基于混合模式(RFID+条码)的农产品质量可追溯系统集成

自20 世纪70 年代以来，食品安全问题日益突出，引起了人们的广泛关注。实行农产品安全标志及追溯管理，建立农产品质量安全可追溯系统是有效解决食品安全问题的重要措施。各国研究人员相继研究建立了若干追溯系统：Lachance利用GPS、条码和HACCP 技术建立了食品安全可追溯系统;Moretti 等人建立了渔业可追溯系统，美国、法国的研究人员采用电子射频(RFID) 标签和条形码相结合的追踪模式， 实现了对肉牛生长发育和牛肉生产的整个供应链流程的追踪。国内陆昌华、谢菊芳、昝林森、叶春玲等人应用SQL Server、VB.NET、ASP.NET 等技术实现了猪肉、牛肉、蔬菜等质量安全可追溯系统 。
　　
　　一个完善的追溯系统应该至少包含以下四个部分，即标志系统、数据存储系统、数据采集和传递系统、信息查询系统。目前，各国应用了以下技术对农产品进行标志：条形码技术、RFID 技术、DNA 识别技术以及虹膜识别技术;使用条码识读设备、RFID 天线等实现数据采集;采用电子表格交换、电子邮件、物理电子数据支持介质及确切信息输入等方式实现数据传递。
　　
　　已实现的系统中系统架构多数采用C/S 或B/S 模式，但是单一采用C/S 或B/S 模式有其不足之处。C/S 模式的系统只适用于局域网而且需要耗费大量的人力去对客户端进行维护和升级;而B/S 模式的系统运行速度较慢、数据不安全，对硬件的操作性较差。本文提出一种基于C/S 和B/S 混和模式的农产品质量安全可追溯系统的集成方法，该方法使用目前广泛应用的RFID技术、条形码技术及其他如数据库和组件等技术，将标志、数据存储、数据采集和传递、信息查询四部分进行有机集合以实现对农产品生产全过程进行管理，实现农产品质量安全可追溯。
　　
1　基于混合模式的可追溯系统框架
　　
　　1.1　农产品可追溯系统的信息需求
　　
　　质量可追溯系统包含两层含意，一方面是质量相关信息的跟踪，即对于农产品生产过程中主要环节的信息进行记录存档;另一方面为质量危害的溯源，即能够根据产品生产记录信息逆向追溯到产品危害来源。农产品可追溯系统涉及多个主体，包括农产品生产商、加工商、销售商和消费者。产品的相关信息在可追溯系统各个节点被采集，并在上述主体之间流动，形成了追溯流程。各主体具有不同的特点，要实现信息的有效采集与传递，针对不同的主体系统应具有不同的体系架构，采取不同的数据采集与传输方式。
　　
　　a)农产品生产商空间分布广，企业信息化程度一般较低，同时农产品生产周期长，信息采集点分散且采集时间不固定;但农产品生产商(如养殖场和种植农户)是农产品供应的源头，是保证农产品质量安全的第一关。以上特点要求系统对农产品进行监管和惟一标志，但对数据传输的实时性和传输速度要求不高。

　　b)农产品加工商一般采用流程化作业模式，加工环节较多、过程复杂，这导致系统对个体标志信息的采集比较频繁，信息采集量较大。同时农产品在这一环节的聚合状态经常会发生变化(如经历分割或混合操作)，追溯单元变迁复杂。以上特点要求系统自动、快速辨识个体，并对其精确跟踪。

　　c)农产品销售商是产品进入消费者手中的最后一关，目前追溯系统中涉及的销售商大多为大型超市。产品在此环节已经包装完毕、不会再次分割，因此系统的重要功能之一是实现对产品去向的跟踪。

　　d)消费者是追溯系统的终端，针对消费者系统主要实现信息查询功能。消费者具有分布范围广、需求及偏好差别大等特点，因此查询系统应具有易操作、免安装、免维护、响应速度快等特点。
　　
　　1.2　农产品可追溯系统的集成框架与技术选择
　　
　　目前农产品可追溯系统网络连接模式主要有两种，分别为客户端/服务器(C/S)模式和浏览器/服务器(B/S)模式，这两种模式各有其优缺点，单一采用任意一种模式均有其局限性。C/S 模式的系统通常为两层结构，即客户端和服务器端。在此结构的应用中，用户界面和业务逻辑在客户端，数据维护在服务器端，由另一个独立的数据库管理系统程序来完成。采用C/S 模式的系统具有客户端安全性高、数据处理的响应速度快、数据的动态交互性强等优点，同时C/S 模式的系统在操作硬件方面具有优势。
　　
　　B/S 模式以访问Web 数据库为中心，HTTP 为传输协议，客户端通过浏览器访问Web 服务器和与其相连的数据库服务器，其结构为三个层次，即表示层、功能层和数据层。采用B/S 模式系统客户端只需安装浏览器，无须安装客户端，系统的扩展及升级非常容易。 

　　农产品追溯系统采用C/S 与B/S 相结合的混合架构，具体实现为业务流程采用C/S 结构，信息发布采用B/S 结构。整个系统以C/S 模式为基本框架，以B/S 结构为补充，这种混合模式集两种架构的优点于一体，在运行速度、信息承载、信息采集传输自动化程度、数据安全等方面性能优越。
　　
　　1.2.1　基于RFID 技术的个体标志及数据采集传递方案
　　
　　RFID 的基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。与传统的条形码识别技术相比较，RFID 具有以下优势：扫描快速、体积小、形式多样化、穿透力强、数据的记忆容量大及安全性好等特点。RFID 系统通常由识读器和电子标签组成，而识读器又分为移动式和固定式。方案采用RFID 技术实现农产品在生产、加工环节的个体标志和信息传递，针对供应链不同主体和不同的农产品，采取不同的个体标志方式与不同的数据采集、传递方案。
　　
　　1)个体标志：在农产品生产环节预先对产品进行编码，并制作包含编码及其他必要信息的RFID 标签用以标志个体。例如对于牛羊等畜类采用耳标的形式标志个体;蔬菜水果等农产品则给农户或地块制作RFID 卡片标签来标志个体。在农产品加工环节，根据实际情况确定追溯的单位(批次、个体、部位)，同样使用RFID 卡片标签标志追溯个体。卡片随产品移动，当产品聚合状态(分割或混合)发生改变时，通过对卡片标签信息进行读写、复制操作来达到标志个体的目的。
　　
　　2)数据采集与传递：一般而言，农产品生产商分布范围广、场地面积大，而生产过程中的数据采集在时间和空间上均相对分散，故使用移动式RFID 识读设备(手持机)进行数据采集并传输。农产品加工商处信息设施齐全，加工环节紧凑，数据采集类型固定且频率很高，故此处采用能远距离快速读写的固定式RFID 识读设备(天线及识读器)对标签进行数据读写操作。

　　1.2.2　基于组件技术的软件集成方案
　　
　　组件技术是一种软件开发中的末端技术，组件是一个独立发布、可替换的功能部分，可以通过它的接口实现服务。软件组件是仅有契约式的指定接口和上下文关系所构成的单元，是一种可部署软件的代码包，其中包括某些可执行模块。组件具有四个特点，即服务性、可部署性、合成性及上下文依赖性。组件单独开发并作为软件单元使用，它具有明确的接口，软件通过这些接口调用组件所提供的服务。采用组件技术可以降低软件开发、测试和维护成本，提高系统的可靠性和稳定性。
　　
　　实现追溯单元的标志、数据采集和传递是实现整个系统追溯功能的前提。为了提高上述功能的可重用性，降低开发的难度，本文使用组件技术进行开发。各功能模块被构建成不同的组件，并明确定义各接口，使用者通过其接口得到服务，无须调用组件的内部方法。系统实现其基本功能主要涉及三个组件，分别为RFID 读写组件、二维码生成组件、打印组件，需调用10个动态库文件和两个配置文件。
　　
　　a)RFID 读写组件主要用于操作RFID 天线与接收器，实现系统与RFID 标签的数据交互。系统功能模块通过预定义的接口与组件相连，对RFID 标签数据进行读出和写入操作，同时返回操作结果。
　　b)二维码生成组件用于生成二维码图片。系统相应功能模块将追溯码、图片大小、像素等参数发送到组件，组件读取配置文件、动态库文件，生成二维码图片保存在预设路径。
　　c)打印组件实现系统与工业打印机的交互，通过更改配置文件来设置标签大小、字号、打印速度、对比度等参数，同时打印模块程序将打印内容、图片路径等参数发送给打印组件。组件根据配置文件调用需要的动态库对打印机进行操作，实现标签打印功能。
　　
2　基于混合模式的农产品可追溯系统实现
　　
　　作为农产品的一种，蔬菜是人们日常生活不可或缺的食品之一，其质量安全直接影响人们的身体健康。本文在调研蔬菜企业实际业务流程的基础上，对蔬菜种植及加工过程中所涉及的追溯个体的划分与标志、信息采集与传递等作了相关研究，应用此集成方法设计并实现了基于C/S 和B/S 混合模式的蔬菜质量安全可追溯系统。
　　
　　2.1　蔬菜可追溯业务流程

　　为蔬菜企业实际业务流程，企业的经营模式为公司+联营种植户的形式。种植户负责蔬菜的日常生产管理及信息记录。企业采购部接到办公室通知后对种植户的蔬菜进行采样检验，如各项指标合格，则通知种植户收获企业要求的数量并送至生产部门。生产部门接收种植户的蔬菜，合格部分经清洗、杂质检验、分拣包装，最后在外包装上粘贴追溯标签后分发到各订货超市。 

　　2.2　蔬菜可追溯系统设计与实现
　　
　　系统由四部分构成：a)由个体编码方案、RFID 标签和二维码标签组成的标志系统;b)中央数据库及数据处理程序构成的数据存储系统;c)由RFID 天线和识读设备、手持机、相应应用程序构成的数据采集与传输系统;d)由条码识读设备、触摸一体查询机及蔬菜质量安全追溯网站组成的信息查询系统。在系统运行初期，对所有农户和地块进行编号，同时为所有农户和员工制作标志身份的RFID 标签对其惟一性进行标志。任何关键信息采集之前，系统均需识别RFID 标签。
　　
　　根据企业生产管理和蔬菜种植加工的流程，将追溯系统划分为系统管理、种植数据管理、人员管理、地块管理、加工管理、日常管理、信息查询等七个功能模块。以加工管理模块为例，本模块包含样品检验、蔬菜入厂、蔬菜包装、蔬菜出库、加工记录五个业务子模块，分别对应加工流程各个环节。蔬菜入厂时，系统自动生成包含地块、入厂日期、检验员等信息的蔬菜RFID 标签，并将其附在盛放蔬菜的容器外。蔬菜在各环节流转时，系统通过RFID 天线无接触地从标签中存取数据，实现蔬菜信息的采集和传递;特别当蔬菜聚合状态发生变化时，通过复制RFID 标签或将新信息写入标签实现产品与信息的同步流动。当完成所有加工后，系统根据RFID 标签中数据生成追溯码，并打印出带有二维条码的纸质标签粘贴于蔬菜外包装上，顾客可以通过追溯码查询蔬菜信息。
　　
　　在开发RFID 读写、二维码生成及标签打印等系统主要模块时使用组件技术。以实现追溯码标签的预览与打印为例，a)将生成二维码图片的两个动态库文件及打印需要的动态库文件单建文件夹放于C 盘根目录下;b)将生成二维码的组件和打印组件分别添加到代码中相应位置;c)把组件中相关动态库文件的引用目录修改成新建的文件夹所在位置;d)设定组件运行需要的相关参数。经以上操作，系统即可根据实际获得的参数生成带有二维码图片及其他相关信息的追溯标签并将其打印。
　　
　　系统在Windows 2003 Server 操作系统下进行开发，使用语言为C#，数据库选用MS SQL Server 2005。系统在实验室测试通过并已在合作企业安装并试验运行，结果显示系统可以很好地实现蔬菜从进厂、加工一直到打印标签、包装出库的整个生产流程，最终完成蔬菜信息可追溯功能。
　　

3　结束语
　　
　　本文通过对农产品供应链各环节进行研究，提出了一种基于混合模式的农产品质量安全可追溯系统的集成方法。采用C/S +B/S 的混合模式来构架系统，使追溯系统既具有强壮的数据操纵能力和数据安全性，又具有开放性。通过将RFID 技术、条形码技术和组件技术等进行有机集成，实现了农产品供应链各主体间信息传递的有效连接。以蔬菜为例，在实地调研企业实际业务流程的基础上，应用此方法开发了蔬菜质量安全可追溯系统。试验运行结果显示系统实现了蔬菜质量信息的跟踪和溯源，既满足了消费者对质量信息透明的要求，又为企业构筑了一个生产管理平台。由于农产品供应链上与质量安全相关的信息种类繁杂，目前的追溯系统还只是针对关键信息进行追溯。下一步的工作重点将研究更多种类的信息纳入可追溯范畴，并在合理的范围内提高可追溯信息的准确度。(文/中国农业大学信息与电气工程学院)