯源體系的不完善，導(dǎo)致原產(chǎn)地保護(hù)產(chǎn)品和名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品以假亂真、以次充好現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源技術(shù)是建立于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、貯運(yùn)、銷售和消費(fèi)過程的信息記錄和信息追溯體系，即從“農(nóng)田到餐桌”的過程跟蹤或從“餐桌到農(nóng)田”的源頭追溯技術(shù)[3]，有利于保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地，保護(hù)地方特色產(chǎn)品，打擊假冒產(chǎn)品，確保公平競爭，提高生產(chǎn)者積極性，保護(hù)消費(fèi)者合法權(quán)益，并在農(nóng)產(chǎn)品安全出現(xiàn)問題時(shí)能有效召回產(chǎn)品，防止食源性病原菌的擴(kuò)散[4]。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)加快建設(shè)追溯體系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品來源可查、去向可追、責(zé)任可究，初步建成全國上下一體、物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的重要產(chǎn)品追溯管理體制以及統(tǒng)一協(xié)調(diào)的追溯標(biāo)準(zhǔn)體系和追溯信息服務(wù)體系，部門、地區(qū)和行業(yè)企業(yè)追溯信息初步實(shí)現(xiàn)互通共享和通查通識，是國家對產(chǎn)品溯源的技術(shù)目標(biāo)[5]。

目前，基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)模式下的常規(guī)防偽溯源方式，包括：通過識別產(chǎn)品盒上的二維碼或者條形碼[6]，消費(fèi)者在購買之前可以進(jìn)行一些基礎(chǔ)認(rèn)證，或產(chǎn)品包裝上的二維碼表面加涂層，刮開之后才能掃碼識別;穩(wěn)定性同位素分析、礦物元素含量分析以及化學(xué)成分分析法[7]被認(rèn)為是進(jìn)行食品產(chǎn)地溯源的有效技術(shù)手段，具有很好的發(fā)展前景;目前區(qū)塊鏈被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最適合溯源的技術(shù)之一，因?yàn)閰^(qū)塊鏈的分布式記賬、密碼學(xué)以及智能合約這些技術(shù)具有去中心化、公開透明、不可篡改及可追溯等特點(diǎn)，恰恰契合了傳統(tǒng)商品溯源防偽的需求[8]。

然而，傳統(tǒng)防偽技術(shù)其實(shí)就是如何把二維碼更好地“藏起來”，這類防偽技術(shù)都無法從根本上解決通過復(fù)制和轉(zhuǎn)移防偽標(biāo)識進(jìn)行造假的問題[9];穩(wěn)定性同位素分析、礦物元素含量分析以及化學(xué)成分分析法，只能以實(shí)驗(yàn)室離線分析并出具報(bào)告的形式存在[10];基于區(qū)塊鏈技術(shù)的防偽溯源同樣有個(gè)疑點(diǎn)，即鏈上某個(gè)廠商（節(jié)點(diǎn)）故意輸入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，用假貨替換正版商品，從而導(dǎo)致溯源效果失效[11];另外，通過二維碼掃描只能得到產(chǎn)品的通用屬性，例如名稱、價(jià)格、重量以及產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)、流通等環(huán)節(jié)上的信息，但是對于掃描二維碼得到的這些信息是否真實(shí)卻存在公信力缺失的問題[12]。

目前還缺乏一種可在線、無損、準(zhǔn)確度高的產(chǎn)地溯源檢測技術(shù)。如何將區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)品溯源系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。本文從消費(fèi)者角度出發(fā)，針對農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)提出一種全程在線識別的產(chǎn)地溯源方法，有機(jī)結(jié)合產(chǎn)地溯源與區(qū)塊鏈溯源技術(shù)優(yōu)勢，引入無損、在線佐證產(chǎn)地溯源方法，補(bǔ)充區(qū)塊空間地理信息，強(qiáng)化溯源接口的防偽性能，彌補(bǔ)目前技術(shù)的不足之處，做到溯源數(shù)據(jù)的真實(shí)可信，降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。

1 ? ?農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源方法及系統(tǒng)架構(gòu)

一般而言，農(nóng)產(chǎn)品主要從4個(gè)方面辨識產(chǎn)地：外形特點(diǎn)、產(chǎn)地地理特點(diǎn)、口感及營養(yǎng)特點(diǎn)。對于消費(fèi)者而言，除了通過外形特點(diǎn)上“第一眼”識別市場上的商品外，產(chǎn)地地理特點(diǎn)、口感及營養(yǎng)特點(diǎn)較難第一時(shí)間獲取[13]。

以五常大米為例，真正的五常大米種植環(huán)境主要有以下特點(diǎn)[14]：種植于黑龍江省南部，氣溫屬于大陸氣候，平均年降水量608 mm，年日照2 629 h，充沛的日照，天然河水灌溉。這樣得天獨(dú)厚的環(huán)境造就了五常大米異于別的大米：在沒有碾米前一側(cè)的稻殼有微小的裂縫，長粒米，顏色清白，胚芽會有一點(diǎn)白點(diǎn)，呈半透明狀居多;煮熟后，香味清淡，口感略甜，飯粒表面油光艷麗，微軟筋道;營養(yǎng)豐富，含有多種有益人體健康的礦物質(zhì)、微量元素和維生素，并且支鏈淀粉含量高。

消費(fèi)者可以通過外包裝及包裝內(nèi)可視的大米外形，判斷是否符合五常大米的外形特點(diǎn)，然而獲取其他特性則需要通過技術(shù)手段先驗(yàn)獲取。

1.1 ? ?產(chǎn)地地理特性定性分析

農(nóng)產(chǎn)品生長的地理特性，可以通過前端部署有地理信息的傳感器自動(dòng)獲取。如圖1所示，光照度傳感單元、水質(zhì)傳感單元、雨量傳感單元、溫濕度傳感單元、GNSS分別實(shí)時(shí)感知農(nóng)作物生長環(huán)境的光照度、澆灌用水水質(zhì)（pH值、TOC、SiO2、總磷、總氮、重金屬等）、降雨量、生長環(huán)境溫濕度、地理位置坐標(biāo)等信息，控制單元獲取各傳感單元數(shù)據(jù)后經(jīng)處理后，可無線傳輸給后端平臺。后端平臺統(tǒng)計(jì)地理相關(guān)數(shù)據(jù)（譬如地理位置坐標(biāo)、年日照量、年均溫、降水量等），與當(dāng)?shù)氐乩硇畔ⅲ庀?、測繪公共數(shù)據(jù)）對照，并通過后端平臺展示給消費(fèi)者，從而可確定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的地理特性。農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地地理特性判定流程如圖2所示。

1.2 ? ?產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析

某特定的農(nóng)產(chǎn)品由于產(chǎn)地不同，生長地域的經(jīng)度、緯度、海拔和降雨等因素，引起同類農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定性同位素、礦物元素、有機(jī)成分等具有獨(dú)特的地域特性。然而，穩(wěn)定同位素組成分析的儀器設(shè)備昂貴，分析成本較高[15];礦物元素指紋分析在食品產(chǎn)地溯源方面的應(yīng)用日益增大，但試驗(yàn)過程仍然需要粉碎樣品，且由于元素間的相互關(guān)聯(lián)，需要同時(shí)檢測多種元素[16];紅外光譜檢測方式對樣品無損，主要反映的是食品中有機(jī)成分的組成、含量、結(jié)構(gòu)和功能團(tuán)等特征，食品在貯藏、加工過程中由于有機(jī)成分的組成、含量等變化而使紅外光譜特征發(fā)生變化，致使與食品產(chǎn)地溯源的光譜指紋特征不穩(wěn)定[17]。目前急需一種無損、可以快速判定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地品質(zhì)特性的技術(shù)手段。

基于雷達(dá)的農(nóng)產(chǎn)品定性分析是指利用電磁波在一定頻段（例如X波段）對一定厚度的農(nóng)產(chǎn)品以一定的強(qiáng)度進(jìn)行“照射”，不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品所含有機(jī)物質(zhì)的不同，而造成電磁波的透射損耗與相移量的變化較大，因而可確定未知樣品的歸屬[18]。

以五常大米為例，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其支鏈淀粉含量要高于普通產(chǎn)地大米，而支鏈淀粉含幾千個(gè)葡萄糖單元，顯著影響農(nóng)產(chǎn)品的介電參數(shù)。對于該類農(nóng)產(chǎn)品，可以采用基于雷達(dá)的定性分析方式。

其主要的分析過程如圖3所示，一是采集已知樣品的電磁波透射及相位變化圖譜;二是處理采集到的已知樣品的電磁圖譜，生成定性判據(jù);三是用該定性判據(jù)判斷未知樣品同已知樣品同屬地的概率;四是若概率大于既定值1（如70%），則可判斷該未知樣品與已知樣品來源地一致;若小于既定值2（如30%），則判斷該未知樣品與已知樣品不是一個(gè)來源地;若介于兩者之間（如>30%，但<70%），則無法判斷。

針對“電磁圖譜”的獲取和分析，通過訓(xùn)練集建立數(shù)學(xué)模型，用經(jīng)過訓(xùn)練的數(shù)學(xué)模型來識別未知樣本，具體分析可參考神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[19]。

1.3 ? ?全程數(shù)據(jù)在線獲取

農(nóng)產(chǎn)品可追溯體系要求在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸以及銷售的每個(gè)環(huán)節(jié)都要做到準(zhǔn)確記錄，任何環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤都將導(dǎo)致整體可追溯性的失敗。基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源系統(tǒng)，主要包括終端數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控單元、事件生成單元、云端管控平臺等幾部分組成。

終端數(shù)據(jù)采集單元涉及圖1所示的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地地理特性獲取終端、產(chǎn)品包裝過程單品識別終端、產(chǎn)品加工過程單品識別終端、運(yùn)輸過程車載識別終端及最終成品識別終端。終端數(shù)據(jù)采集單元均需包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實(shí)時(shí)或定時(shí)對目標(biāo)的位置進(jìn)行采集，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺，如圖4所示。以蘋果為例，蘋果生產(chǎn)過程中涉及的終端數(shù)據(jù)采集單元包括：蘋果基地田間地頭所安裝的產(chǎn)地地理特性獲取終端（如小型氣象站）、用筐/簍等容器所裝蘋果所產(chǎn)地塊標(biāo)識的單品識別終端（如識別各地塊送往加工車間的筐/簍的掃描設(shè)備）、加工完成蘋果裝箱并以箱為單元的單品識別終端、與成箱蘋果關(guān)聯(lián)的運(yùn)輸/倉儲裝置識別終端（如運(yùn)輸車輛車載設(shè)備終端）及最終成品待售的可面向消費(fèi)群體的識別終端。

監(jiān)控單元涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、倉儲及銷售環(huán)節(jié)的視頻采集終端，該視頻采集終端均需包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實(shí)時(shí)或定時(shí)對目標(biāo)位置進(jìn)行監(jiān)控，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺，如圖5所示。以蘋果為例，蘋果生產(chǎn)過程中涉及的監(jiān)控單元包括：蘋果基地田間地頭所安裝的生長環(huán)境視頻采集終端（監(jiān)控農(nóng)事行為，包括施肥、施藥、除草、套袋、采收等）、蘋果加工車間視頻采集終端、蘋果倉儲環(huán)境視頻采集終端、蘋果運(yùn)輸環(huán)境視頻采集終端等。

事件生成單元涉及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析及樣品檢驗(yàn)過程，可包含品質(zhì)特性分析過程視頻采集終端（包含但不限于上述基于雷達(dá)的農(nóng)產(chǎn)品定性分析方式）及樣品檢驗(yàn)結(jié)果公示數(shù)據(jù)（檢驗(yàn)報(bào)告、證書或相關(guān)研究成果），該過程需要有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)提供，譬如有影響力的研究機(jī)構(gòu)、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，以提高公信力度，具體如圖6所示。以蘋果為例，事件生成單元涉及采樣過程視頻采集終端（證實(shí)采樣樣品確為所需檢測地塊所出）、品質(zhì)特性定性分析過程（例如蘋果產(chǎn)地礦物元素含量分析以及與之匹配的土壤礦物元素分布特征等）、SGS等機(jī)構(gòu)所提供的農(nóng)藥殘留檢測報(bào)告等。其中采樣過程視頻采集終端及品質(zhì)特性定性分析過程包括GNSS定位模塊、無線傳輸模塊，其中GNSS定位模塊實(shí)時(shí)或定時(shí)對目標(biāo)位置進(jìn)行監(jiān)控，并通過無線傳輸模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送到云端管控平臺。

以上所述各單元組成的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源系統(tǒng)，生成數(shù)據(jù)及視頻（圖片）等數(shù)據(jù)存儲到云端管控平臺，并得到與數(shù)據(jù)采集時(shí)間相對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈接，如表1所示。

生成時(shí)間、生成地點(diǎn)、數(shù)據(jù)鏈接分別對應(yīng)相應(yīng)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對應(yīng)的產(chǎn)生時(shí)間、地理信息及生成的圖片/視頻等數(shù)據(jù)。如表1所示，此表按照時(shí)間序列，可生成（n+w+m+p+r+t）個(gè)區(qū)塊。每個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示，區(qū)塊頭至少包含當(dāng)前區(qū)塊的哈希值、父哈希值及時(shí)間戳;區(qū)塊主體包括各對應(yīng)環(huán)節(jié)的具體名稱、時(shí)間段、地點(diǎn)、數(shù)據(jù)鏈接等加密數(shù)據(jù)。

1.4 ? ?基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)地溯源

通過前端帶有地理標(biāo)識的傳感設(shè)備累積獲取農(nóng)產(chǎn)品生長的地理特性，并采用基于雷達(dá)等技術(shù)在線獲取農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)特性，關(guān)聯(lián)生產(chǎn)、加工、檢測、倉儲、運(yùn)輸、銷售等數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的可追溯性、不可篡改、去中心化、智能合約等特點(diǎn)解決農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源無法回避的信任問題。如圖8所示，通過將定性分析與在線識別相結(jié)合，運(yùn)用區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建新型農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源體系，做到溯源數(shù)據(jù)的真實(shí)可信，降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。

2 ? ?消費(fèi)端驗(yàn)證過程

本文所述防偽溯源系統(tǒng)按照統(tǒng)一的編碼機(jī)制，為每件農(nóng)產(chǎn)品的最小包裝賦予唯一的身份標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者線上驗(yàn)真?zhèn)巍?/p>

系統(tǒng)采用高頻安全電子標(biāo)簽芯片，每顆芯片擁有唯一的UID，具有較好的射頻性能和兼容性，保證了更遠(yuǎn)的操作距離和更可靠的讀寫功能;存儲器劃分為64個(gè)Block，總?cè)萘窟_(dá)2 Kbits;內(nèi)置國家商用密碼算法SM7的單向認(rèn)證和雙向認(rèn)證功能，支持基于流加密方式的安全通信;具有物理不可克隆功能（PUF），并與SM7算法相結(jié)合，升級算法的安全性。圖9為某農(nóng)產(chǎn)品所選用RFID標(biāo)簽Inlay及標(biāo)簽成品樣例。圖10和圖11分別為防偽標(biāo)簽加密、發(fā)行流程及與京東App端的交互流程，從而保證標(biāo)簽的防偽能力，提升通信過程的安全性。

采用的雙向驗(yàn)證芯片具備如下優(yōu)勢：讀寫器端，采用哈希算法，確保數(shù)據(jù)完整、不可篡改;簽名算法，確保某一授權(quán)讀寫器對芯片進(jìn)行了操作，避免冒充、篡改和否認(rèn)讀寫情況;簽名數(shù)據(jù)包括時(shí)間戳及當(dāng)前讀寫器的ID信息，保證每一芯片的獨(dú)立操作具有唯一性;兼容通訊協(xié)議ISO/IEC15693，利用手持NFC模塊可遠(yuǎn)距離（5～10 cm）讀取。

不同于常見的NFC讀取應(yīng)用，僅支持專屬App（譬如京東主站App端）“NFC掃”功能，方可獲取農(nóng)產(chǎn)品防偽溯源信息。圖12為通過專屬App獲取的完整追溯信息，而圖13則為其他App讀取到的內(nèi)容。

顯然，此種實(shí)現(xiàn)方式凸顯了防偽溯源系統(tǒng)的防偽性能，即難以復(fù)制性。

3 ? ?后續(xù)研究方向

如圖14所示，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的防轉(zhuǎn)移性，可采取把標(biāo)簽嵌入到包裝袋的方式：將上述RFID標(biāo)簽Inlay經(jīng)包裝生產(chǎn)工藝調(diào)整后，嵌入到包裝袋中;在外包裝表面，嵌入Inlay區(qū)域作為標(biāo)示，提示用戶可在此區(qū)域手機(jī)操作，獲取商品的溯源數(shù)據(jù)。此種包裝方式可有效防止標(biāo)簽轉(zhuǎn)移，結(jié)合標(biāo)簽的難以復(fù)制性，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)的防偽標(biāo)識造假的問題。

4 ? ?結(jié)論

本文針對當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品溯源技術(shù)各自分離、信任成本較高的問題，從消費(fèi)者角度提出一種可信度較高的農(nóng)產(chǎn)品溯源方法，采用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源融合區(qū)塊鏈技術(shù)，定性分析與在線識別相結(jié)合，全面降低農(nóng)產(chǎn)品信任成本。通過傳感設(shè)備的地理位置信息、統(tǒng)計(jì)傳感設(shè)備年度氣候數(shù)據(jù)并與當(dāng)年氣候數(shù)據(jù)對比，從而確定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地;基于雷達(dá)技術(shù)的產(chǎn)地品質(zhì)特性定性分析方法，根據(jù)產(chǎn)地及農(nóng)產(chǎn)品特色，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的無損、快速判斷;強(qiáng)調(diào)獲取全程數(shù)據(jù)的地理位置信息重要性，截取帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)鏈接作為區(qū)塊單元，利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的有效溯源;基于射頻識別技術(shù)的面向消費(fèi)者的溯源數(shù)據(jù)獲取入口方式，提高溯源入口的防復(fù)制能力，并結(jié)合新型包裝形式，有效防轉(zhuǎn)移，從而提升溯源標(biāo)簽的防偽水平。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目 ? 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFD1101103）。

作者簡介 ? 王宏偉（1980—），男，河北故城人，博士，高級工程師。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)信息化。

收稿日期 ? 2020-05-21