物联网技术在我国食品安全领域的应用及相关系统设计研究.docx

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物联网技术在我国食品安全领域的应用及相关系统设计研究

物联网技术在我国食品安全领域的应用

及相关系统设计研究

朱磊武兴华

（天津科技大学经管学院）

摘要：

在我国食品安全监管中，工作效率和食品安全是必须考虑的两个重要问题，物联网可以很好地解决这些问题，但是物联网在食品安全监管上广泛应用也面临着一些实际困难。

本文参照一些食品企业的实际生产流程，借鉴国内外物联网技术在食品安全领域应用的相关成果，通过研究基于物联网的食品生产应用、食品流通应用、食品监管应用、食品追溯系统应用等方案，提出了一些新的系统设计思想、观点和建议，希望能对我国的食品安全管理贡献绵薄之力。

关键词：

食品安全；物联网；系统设计；食品流通；食品追溯

现阶段我国的一个重要民生问题就是食品安全问题，几年来毒奶粉、地沟油等食品安全问题频发，如何对食品安全问题进行有效地监管，是一个亟待解决的问题。

物联网是Internet的一个演进，可以把食品和网络有效地连接起来。

通过物联网可以有效地采集食品、环境的信息，既可以对食品进行某种控制，也可以对食品生产、流通、监管、检测、销毁、追溯的各个环节进行监视。

一、物联网技术概述及其与食品安全的关系

（一）物联网的概念综述

2009年8月，温家宝总理提出“感知中国”概念,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,写入“政府工作报告”,物联网在中国受到了全社会极大的关注,其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

物联网（InternetofThings）这个词,国内外普遍公认的是MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究射频识别（RFID）时最早提出来的。

在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中,物联网的定义和范围已经发生了变化,覆盖范围有了较大的拓展,不再只是指基于RFID技术的物联网。

物联网的概念与其说是一个外来概念,不如说它已经是一个“中国制造”的概念,他的覆盖范围与时俱进,已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围,物联网已被贴上“中国式”标签。

目前比较常用的对物联网的定义,是指通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

这种定义有两种含义,第一,物联网是互联网的延伸和扩展,其核心和基础仍然是互联网,第二,其用户端不仅仅是个人,还包括任何物品。

（二）物联网的关键技术概述及工作流程

1.RFID技术物联网中非常重要的技术是RFID电子标签技术。

RFID系统由三部分组成:

电子标签、天线和读写器。

其中,电子标签芯片具有数据存储区,用于存储待识别物品的标识信息;天线用于发射和接收射频信号;读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中。

2.云计算技术当前物联网数据处理中的一个重要技术就是云计算,即通过互联网向用户提供分时的硬件服务和分空间的硬件服务技术,实现为用户提供托管服务和配置的计算资源。

云计算有三大优势,第一,用户端不需购买计算机;第二,用户端不必购买昂贵的计算机软件;第三,计算机硬件和软件会不断升级。

3.传感器与传感网技术传感器是能感知制定的被测量信息,并能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。

节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件,如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。

每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。

这样,传感器网络可以用于数据收集（DataCollection）、目标跟踪（Objecttracking）以及报警监控（Alarmmonitoring）等。

4.中间件技术中间件是一种独立的系统软件或服务程序,分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源,中间件位于客户机服务器的操作系统之上,管理计算资源和网络通信。

在操作系统和数据库市场格局早已确定的情况下,中间件发展尤为重要。

物联网产业的发展为物联网中间件的发展提供了新的机遇。

物联网中间件处于物联网的集成服务器和感知层、传输层的嵌入设备中。

５．物联网的工作流程　物联网的基本工作流程由四部分组成，即由信息采集系统（RFID系统）、PML信息服务器、产品命名服务器（ONS）和应用管理系统[1]。

物联网的系统结构如图1所示。

它们的功能分别如下：

（1）信息采集系统信息采集系统包括RFID电子标签（tag）、二维码、阅读器（Reader）以及数据交换和管理系统软件，主要完成产品的识别和产品的EPC（ElectronicProductCode）码的采集和处理。

图1物联网系统结构

（2）产品命名服务器（ONS）产品命名服务器ONS（Object　NameService）主要实现的功能是在各个信息采集点与PML信息服务器之间建立关联，实现从物品电子标签EPC码到产品PML描述信息之间的映射。

（3）PML信息服务器PML（PhysicalMarkupLanguage，实体描述语言）信息服务器中的数据定义规则由用户创建并维护，用户根据事先规定的规则对物品进行编码，并利用XML对物品信息进行详细描述。

在物联网中，PML服务器主要用于以通用的模式提供对物品原始信息的规则定义，以便于其他服务器访问。

（4）业务管理系统　业务管理系统通过获取信息采集软件得到的EPC信息，并通过ONS找到物品的PML信息服务器，从而可以以Web的形式向Internet用户提供诸如信息查询、跟踪等功能，用户也可以通过手机或无线PDA实时了解物品的状态。

（三）物联网与食品安全的关系

物联网作为新兴的物品信息网络，为实现供应链中物品自动化的跟踪和追溯提供了基础平台。

在物流供应链中对物品进行跟踪和追溯对于实现高效的物流管理和商业运作具有重要的意义。

随着物联网的发展，其技术也被广泛应用到食品生产、流通、监管、检测、回溯的各个环节中，目前大多食品生产企业一直打着绿色食品的旗号，但消费者并不能看到食品是否是真正的绿色食品。

而利用物联网，消费者可以通过应用安装在厨房中的点菜机，把所需的食品信息发送给生产厂家，厂家会把最新鲜的食品送上门；食品送到家后，消费者可以通过上网查询食品包装上的条码，就能了解这件食品从种子到采摘的全过程。

应用了物联网技术之后，可以提供绿色食品的网上在线订购，这样可以及时的将绿色食品送到消费者手中，保证了食品的新鲜程度，同时使消费者能上网通过商品条码查询，了解所购买的食品生产的全过程，保证绿色有机不掺假，让消费者买的放心。

同时，应用基于物联网的追溯技术，每个食品上都贴上二维码，不管食品卖到哪里，消费者都可以查到食品的来源、施肥及用药情况，让消费者明明白白消费。

食品生产企业可以实时监测食品生产馆内的空气及土地的温度、湿度以及气压、二氧化碳浓度等与种植息息相关的数据。

不仅如此，厅内何时通风、食品何时浇水、遮阳网如何打开等这些此前很多需要管理人员完成的工作，现在安装了物联网传感器和网络后，这些工作由可以自动由安装在网络中的相应设置来完成。

（四）物联网在食品安全领域应用的相关技术及研究现状

物联网在食品安全领域应用的相关技术方面，国内目前在无线传感器网络的软件方面也取得了相应的突破，在基于国外的操作系统之上，开发自己的中间件软件。

如南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动代理的无线传感器网络中间件平台，深圳联合科技有限公司开发的无线传感器网络开发套件。

国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。

在这方面，国内的南京邮电大学、清华大学、北京邮电大学等都取得了一些相关的理论研究成果。

在国外，美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。

如加州大学洛杉矶分校的CENS（CenterforEmbeddedNetworkedSensing）实验室、WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors）实验室和IRL（InternetResearchLab）[2]等。

二、物联网技术在农业生产领域的应用

农业生产的一个目的是为人类提供充足而安全的食物。

现阶段我国由于耕地的逐渐减少，提高种植养殖业的生产效率极其重要，如何用世界上7%的耕地面积来养活世界上23%的人口始终是一个严峻的课题。

我国的农业生产目前还处于一种人力、畜力、机械混合型的粗放式运作模式，生产效率不高。

造成这种情况的原因比较复杂，但重要的一点是由于对农业生产环境参数不能做到精细采集，甚至不采集，或者不能根据这些参数有效地指导农业生产活动，这必然造成农业投入产出比较低。

物联网的一个重要功能就是可以进行大量的、广域的农林参数采集，在以前无线传感器网络（WSN）的基础上更进一步提升其性能。

物联网推出以后，会催生出大量价格适中的传感器和相关的微处理器，在数据传输时，可以借助于商用无线网络。

在软件方面，大量的中间件会使传感器和网络的对接更加方便，而与物联网相关的网络协议一旦成熟，就会使搭建一个农业参数采集的网络和搭建现在常见的局域网一样简单可行[3]。

另外，借助于云计算的处理模式，可以把采集来的各种重要数据导入数据库，再通过专家系统对重要的数据进行处理，可以得到趋势性的结论来指导农业生产。

综合以上分析，可知物联网将成为实现“精细农业”的重要推动技术之一[4]。

（一）物联网技术在现代养殖业中的应用

由于现代养殖都大规模化,畜禽养殖的数量也比较大,仅仅靠人工标志和识别工作量大、难度高、效率低,不能满足管理要求。

物联网中的RFID技术作为一种非接触的快速识别技术,正越来越广泛地应用于现代养殖业中。

2003年,我国“863”数字农业项目中首次列入了数字养殖研究课题,一套基于远距离系统的RFID牛个体识别系统已经进入了实用阶段。

该系统采用项圈式的应答器,挂在牛颈上,当牛通过系统的自动称重车时,系统中的阅读器将自动读取牛的唯一编号并通过压力传感器完成称重过程。

将这两个一一对应的数据（编号-体重）连同采集时间一起通过无线局域网发送到养殖场的上位服务器,为数字化养殖平台提供了重要的实时数据[5]。

ParsonsJ.等[6]对Colo2rado的羊安装电子标签,运用物联网技术提高了羊群管理效率。

曹永军等[7]在2008年就基于物联网系统RFID技术的鸸鹋养殖管理信息平台进行了研究与应用。

鸸鹋养殖场在当时一般采用人工粗放养殖方式,缺乏统一的养殖管理信息平台,从而影响了企业的管理效率。

建立物联网系统,将RFID技术用做鸸鹋的个体标识,为鸸鹋设计专用的RFID标签,并结合无线传感网络、手持移动设备和PC机数据库技术等构建RFID鸸鹋养殖管理信息系统,实现鸸鹋数据的有效追溯和数据及业务的共享,从而给企业带来较好的经济效益和社会效益。

谢琪等[8]在2009年设计并实现了基于RFID的养猪管理与监控系统。

该系统主要针对猪繁殖工作流程的规范化,依靠RFID技术的ID唯一标志功能把猪的管理转变为对ID号的管理。

系统能自动、准确地识别出每一头猪,并从数据库中读取猪的资料提供给工作人员,使工作人员能按照特定的任务执行相应的操作,从而保证了每一次数据的获取都是合理正确的,减少了人为误操作。

同年耿丽微等[9]就当时的奶业所存在的养殖规模较小、单产水平低、管理技术落后、饲料单一、牛群血缘不清,以及由此导致动物产品安全无法得到有效地保证的问题,提出并建立了一种基于无线射频识别技术的奶牛的身份识别系统。

该系统通过采用瘤胃式动物电子标识来为每头奶牛建立一个永久性的数码档案,实行一畜一标,并通过采用RFID技术以及单片机与PC机的通信技术对存储奶牛信息的电子标签进行远距离识别,从而及时地实现对每头奶牛的监控与管理。

研究结果表明,RFID系统读卡器的识读率为100%,该方法实现了对奶牛生产养殖的数字化管理。

（二）物联网技术在现代种植业中的应用

物联网科技在农作物生长中可以实现监视灌溉情况、土壤空气变更以及大面积的地表监测,收集温度、湿度、风力、大气、降雨量和有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等信息,从而进行科学预测,帮助农民抗灾、减灾,科学种植,提高农业综合效益。

2007年,位于美国加州Oxnard的草莓培育商安装一套物联网系统,实时追踪植物的生长状况。

该系统还可以根据空气和土壤的状况,自动触发相关行为,如浇水或调节温度。

这套系统由ClimateMinder开发,目的是帮助培育商更好地管理植物的生长情况,这套系统自该公司2007年发布以来,已被土耳其200家多温室和苗圃所采用。

此外,该系统还在土耳其的鸡场、烟草存储厂和冷藏仓库使用[10]。

中国ZhangQian[11]等运用了物联网中的无线传感技术提出了温室检测和控制系统方案,该方案促进了中国设施农业的发展。

杜晓明等[12]针对传统温室农作物数据采集系统存在的问题,也提出了一种使用无线传感器网络技术组建农业温室监控系统的设计方案,实现了作物生长环境的无线监控,解决了传统温室农业布线的繁琐性和局限性,为提高温室环境信息管理自动化程度和设施农业种植决策提供了依据。

邴志刚等[13]对作物精准灌溉的传感器网络进行了研究,其运用RFID相关技术设计了智能灌溉支架,便于传感器网络节点部署、网络拓扑动态调整和网络管理以适应不同作物和作物不同生长阶段。

对该系统进行了实验,表明了其合理性和实用性。

AmpatzidisY.G.和VouqioukasS.G.[14]将RFID技术应用于检测果树的信息,从而分析果子的生长状况。

BowmanK.D.[15]则具体提出了在柑橘树中植入射频芯片,该芯片可以采集和存储柑橘树的信息。

HamritaT.K.和HoffackerE.C.[16]开发出土壤性质监测系统,运用了RFID和无线传感器技术,实现了对土壤温度、湿度等的实时监测,对后续植物的生长状况提供研究的依据。

2010年,孙慧远等[17]探讨了基于RFID技术的植物电信号数据采集系统的设计,研究表明其设计的系统具有可行性,对实时监测植物生长情况和环境变化具有积极意义。

三、物联网技术在食品生产领域的应用

食品业是典型的流程型制造业,其特点是生产产品不能逆转,产品安全管理包括生产、加工、储存、运输和销售等环节,每一个环节都有可能出现食品安全问题。

因此,农产品安全信息化已经成为食品安全监管工作中不可或缺的部分。

物联网技术目前应经在食品安全管理中得到广泛的应用。

如果发现农产品质量有问题,能够利用RFID技术快速地反应、追本溯源,确定问题所在,有效地控制产品质量安全带来的问题[28]。

郭曼等[19]将数据网络技术与RFID技术相结合的方式,构建了基于数据网络的RFID农产品质量跟踪与追溯系统,实现了农产品跟踪与信息共享的物联网系统。

在水产品中,金淑芳[20]将RFID技术与传感器技术有效的结合,将水产品供应链中的物流环节全程监控与追踪。

李琳娜等[21]应用电子标签技术、自动识别技术在广东省的7家养殖场、5家批发市场、2家水产品加工企业和1家省级监管中心进行实施水产品质量安全追溯体系。

在肉类产品中,国外SpiesslMayrE.等[22]运用RFID技术改进了猪肉的可追溯系统,并对该系统进行了实验,证明了该系统的可行性。

谢菊芳等[23]运用二维条码技术、RFID技术和组件技术,构建了肉用猪及其产品的全程质量控制,实现了基于.NET构架的猪肉安全生产的追溯系统。

史海霞等[24]通过构建网络体系构架并运用RFID技术,实现了基于.NET框架下的肉用猪质量安全可追溯监测系统。

该系统可以实现让消费者购买猪肉食品后追溯到肉的生产全过程,保证了猪肉食品的质量安全。

在果蔬产品中,孙旭东等[25]实现了柑橘质量安全可追溯信息系统,该系统运用了RFID技术、二维码技术等融合数据库技术和无线网络技术多学科技术,解决了每个参与对象信息的可追溯监测性。

一旦在市场上发现危害消费者健康的果品,通过查询电子标签上的信息就可以获得果品的产地等相关信息。

陆清等[26]提出了RFID技术在供港蔬菜卫生安全监管中的应用,他们开发了RFID卫生安全电子信息系统,在供港蔬菜卫生安全溯源监管过程中进行关键点控制,建立生产种植、加工、包装、运输、检验检疫监管、消费等环节的信息共享机制,实现了供港蔬菜“从农场到餐桌”的信息全程溯源,为我国食品安全检测提供了经验。

四、物联网技术在食品流通领域的应用及食品流通物联网系统设计方案

食品流通物联网是一个先进的、综合性的和复杂的系统，其最终目标是为单个产品建立全国的、开放的标识标准，并实现基于全国网络连接的信息共享。

笔者设想的食品流通物联网构架可以设定为主要由六方面组成：

EPC编码、EPC标签、识读器、Savant（神经网络软件）、对象名解析服务（ObjectNamingService：

ONS）和实体标记语言（PhysicalMarkupLanguagePML）。

食品流通物联网的具体建设方案可以分为如下几个部分。

（一）食品产品EPC信息内容设计　

对于食品流通物联网而言，食品产品的EPC中包含的信息，是贯穿食品流通物联网运作的“线索”，食品产品EPC中应该包含哪些信息是构建食品流通物联网首先需要解决的问题。

食品产品信息可分为固定信息和可变信息两类。

固定信息大部分是与食品产品交易项目相关联的信息。

相同的食品产品交易项目描述相同的信息，包括确定该食品产品交易项目的基本特征信息（如食品产品的名称、剂型、规格、包装规格等）和相关的管理信息（如食品产品的制造商名称、价格、食品产品管理分类等）。

可变信息是食品产品交易项目随具体单元不同而变化的信息，如：

食品产品的有效期、批号、包装数量等。

可变信息只与食品产品项目的具体单元有关。

（二）食品信息采集子系统

食品信息采集子系统主要由EPC射频识别系统和Savant系统组成。

其中，EPC射频识别系统负责收集EPC编码数据，并将数据传给Savant系统。

Savant系统是利用分布式的结构，层次化地进行组织、管理数据流。

Savant终端软件需要安装在食品生产企业、食品批发企业、食品零售企业等各个物流结点、甚至运输设备、装卸搬运设备上。

每一层次上的Savant系统将收集、存储和处理由EPC射频识别系统识别的信息，并与其它层次的Savant系统进行交流。

每当识读器扫描到一个EPC标签所承载的单位食品信息时，收集到的数据将传递到整个Savant系统。

食品信息采集子系统在各个环节收集的动态食品信息，为食品物流跟踪系统提供数据来源，从而实现了物流作业的无纸化。

（三）食品物流跟踪子系统

食品物流跟踪系统以Savant系统作支撑，主要包括对象名解析服务和实体标记语言。

食品物流跟踪子系统的跟踪过程包括食品生产物流跟踪、食品销售物流跟踪及食品回收物流跟踪。

１．食品生产物流跟踪食品生产企业在生产某种食品的同时，会设计包含对应EPC代码的射频识别标签。

在食品正式入库前，质检部门会对每批产品进行质量检查。

在入库和储存过程中发生装卸搬运操作、货位仓位变化等情况时，Savant系统会将货物实际变化情况与对应PML文件信息相匹配。

当食品以大包装的形式出库时，射频识读器将它收集到的该种食品的EPC传递给本地服务器中的Savant软件。

随后Savant进入工作状态，将射频识读器识别到的食品信息记录到本地EPC信息服务器，EPC信息服务器将收集到的信息与研发、设计、生产阶段存储在数据库里具有相同序列号的食品信息相匹配，随后按照PML规格重新写入交易、出库记录，形成新的PML文件并存入PML服务器。

在将食品交易、出库信息记录到本地PML服务器的同时，将该食品EPC编码和PML服务器IP一块注册到对象名解析服务器（ONS服务器）使其在ONS基础构架中产生对应关系。

通过Internet保障全国各地的Savant系统可以随时发出询问并读取该食品的相关信息。

2．食品销售物流跟踪当这批食品运送到食品批发企业时，射频识读器会根据到货检验、装卸搬运、入库等物流作业快速读取EPC标签中的代码，并将数据传递给本地Savant系统。

本地Savant系统将识读到的食品EPC编码传送给本地对象名解析服务器。

本地对象名解析服务器将该食品EPC编码转换成EPC域名，并把EPC域名传递给ONS基础构架，请求与EPC域名相匹配的PML服务器IP。

ONS基础构架中的Savant系统负责将这一请求与食品生产企业的PML服务器相匹配，并连接通讯。

本地服务器通过Internet与远程PML服务器通讯，请求服务器中食品相关信息。

食品生产企业的PML服务器返回食品的质量管理文件及相关交易记录、物流纪录。

本地服务器将远程PML服务器返回的食品信息（食品品名、类型、规格、批准文号、有效期）与入库质检识读器收集到的生产厂商、购进数量、购货日期等项内容，生成验收记录，存入后台的PML服务器。

同时本地Savant系统将记录食品生产企业PML服务器的IP地址。

在食品经过各级批发到达销售终端--食品零售企业和超市时，伴随入库、存储、出库产生的食品流通物联网工作流程是相类似的。

在食品销售的整个过程中，食品流通物联网的每个节点一直在通过自己的识读器识别、确认食品货物的相关信息，并通过Savant系统与PML服务器和对象名解析服务器（ONS服务器）建立连接，不断生成每个环节的食品跟踪PML文件。

在食品销售物流流程的每个环节上，只要通过射频识读器就可检验货物，而不需要开包验收，这样，就能提高物流作业效率，还能够保证各环节准时地了解到食品仓位的详细情况。

３．食品回收物流跟踪超市和食品零售企业面对的是最终消费者，当超市里的消费者或售货员取走货架上的食品并最终付款时，货架上的射频识读器会通过食品包装上的EPC，辨认出食品的信息。

然后，通过超市的Savant系统更新本地的库存信息并在食品流通物联网中的EPC信息服务器（EPC-IS）和对象名解析服务器（ONS）更新信息，如将信息数据库中对应的产品信息加入“处于消费阶段”一项。

直到消费者消费完毕，原本装盛食品的食品包装容器进入回收领域时，回收中心的识读器和Savant系统再次认出包装上的食品生产企业名称、地址等有用信息，通过EPC网络反映到食品生产企业的本地EPC信息服务器（LocalEPC-IS）中，然后食品生产企业会注销已经消费掉的食品的信息，并通过回收中心提供的信息进行食品包装容器的回收。

食品批发企业的情况相类似，不过对于批发商而言，消费周期可能更短，食品包装容器可以更快的进入回收环节。

（四）食品物流信息传输子系统

食品物流信息传输子系统的功能是将食品信息采集子系统收集的数据通过无线或有线的通信方式传到Savant系统。

目前常用的无线通信方式有GSM、CDMA、GPRS、CDPD（蜂窝数字分组数据通信规程）以及BlueTooth（蓝牙技术）等，有线通信方式有DDN（数字数据网络技术）、PSTN（电话网络）、ISDN（综合数字业务网络技术）、LAN（局域网）及宽带网等。

（五）食品物流信息发布子系统

食品物流信息发布子系统提供的服务主要包括以下三方面：

１．为每一食品单体提供身份认证，无论是食品批发企业、食品零售企业、超市还是消费者，都可以从食品物流信息发布子系统查明他们购入食品的真伪，防止假冒食品进入流通环节。

２．食品生产企业可以通过查询食品物流信息发布子系统跟踪食品的流通全过程、食品的交易信息，防止窜货。

３．食品零售企业、超市可以查询他们委托销毁的过期食品、食品包装容器是否已被处理，防止过期食品、食品包装容器流入非正当渠道。

五、物联网技术在食品追溯领域的应用及食品追溯物