基于智能終端的輕簡(jiǎn)型農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

李國(guó)強(qiáng)，陳丹丹，趙豐華，秦一浪，趙 晴，臧賀藏，辛銀平，于亞楠，鄭國(guó)清

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 3.信陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000； 4.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000)

隨著化肥和農(nóng)藥的大量使用，土壤化學(xué)殘留增加，土壤環(huán)境、生態(tài)環(huán)境被破壞[1]，造成農(nóng)產(chǎn)品中藥物殘留與重金屬等有害物質(zhì)超標(biāo)。農(nóng)產(chǎn)品是我國(guó)民生質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題。建立農(nóng)產(chǎn)品可追溯體系和農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段[2]，因此研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)，有利于規(guī)范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)規(guī)程，提高農(nóng)產(chǎn)品安全水平。國(guó)內(nèi)學(xué)者就溯源系統(tǒng)開(kāi)展了許多研究[3-4]，近幾年溯源系統(tǒng)與RFID(射頻識(shí)別)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)相互融合成為研究熱點(diǎn)。一是與RFID、NFC(近場(chǎng)通信)技術(shù)結(jié)合，適用于高價(jià)值、移動(dòng)、周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多的畜牧養(yǎng)殖(如羊[5]和豬[6]等)應(yīng)用場(chǎng)景；二是與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，適用于養(yǎng)雞場(chǎng)[7]、蔬菜大棚[8]、蔬菜冷鏈轉(zhuǎn)運(yùn)[9]等閉合可控的應(yīng)用場(chǎng)景；三是與RFID、物聯(lián)網(wǎng)、視頻、WEBGIS等多種技術(shù)結(jié)合，適用于省市級(jí)[9-10]農(nóng)產(chǎn)品安全預(yù)警與追溯綜合平臺(tái)等區(qū)域性綜合應(yīng)用場(chǎng)景；四是與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合[11]，適用于對(duì)溯源信息準(zhǔn)確性要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。在應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中，這些系統(tǒng)均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，但在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上，存在溯源鏈條涉及環(huán)節(jié)多、采集信息過(guò)多、使用成本高等問(wèn)題，造成使用效果不佳[12]。武爾維等[13]、楊磊等[14]、毛林等[15]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于智能終端的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，使農(nóng)產(chǎn)品追溯信息的收集、管理、查詢等更加便捷和高效，但對(duì)生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有完整的記錄。鑒于此，以中小規(guī)模企業(yè)為應(yīng)用主體，以蘭考蜜瓜、三門(mén)峽蘋(píng)果、信陽(yáng)茶葉等高附加值農(nóng)產(chǎn)品為溯源對(duì)象，以低成本的二維碼為信息載體，采用文字點(diǎn)選和拍照等便捷錄入手段，以移動(dòng)終端為操作平臺(tái)，構(gòu)建一套數(shù)據(jù)可靠、操作簡(jiǎn)便、成本低廉、具備溯源檔案自動(dòng)生成、隨時(shí)隨地打印追溯標(biāo)簽等功能的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，以提高溯源系統(tǒng)的應(yīng)用體驗(yàn)和應(yīng)用效果，有效保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。

1 材料和方法

1.1 需求分析與資料收集

實(shí)地調(diào)研了蘭考蜜瓜、三門(mén)峽蘋(píng)果、信陽(yáng)茶葉、焦作山藥、有機(jī)果蔬等河南省知名農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)或合作社。這些企業(yè)具有自主品牌或在當(dāng)?shù)赜辛己每诒?，有穩(wěn)定的銷售渠道和穩(wěn)定的客戶群體。在調(diào)研過(guò)程中，收集了企業(yè)田間生產(chǎn)操作、人員管理、農(nóng)資采購(gòu)等流程信息，收集了《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯操作規(guī)程通則》(NY/T 1761—2009)、茶葉(NY/T 1763—2009)、谷物(NY/T 1765—2009)、蔬菜(NY/T 1993—2011)、水果(NY/T 1762—2009)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范田間農(nóng)事操作流程以及實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和管理。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)前期調(diào)研，溯源系統(tǒng)用戶限定為管理相對(duì)規(guī)范、有較完善的生產(chǎn)加工銷售等鏈條的中小經(jīng)營(yíng)規(guī)模企業(yè)或合作社；采集邊界為農(nóng)產(chǎn)品種植、生產(chǎn)加工、包裝物流3個(gè)環(huán)節(jié)，其中生產(chǎn)加工為重點(diǎn)環(huán)節(jié)；系統(tǒng)功能包括地塊管理、土壤肥力管理、農(nóng)資管理、生長(zhǎng)季管理、農(nóng)事管理、農(nóng)事記錄和溯源管理；系統(tǒng)架構(gòu)采用Android移動(dòng)端和Web網(wǎng)頁(yè)端設(shè)計(jì)，其中Web端負(fù)責(zé)用戶注冊(cè)、權(quán)限分級(jí)管理，Android端負(fù)責(zé)田間數(shù)據(jù)采集、上傳，標(biāo)簽打印等；用戶權(quán)限應(yīng)包括總管理員、企業(yè)管理員和企業(yè)員工?？偣芾韱T負(fù)責(zé)管理并監(jiān)督所有注冊(cè)企業(yè)及用戶，企業(yè)管理員負(fù)責(zé)管理和監(jiān)督本企業(yè)員工，企業(yè)員工即為一線工作人員，負(fù)責(zé)記錄農(nóng)產(chǎn)品田間生產(chǎn)管理措施數(shù)據(jù)(表1)。

表1 用戶類型及權(quán)限

根據(jù)各用戶經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，制定規(guī)范的業(yè)務(wù)流程：將地塊進(jìn)行編號(hào)，記錄各地塊基礎(chǔ)肥力；整理常用農(nóng)資；制定種植計(jì)劃，安排前茬和后茬；記錄施肥、打藥、灌溉、采收過(guò)程；打印追溯標(biāo)簽或綁定印刷好的標(biāo)簽；產(chǎn)品銷售。

根據(jù)需求分析及業(yè)務(wù)邏輯，系統(tǒng)分為6個(gè)功能模塊(圖1)：

(1)賬號(hào)管理功能，包括企業(yè)或員工賬號(hào)注冊(cè)、修改和刪除等。企業(yè)用戶注冊(cè)涉及企業(yè)名稱、位置、聯(lián)系方式、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息、營(yíng)業(yè)執(zhí)照及認(rèn)證證書(shū)等信息。員工用戶是企業(yè)賬號(hào)下發(fā)的子賬號(hào)，其注冊(cè)信息包括姓名、聯(lián)系電話等。

(2)場(chǎng)地管理功能，分為田塊管理和土壤肥力2個(gè)子模塊。田塊管理模塊方便用戶管理不同田塊，設(shè)置有露天、拱棚或者日光溫室等栽培模式。土壤肥力模塊用于記錄農(nóng)作物種植前田塊的基礎(chǔ)肥力和重金屬含量等情況。

(3)農(nóng)資管理功能，分為肥料管理、藥物管理和種子管理3個(gè)子模塊。用于記錄各項(xiàng)農(nóng)資名稱、類型、規(guī)格、生產(chǎn)企業(yè)等信息。

(4)農(nóng)事管理功能，分為生長(zhǎng)季管理、灌溉記錄、施肥記錄、用藥記錄、生長(zhǎng)記錄和采摘記錄6個(gè)子模塊，用于記錄農(nóng)作物從播種到收獲整個(gè)生育期各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)，具備照片上傳功能。

(5)加工管理功能，用于記錄加工環(huán)節(jié)工藝參數(shù)，包括加工工藝、加工車間、加工時(shí)間、加工批次、包裝材質(zhì)、凈含量、照片上傳等字段。

(6)溯源檔案管理功能，包括溯源目標(biāo)自動(dòng)生成、檔案預(yù)覽、防偽編號(hào)生成、溯源標(biāo)簽規(guī)格設(shè)置與打印4個(gè)子模塊。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)架構(gòu) 系統(tǒng)采用6層開(kāi)發(fā)框架模型的B/S架構(gòu)，其中底層為設(shè)備層，由對(duì)象關(guān)系映射框架Hibernate，直接連接數(shù)據(jù)庫(kù)；第2層為數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象層DAO(Data access object)，提供數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口；第3層為服務(wù)層Service，提供各類業(yè)務(wù)操作；第4層為應(yīng)用層，由小程序服務(wù)連接器Servlet(供手機(jī)APP調(diào)用)和Web應(yīng)用框架Struts2(供Web瀏覽器調(diào)用)組成；第5層為展示層，用于展示溯源技術(shù)服務(wù)應(yīng)用情況；第6層為用戶層，包括監(jiān)管部門(mén)、企業(yè)管理員、合作社管理員、員工和其他用戶等。Web端以Visual Studio2015為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用ASP.NET MVC 5+Web API 2+C#5.0開(kāi)發(fā)編程技術(shù)。前端采用Html 5和Angular 4，基于WEB UI開(kāi)源框架METRONIC UI。移動(dòng)端以Android Studio為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)框架見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)框架

1.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 移動(dòng)端采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫(kù)，Web端采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。移動(dòng)端通過(guò)API(Application program interface，應(yīng)用程序接口)訪問(wèn)遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，采用JSON(JavaScript object notation,JavaScript物件表示法)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)置，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)8類表格，如表2所示。

表2 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表格主要字段

1.3.3 實(shí)現(xiàn)要點(diǎn) (1)智能手機(jī)照片信息隱藏及認(rèn)證溯源技術(shù)。主流智能手機(jī)通常在手機(jī)拍攝的原始照片信息隱寫(xiě)入照片的EXIF(Exchangeable Image File)數(shù)據(jù)，包括拍攝時(shí)間、地理位置、使用的設(shè)備等。直接讀取照片的EXIF數(shù)據(jù)，可提高錄入效率，又規(guī)避了部分溯源檔案篡改等問(wèn)題。

(2)溯源編碼技術(shù)。參照楊信廷等[16]制定的追溯編碼規(guī)則，即采用農(nóng)產(chǎn)品商品屬性編碼與種植生長(zhǎng)過(guò)程編碼相結(jié)合的UCC/EAN—128編碼方式。

(3)批次管理技術(shù)。按照批次管理的思路，在農(nóng)作物種植(播種)至收獲(采摘)時(shí)間段內(nèi)，具有相同收獲(采摘)時(shí)間為同一批次，每一個(gè)批次生成不同的二維碼，保證不同批次溯源信息的準(zhǔn)確性。

(4)二維碼技術(shù)。二維碼(QR code)是在一維條碼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，具有信息儲(chǔ)存量大、追蹤性高、保密性好、抗損性強(qiáng)、成本便宜等特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 帳戶注冊(cè)

企業(yè)管理員在APP端填寫(xiě)注冊(cè)所需相關(guān)資料，提交申請(qǐng)?？偣芾韱T在Web端審核激活后(圖3)，授權(quán)其溯源系統(tǒng)賬號(hào)。企業(yè)管理員成功登錄后，授權(quán)企業(yè)員工賬戶。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)Web端管理界面

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)填報(bào)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括肥力管理、地塊管理、農(nóng)資管理。企業(yè)員工成功登錄后，APP首頁(yè)提供近3 d天氣預(yù)報(bào)(圖4)。企業(yè)通常選擇若干有代表性田塊測(cè)定土壤肥力，所以僅需在肥力管理模塊記錄代表性地塊的土壤基礎(chǔ)肥力與重金屬含量；根據(jù)常年種植計(jì)劃或種植習(xí)慣，對(duì)固定種植模式的地塊進(jìn)行編號(hào)，然后錄入地塊管理模塊；把企業(yè)常年用到的肥料、藥物、種子或種苗進(jìn)行電子化，錄入農(nóng)資管理模塊。由于農(nóng)資廠家和商品繁多，錄入工作量較大，因此,在新增農(nóng)資中，通過(guò)智能終端掃描商品條碼，溯源系統(tǒng)調(diào)用第3方API，自動(dòng)讀取商品生產(chǎn)廠家、規(guī)格等信息，以盡可能減少農(nóng)場(chǎng)員工的錄入工作量(圖5)?？紤]到大多數(shù)企業(yè)沒(méi)有正規(guī)的出入庫(kù)管理，暫時(shí)未增加倉(cāng)庫(kù)管理功能。

2.3 日常數(shù)據(jù)填報(bào)

日常數(shù)據(jù)填報(bào)包括生長(zhǎng)季管理、農(nóng)事管理和加工管理。在日常管理中，企業(yè)員工僅需要利用手機(jī)APP完成信息錄入工作。在生長(zhǎng)季管理制定生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)計(jì)劃?rùn)n案是一套完整的田塊種植履歷，供技術(shù)員合理安排前茬和后茬。農(nóng)事管理是農(nóng)場(chǎng)員工操作最多的模塊，保存從播種到收獲整個(gè)生育期各項(xiàng)農(nóng)事記錄。在該模塊數(shù)據(jù)錄入非常簡(jiǎn)便，先對(duì)田間農(nóng)事操作活動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行拍照，然后采用點(diǎn)選方式完成錄入，極大提高了錄入效率。在農(nóng)事記錄模塊，提供一套完整的農(nóng)事記錄時(shí)間樹(shù)，詳細(xì)記錄了農(nóng)事管理當(dāng)日天氣、施肥、用藥、灌溉、生長(zhǎng)和采摘等信息。加工管理僅用于需要加工才能進(jìn)行出售的農(nóng)產(chǎn)品(如茶葉)，采摘后，依次錄入原料批次、包裝批次、加工工藝、加工車間、加工時(shí)間、凈含量及包裝材質(zhì)，上傳加工現(xiàn)場(chǎng)照片(圖6)。

圖4 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)APP主界面

圖5 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)填報(bào)界面

圖6 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)日常數(shù)據(jù)填報(bào)界面

2.4 溯源管理

在收獲或采摘季，企業(yè)員工錄入采摘信息后，生成溯源目標(biāo)和檔案。溯源管理包括溯源檔案預(yù)覽、溯源標(biāo)簽生成及二維碼打印。在溯源管理模塊，選擇溯源目標(biāo)，點(diǎn)擊生成溯源二維碼，生成溯源檔案和溯源二維碼。隨后可選擇打印或預(yù)覽詳細(xì)溯源檔案。溯源檔案包括產(chǎn)品信息、溯源信息和認(rèn)證證書(shū)3個(gè)部分。打印標(biāo)簽時(shí)，選擇標(biāo)簽紙張大小(80 mm×60 mm和60 mm×40 mm)。如果首次使用本系統(tǒng)打印標(biāo)簽，需要手機(jī)藍(lán)牙與打印機(jī)配對(duì)。對(duì)于茶葉等高端產(chǎn)品，標(biāo)簽設(shè)計(jì)精美，帶有防偽涂層。對(duì)于需要提前印制的標(biāo)簽，可通過(guò)標(biāo)簽綁定，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽和溯源檔案的一一對(duì)應(yīng)(圖7)。

圖7 農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)溯源系統(tǒng)溯源管理界面

2.5 溯源系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)自2015年開(kāi)始研發(fā)，先后成功申請(qǐng)了5項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，分別是農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)全過(guò)程溯源系統(tǒng)V1.0(Web端和Android端)、V2.0(Web端和Android端)及V2.1(Android端)。目前，在全省150多家合作社及涉農(nóng)企業(yè)的蜜瓜、蔬菜、梨、草莓、茶葉等農(nóng)產(chǎn)品上得到很好的應(yīng)用，企業(yè)可以根據(jù)自家企業(yè)的LOGO(商標(biāo))或者產(chǎn)品圖片制作防偽二維碼標(biāo)簽(圖8)。

圖8 農(nóng)產(chǎn)品防偽二維碼標(biāo)簽圖

3 結(jié)論與討論

建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，是保障消費(fèi)者食用農(nóng)產(chǎn)品安全和提升農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段[17]。為了加快溯源信息平臺(tái)的建設(shè)，近來(lái)年我國(guó)可追溯性平臺(tái)的建設(shè)步伐已加快。一些省市已開(kāi)始建立或試點(diǎn)運(yùn)行可追溯性管理的相關(guān)信息平臺(tái)，已經(jīng)建立投入使用的有吉林省、四川省、山東省、廣東省、深圳市、廈門(mén)市等地的溯源平臺(tái)[18]，這在一定程度上提升了我國(guó)的溯源系統(tǒng)水平，但是平臺(tái)大、系統(tǒng)使用范圍廣很容易造成溯源細(xì)節(jié)的遺漏。本研究以中小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)為應(yīng)用主體，從企業(yè)實(shí)際使用出發(fā)，采用B/S架構(gòu)，C#和Java分別為Web端和Android端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，以MySQL和SQLite為數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了基于智能終端農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)全過(guò)程溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從田塊整理、農(nóng)事操作和銷售環(huán)節(jié)的全程記錄。與其他溯源系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)操作簡(jiǎn)單，靈活方便。在田間地頭可隨時(shí)采集數(shù)據(jù)，隨時(shí)打印溯源標(biāo)簽。(2)使用成本低。以點(diǎn)選和拍照為信息錄入方式，提高了信息錄入效率，減少重復(fù)工作。(3)可擴(kuò)展性強(qiáng)。兼容農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化平臺(tái)，允許第三方監(jiān)管部門(mén)調(diào)用數(shù)據(jù)。下一步，將增加環(huán)境數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)環(huán)境視頻數(shù)據(jù)功能，兼容農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)農(nóng)殘?jiān)诰€檢測(cè)，進(jìn)一步完善溯源檔案內(nèi)容。

目前，本溯源系統(tǒng)在蘭考蜜瓜、三門(mén)峽蘋(píng)果、信陽(yáng)茶葉等河南特色農(nóng)產(chǎn)品上取得較好的應(yīng)用效果。為進(jìn)一步規(guī)范溯源系統(tǒng)的應(yīng)用，還制定了《DB41T 1776—2019蔬菜質(zhì)量安全追溯操作規(guī)程》等地方標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施該技術(shù)后，示范企業(yè)建立了較完善的溯源系統(tǒng)體系，規(guī)范了企業(yè)的農(nóng)事操作、施肥和用藥情況，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)果蔬的批次化溯源管理。