物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術在食品溯源中的研究與應用

引言

食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，食品安全關系到每一個人的身體健康，是追求社會穩(wěn)定的一個重大社會問題。然而，近些年，“毒奶粉”，“地溝油”等食品安全問題頻頻發(fā)生，如何對食品生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)進行有效地監(jiān)督和控制,保證食品安全，已經(jīng)成為整個社會共同面臨的重大課題。

物聯(lián)網(wǎng)是Internet的進一步發(fā)展，可以把各種物品通過網(wǎng)絡連接起來，以方便人們隨時隨地查看物品的各種信息，也可以對物品的來源、流通環(huán)節(jié)進行監(jiān)督。因此，本文將物聯(lián)網(wǎng)中的RFID、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和Web服務器等關鍵技術運用到食品的采購、生產(chǎn)、加工、存儲和銷售等環(huán)節(jié)，從而建立一個食品安全回溯系統(tǒng)，為食品安全信息回溯和食品確證提供最佳的解決方案。

1食品安全和物聯(lián)網(wǎng)

1.1食品的溯源與確證

所謂食品溯源，是指在食品鏈的所有階段追溯食品信息和記錄、跟蹤、定位一種食品、飼料、食用動物或物質(zhì)的能力。食品鏈又稱飼料和食品鏈，ISO22000定義為：從初級生產(chǎn)到消費的各個環(huán)節(jié)和流程的順序，涉及食品輔料的生產(chǎn)、加工、分銷、儲存和處理。食品確證就是消費者購買的食品與其商標或生產(chǎn)說明的一致性，可用于證明食品的安全性。

1.2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是通過射頻識別、傳感設備、紅外感應器、條形碼二維碼、全球定位系統(tǒng)、激光掃描設備等信息，按照預定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

普遍認為，物聯(lián)網(wǎng)技術分為三個層面：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層主要依靠射頻（RFID）識別技術、條形碼技術以及各種傳感器來檢測與存儲食品在整個食品鏈中的流動信息（比如各類食品的標識碼、食品生產(chǎn)過程的環(huán)境參數(shù)等）；感知層主要通過網(wǎng)絡層（如BlueTooth、Wi-Fi、3G、GPRS、ZigBee等無線傳感器網(wǎng)絡以及TCP/IP協(xié)議等）將食品的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程的信息平臺，并保存到信息平臺的數(shù)據(jù)庫中；應用層主要為食品安全管理部門和消費者提供各種食品監(jiān)測信息的查詢和監(jiān)督。

2物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術

2.1射頻識別技術

RFID射頻識別技術目前已經(jīng)應用于食品原料的生產(chǎn)、加工和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，帶有EEPROM和唯一ID號的射頻標簽可以標識每一種食品原料的信息，便于記錄食品鏈中的各種生產(chǎn)信息。因而可以實現(xiàn)食品及相關信息的追蹤和回溯與整個食品生產(chǎn)經(jīng)營活動的有效監(jiān)控。

利用RFID技術，可以從食品的原材料生產(chǎn)、加工、購買到產(chǎn)品銷售階段都配備電子標簽，同時利用全球統(tǒng)一的物品編碼技術為每一個食品確定唯一的ID號，再利用射頻識別技術讀取或?qū)懭胧称愤^程信息，同時利用無線傳輸技術將食品鏈中的全部信息及時發(fā)布到網(wǎng)絡管理平臺。RFID系統(tǒng)主要由電子標簽（Tag）、標簽閱讀器、天線和數(shù)據(jù)庫等模塊組成，圖1所示是一個RFID統(tǒng)統(tǒng)的結構示意圖。

圖1  RFID統(tǒng)統(tǒng)結構示意圖

當裝有電子標簽的食品或者原材料進入到讀寫器天線的能量場后，讀寫器可以按照規(guī)定的讀寫協(xié)議和加密方式讀取標簽上的農(nóng)藥殘留、其他來源的化學污染物、生物毒素和食品添加劑、飼料添加劑以及各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)等信息,并且將這些信息上傳到服務器并更新到數(shù)據(jù)庫，同時接受來自服務器的數(shù)據(jù)寫入請求，將食品當前的加工和環(huán)境信息寫入到電子標簽。

2.2無線傳感器網(wǎng)絡

目前主要存在的無線通信技術有BlueTooth、CDMA、WCDMA、3G、GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。其中Bluetooth的通信距離比較短；CDMA、WCDMA、3G和GPRS的成本相對較高，且需要依賴基站；Wi-Fi的功耗較高。這些無線通信技術都不大適合檢測食品加工環(huán)境參數(shù)的無線傳輸。

因此，本文選擇ZigBee作為網(wǎng)絡傳輸方式。分布在加工環(huán)境中的溫濕度、酸堿度等智能傳感器通常由采集電路、ZigBee芯片CC2530為核心的控制傳輸電路、天線三部分組成。CC2530可將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)絽R聚節(jié)點,也稱網(wǎng)關，就是前面所說的管理平臺。最后由管理平臺的客戶端程序保存到后臺數(shù)據(jù)庫。圖2所示為ZigBee組網(wǎng)示意圖。

圖2ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)

在食品的生產(chǎn)階段，將環(huán)境溫度、濕度、氧氣含量、壓力等各種參數(shù)傳感器節(jié)點與鄰近的路由節(jié)點綁定，可將傳感器數(shù)據(jù)通過路由器單跳或多跳傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點。路由器除了路由功能外，本身也具有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能。

ZigBee無線通信技術可以在中短距離實現(xiàn)網(wǎng)狀自組網(wǎng),以有效防止網(wǎng)絡個別設備節(jié)點故障弓起的部分甚至全部通信中斷，并且不產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)通信費用。

2.3Web服務器技術

每一個食品加工企業(yè)都有一個唯一的固定網(wǎng)絡IP地址,通過網(wǎng)絡地址翻譯可使得Internet用戶和其他普通用戶通過公網(wǎng)進入食品加工企業(yè)的局域網(wǎng)。在企業(yè)的管理平臺上建立Web服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問，也可以授權相關管理部門下載歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、報表，其他部門也可以查詢相關數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心采用瀏覽器/服務器（B/S）工作模式，可使用戶通過瀏覽器實時查看數(shù)據(jù)，而無需安裝任何客戶端軟件。圖3所示是客戶端與服務器之間的通信流程。

3在食用動物食品加工中的應用

動物食品溯源一般分為五個階段：牲畜家禽養(yǎng)殖階段、屠宰階段、分割初加工包裝階段、市場銷售階段和消費及管理者對于食品的信息回溯階段。

牲畜家禽養(yǎng)殖階段：每一頭牲畜家禽均裝有RFID耳釘或腳環(huán)，當牲畜家禽靠近養(yǎng)殖場安裝的讀寫器時，讀寫器就會自動獲取其生長狀況、健康狀況等信息，并及時將此生長環(huán)境信息更新到標簽和本地服務器。養(yǎng)殖場管理員將防疫情況、飼料添加劑等信息對應個體的ID號錄入到本地服務器。

屠宰階段：自動將屠宰人員的個人信息、屠宰牲畜家禽的批次信息、屠宰環(huán)境和衛(wèi)生防疫等信息更新到本地數(shù)據(jù)庫。

分割初加工包裝階段：在此階段，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個新的ID號與每一個包裝對應，同時生成產(chǎn)品名牌、商標、檢疫等

信息并對應數(shù)據(jù)庫中的相應信息。

市場銷售階段：食品溯源時，可打印一張紙質(zhì)條碼標簽,上附產(chǎn)品的商標、生產(chǎn)日期、批次、生產(chǎn)廠家等信息。條碼與前面幾個階段的產(chǎn)品電子標號相對應。

食品的信息回溯階段：通過激光掃描器掃描食品條碼標簽上的條碼，以查詢和確證食品的各種信息。

圖4所示為食用動物溯源系統(tǒng)結構圖。

4物聯(lián)網(wǎng)在食品溯源中的應用前景

4.1電子標簽的成本高

實現(xiàn)電子標簽對食品信息的全面跟蹤，必須安裝大量讀寫器并且要求分布式安裝，從而建立龐大的信息數(shù)據(jù)處理管理系統(tǒng)，這必然導致大量的資金投入。在所有食品中嵌入電子標簽將直接導致食品成本上升，這會在某種程度上限制物聯(lián)網(wǎng)技術在食品工業(yè)中的應用。

4.2通信協(xié)議眾多

目前可用于物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議很多，比如GPS、ZigBee、短距離通信(NFC)、Wi-Fi、BlueTooth、6L0WPAN、EnOcean、ISA100、WirelessHART、超寬頻(UltraWideBand)、WiMedia、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等等，如何有效整合各種協(xié)議或者進行有效兼容，是物聯(lián)網(wǎng)技術在食品工業(yè)應用中不可避免的問題。

5結語

RFID、ZigBee以及Web服務器等物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術在食品溯源系統(tǒng)的應用為完善食品溯源體系提供了最佳的解決方案，同時也提高了管理人員的工作效率，保證了消費者購買食品的安全性和食品信息的真實性，因而具有廣闊的應用前景。但是，作為一種新技術，利用物聯(lián)網(wǎng)來構建食品溯源信息管理體系，同樣面臨著難得的機遇和不小的挑戰(zhàn)。

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