物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在食品溯源中的研究與應(yīng)用

引言

食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，食品安全關(guān)系到每一個(gè)人的身體健康，是追求社會(huì)穩(wěn)定的一個(gè)重大社會(huì)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(duì)食品生產(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)進(jìn)行有效地監(jiān)督和控制,保證食品安全，已經(jīng)成為整個(gè)社會(huì)共同面臨的重大課題。

物聯(lián)網(wǎng)是Internet的進(jìn)一步發(fā)展，可以把各種物品通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，以方便人們隨時(shí)隨地查看物品的各種信息，也可以對(duì)物品的來源、流通環(huán)節(jié)進(jìn)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(luò)和Web服務(wù)器等關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用到食品的采購、生產(chǎn)、加工、存儲(chǔ)和銷售等環(huán)節(jié)，從而建立一個(gè)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(dòng)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(jí)生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)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(chǔ)存和處理。食品確證就是消費(fèi)者購買的食品與其商標(biāo)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(shí)別、傳感設(shè)備、紅外感應(yīng)器、條形碼二維碼、全球定位系統(tǒng)、激光掃描設(shè)備等信息，按照預(yù)定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

普遍認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為三個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要依靠射頻（RFID）識(shí)別技術(shù)、條形碼技術(shù)以及各種傳感器來檢測(cè)與存儲(chǔ)食品在整個(gè)食品鏈中的流動(dòng)信息（比如各類食品的標(biāo)識(shí)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(luò)層（如BlueTooth、Wi-Fi、3G、GPRS、ZigBee等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及TCP/IP協(xié)議等）將食品的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的信息平臺(tái)，并保存到信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中；應(yīng)用層主要為食品安全管理部門和消費(fèi)者提供各種食品監(jiān)測(cè)信息的查詢和監(jiān)督。

2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1射頻識(shí)別技術(shù)

RFID射頻識(shí)別技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于食品原料的生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，帶有EEPROM和唯一ID號(hào)的射頻標(biāo)簽可以標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)食品及相關(guān)信息的追蹤和回溯與整個(gè)食品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的有效監(jiān)控。

利用RFID技術(shù)，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(biāo)簽，同時(shí)利用全球統(tǒng)一的物品編碼技術(shù)為每一個(gè)食品確定唯一的ID號(hào)，再利用射頻識(shí)別技術(shù)讀取或?qū)懭胧称愤^程信息，同時(shí)利用無線傳輸技術(shù)將食品鏈中的全部信息及時(shí)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽（Tag）、標(biāo)簽閱讀器、天線和數(shù)據(jù)庫等模塊組成，圖1所示是一個(gè)RFID統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1  RFID統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的食品或者原材料進(jìn)入到讀寫器天線的能量場(chǎng)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(biāo)簽上的農(nóng)藥殘留、其他來源的化學(xué)污染物、生物毒素和食品添加劑、飼料添加劑以及各個(gè)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(wù)器并更新到數(shù)據(jù)庫，同時(shí)接受來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)寫入請(qǐng)求，將食品當(dāng)前的加工和環(huán)境信息寫入到電子標(biāo)簽。

2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

目前主要存在的無線通信技術(shù)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(duì)較高，且需要依賴基站；Wi-Fi的功耗較高。這些無線通信技術(shù)都不大適合檢測(cè)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(luò)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(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn),也稱網(wǎng)關(guān)，就是前面所說的管理平臺(tái)。最后由管理平臺(tái)的客戶端程序保存到后臺(tái)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(diǎn)與鄰近的路由節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。路由器除了路由功能外，本身也具有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能。

ZigBee無線通信技術(shù)可以在中短距離實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀自組網(wǎng),以有效防止網(wǎng)絡(luò)個(gè)別設(shè)備節(jié)點(diǎn)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(fèi)用。

2.3Web服務(wù)器技術(shù)

每一個(gè)食品加工企業(yè)都有一個(gè)唯一的固定網(wǎng)絡(luò)IP地址,通過網(wǎng)絡(luò)地址翻譯可使得Internet用戶和其他普通用戶通過公網(wǎng)進(jìn)入食品加工企業(yè)的局域網(wǎng)。在企業(yè)的管理平臺(tái)上建立Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問，也可以授權(quán)相關(guān)管理部門下載歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表，其他部門也可以查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）工作模式，可使用戶通過瀏覽器實(shí)時(shí)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(wù)器之間的通信流程。

3在食用動(dòng)物食品加工中的應(yīng)用

動(dòng)物食品溯源一般分為五個(gè)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(chǎng)銷售階段和消費(fèi)及管理者對(duì)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(dāng)牲畜家禽靠近養(yǎng)殖場(chǎng)安裝的讀寫器時(shí)，讀寫器就會(huì)自動(dòng)獲取其生長(zhǎng)狀況、健康狀況等信息，并及時(shí)將此生長(zhǎng)環(huán)境信息更新到標(biāo)簽和本地服務(wù)器。養(yǎng)殖場(chǎng)管理員將防疫情況、飼料添加劑等信息對(duì)應(yīng)個(gè)體的ID號(hào)錄入到本地服務(wù)器。

屠宰階段：自動(dòng)將屠宰人員的個(gè)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?cái)?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(gè)新的ID號(hào)與每一個(gè)包裝對(duì)應(yīng)，同時(shí)生成產(chǎn)品名牌、商標(biāo)、檢疫等

信息并對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)信息。

市場(chǎng)銷售階段：食品溯源時(shí)，可打印一張紙質(zhì)條碼標(biāo)簽,上附產(chǎn)品的商標(biāo)、生產(chǎn)日期、批次、生產(chǎn)廠家等信息。條碼與前面幾個(gè)階段的產(chǎn)品電子標(biāo)號(hào)相對(duì)應(yīng)。

食品的信息回溯階段：通過激光掃描器掃描食品條碼標(biāo)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(dòng)物溯源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

4物聯(lián)網(wǎng)在食品溯源中的應(yīng)用前景

4.1電子標(biāo)簽的成本高

實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽對(duì)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(dǎo)致大量的資金投入。在所有食品中嵌入電子標(biāo)簽將直接導(dǎo)致食品成本上升，這會(huì)在某種程度上限制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)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(jìn)行有效兼容，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品工業(yè)應(yīng)用中不可避免的問題。

5結(jié)語

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

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