食品溯源物聯網系統的實現

摘要：本項目從食品的生產源頭開始，對每一具體食品經過哪一工序，通過哪一環節到了消費者手中，都能查詢到詳細記錄。本項目基于物聯網、移動互聯網等技術，充分應用了RFID的最新成果，軟件系統基于S2SH框架來實現。運用數據挖掘技術對企業決策進行指導。應用中，該系統較好地實現了設計要求。
關鍵詞：食品溯源；物聯網；Java EE；射頻識別

0 引言
食品安全關系到人民群眾的生命安全和身體健康，同時也關系到國家經濟的健康發展以及長治久安的大局。這個問題不僅是百姓每天關注的問題，也是政府關注的問題，同時也是合法守信企業進行食品生產所關注的問題。國家對所有食品生產企業實行食品質量安全市場準入制度，要求企業對出廠合格食品加貼QS標志，對食品安全進行承諾。這一方法雖取得了一些成效，但是隨著三鹿奶粉事件等一系列的食品安全事件的發生，發現這一方法并不能約束企業合法生產，不能打消人們對食品安全的顧慮。
從食品的生產源頭開始，每一具體食品經過哪一工序，通過哪一環節到了消費者手中，都能查詢到，這樣無疑能打消消費者的顧慮，使得監管部門能有效地監督生產、流通和銷售，同時也給所有食品生產企業提供了一個公平競爭的商務平臺。
食品溯源問題存在的問題表現在：在整個食品生產供應鏈中，標準不統一。支持食品溯源系統的物聯網電子設備還不夠成熟，價格偏高，但隨著各項技術的逐步成熟，會逐步使實驗方案更加完善。國內有相關的產品，但大都停留在食品一般性的驗證真偽上，在食品溯源鏈上開發不夠。根據食品溯源問題的技術需求，系統設計一方面要考慮到食品生產和食品運輸的真實情況，另一方面要考慮企業管理者、監管機構以及消費者的實際需求。整個系統以生產鏈條為主線，引入了二維碼、電子標簽等信息化手段，采用CS／S和B／S構架。系統包含了：原始信息采集、倉儲入庫和出庫管理、二次加工后產品信息采集、零售系統開發和溯源查詢、基于android系統的手機查詢平臺、基于Web數據庫的分布式開發以及食品監管應用開發等模塊。

1 無線射頻技術原理
RFID又稱為電子標簽，作為一種非接觸式的自動識別和數據采集技術，它是當前最先進的自動識別技術。RFID可以準確遠距離識別高速運動的貨物，并能同時識別多個標簽，能大大提高工作效率。相比于一些常用的識別技術，如：條形碼、磁卡、IC卡，RFID卡信息載體較小、成本低、承載信息量大、可通過無線方式進行讀寫操作、保密性好、抗干擾能力強、并且壽命較長，是實現物品管理信息化的理想數據采集媒介。
RFID是一個簡單的無線系統，由電子標簽、閱讀器和天線三部分構成。標簽部分是一個做識別用的部分，由供電方式可分為有源標簽、無源標簽和半有源標簽三種。閱讀器主要由控制模塊和射頻模塊組成。天線是閱讀器和標簽信號和能量傳遞的中介，負責以一定的輻射范圍和角度向外發送和接收電磁信號。閱讀器和標簽的所有操作都由軟件系統來完成。在應用中，軟件部分向閱讀器發出指令，閱讀器響應這些指令，按照指令完成閱讀器參數的設定，并實現閱讀器與軟件之間的數據交互。
隨著物聯網技術的發展，RFID技術會在一些傳統行業如：物流、零售、制造業、交通、醫療等領域發揮出它獨特的優勢，帶來這些領域的技術更新。
物聯網技術的蓬勃發展，為解決食品溯源問題提供了技術和基礎設施的支持。當前，作為物聯網基石之一的RFID技術有了長足的發展，隨著移動寬帶網絡的日益普及，RFID與互聯網、電子商務結合也是必然趨勢。RFID系統的引入使食品供應鏈的透明度大大提高，我們開發的食品溯源系統將在此基礎上逐步發展起來。

2 Struts2+Soring+hibernate構架
基于B／S結構的網絡開發是當前的主流方法。基于S2SH框架的Java EE輕量級開發是當前Web開發中較為流行的解決方案。它是一個開源的框架，具有三層MVC結構，層次非常清晰，便于開發，S2SH成為當前Java EE開發的行業標準。
Struts2框架采用MVC模式，只需對Struts．xml文件進行配置就能實現視圖、控制和模型各組件之間的松耦合，為系統升級和維護帶來了方便。Struts2在創建Web應用程序時能很容易分離表示層和業務數據層，系統性能得以大大提升。Struts2主要用于實現用戶交互功能，而Hibernate則主要用于實現系統的持久化。因為有了Hibernate的支持，使得Java EE開發專注于進行面向對象的分析、設計和開發。Spring用于Jave EE的各層解決方案，而不是僅僅專注于某一層的方案，Spring貫穿于表現層、業務層和持久層，它使用基本JavaBean來完成以前只可能由EJB完成的事情。

3 系統設計
3．1 系統結構
本文給出一個完整的系統構成結構圖，如圖1所示。

3．2 RFID原始信息采集系統設計方法
在食品生產的初級環節，比如種豬，配置相應的電子標簽，記錄其編號、品種、飼料的品牌、出生日期、產地編碼、使用藥物情況、出欄日期、出售價格等信息，同時將相應數據發送到本地數據庫系統。讀卡器讀取電子標簽的信息，不斷收到一連串的EPC碼，系統中一個重要的環節就是傳送和管理這些數據。將通過后端的中問件系統進行后續處理，并通過C／S方式傳送并保存到當地的Web數據庫中。RFID系統框架分為閱讀器和電子標簽以及相應的與計算機通信的中間件系統。系統同時提供基于RFID讀卡器或手持機通過無線網絡的方式將數據傳遞給Web數據庫的數據交換方式。
3．3 倉儲入庫和出庫管理系統和二次加工后的產品信息采集
食品所經歷的流通領域也是食品溯源系統的主要環節之一。RFID技術掃描迅速、讀取方便、數據容量大、使用壽命長、安全、體積小型化、形狀多樣化。在軟件支持下，并不需要對單個進行掃描，一一入庫。為此開發一個入庫管理模塊，如圖1所示，將按照原始食品的電子標簽進行批量入庫，系統采用C／S框架，以串口數據傳遞給當地的Web數據庫，并記錄物品存放地點和存放方式。出庫采用跟入庫相同的技術實現。當食品進入下一個生產環節后，將原料信息進行采集，有的可直接從RFID上讀取，有的則需要從上一級Web數據庫中讀取。生產的下一級產品被賦予新的RFID號，將相關數據計入電子標簽和Web數據庫，并記錄上一級的Web地址。后一級依然包含了倉儲管理系統。
3．4 零售系統開發
食品在物流和倉儲時是整箱大包裝的，上架前需要拆箱，由于每個食品包裝上都有RFID標簽，所以拆箱后可以隨意擺放。用戶只需用智能手機對RFID標簽進行掃描，就可以通過GPRS訪問到此食品的來源。有的企業考慮成本的原因，到用戶零售環節可能會選擇二維碼，手機可以通過二維位碼掃描訪問相關的Web服務器，查詢到這件商品的來源，其中涉及到商品編碼向二維碼的轉換研究。二維碼的編碼具有密度高、信息容量大、編碼范圍廣、容錯能力強、譯碼可靠性高、成本低、易于制作、條碼符號形狀以及尺寸大小比例可變等特點，適合于智能手機進行讀取。一般而言，食品是不允許退貨的，但也有一些特殊的退貨情形，這就要求在當退回食品經過某種處理后，相關信息也將被調整，并通過系統對數據庫進行相應的調整。在設計中，實現基于android系統的手機查詢平臺。3G智能手機掃描識別RFID標簽，進行遠端服務器的訪問。GPRS可以在任何時間、任何地點使手機處于連接狀態，其傳輸數據速率10倍于GSM，而且實現了分組發送和接收，并按流量收費，是一種非常理想的通信方式。
3．5 行政監管系統
開發和研究針對食品安全進行事故溯源處理和應急響應，對過期食品進行行政監管。納入食品溯源的食品，若沒有電子標簽或二維碼將禁止在正規渠道進行銷售，若某一商品在其下游節點查不到其母節點，其銷售將是非法的，零售商也不可能隨意修改其生產日期，一旦有過期食品，監管部門將勒令其下架。若在銷售中發現有質量問題的食品，可以很容易追溯到上游生產廠家，并對其流通渠道很方便地進行控制，以快速將損失降到最低。在系統的運行過程中形成大量數據，利用這些數據對食品鏈上的生產、運輸和零售企業都有很好的指導作用。
本系統能夠為企業提供商品銷售預測，哪種食品在哪個商店需求量大，需求檔次等等，以及價格跟蹤等服務，為企業進行成本核算提供了必要依據。同時有利于物價監管部門對食品價格進行必要的監督。通過分析不同人群的購物習慣，合理利用庫存資源，優化庫存結構。同時通過數據挖掘技術，把大量的客戶分成不同的類，每個類里的客戶具有相似的屬性，不同類別的客戶屬性各不相同，這樣企業可以針對不同類別的客戶提供不同的有針對性的產品和服務，來提高用戶的滿意度。

4 結語
食品安全是關系人民身體健康和國家長治久安的大問題，針對食品生產、銷售和監管方面的難題，本文采用了基于RFID的物聯網技術來實現食品溯源系統。系統充分考慮了食品溯源在我國實施的具體情況，解決了一系列難題，實現了一個基于S2SH框架的Web系統，充分利用智能手機和無線通信技術，較好地實現了設計要求。