物联网在农产品供应链安全中的应用研究

近些年,农产品安全问题越来越突出,因此打造高效的农产品追溯系统变得刻不容缓。本文参考国内外农产品质量安全管理技术,通过对农产品生产、加工和销售过程的研究调查,介绍基于RFID的物联网技术在农产品安全领域中的应用实例,设计了农产品安全流通物联网模型。此外,本文中基于RFID的农产品流通信息系统有了进一步构建;在流通领域,实现了对农产品的实时定位、信息共享以及安全追溯。此研究借助物联网关键技术,可使农产品流通效率得以提高,农产品流通成本得到有效降低,同时,还可为农产品销售商、生产者和普通用户等提供愈加高效、精准和便捷的农产品流通信息服务。 【作者】 王明宇; 高越;【机构】 湖南农业大学信息科学技术学院

1 农产品安全中物联网架构

农产品安全物联网可以完成对农产品养殖、种植、加工、储存、运输、销售、消费等环节的数据采集、处理以及即时流通,并能对各个环节进行有效监管,减少甚至杜绝不合格农产品流入市场,保障农产品的安全。

农产品安全物联网根据供应链中生产、加工包装、存储、运输、销售等不同环节,主要包括生产管理、市场信息管理、质量追溯和质量安全监督四个部分,通过互联网将各部分之间的数据连接起来。

1.1 生产

把物联网技术应用于农产品质量安全上,必须从农产品生产的源头开始,首先将无线传感器网络布设于农田的整个目标区域,网络节点大量实时地采集湿度、风向、太阳辐射强度、光照等物理能量,精准地获取农田中土壤的酸碱度、养分、水分、各种有机物的含量等土壤信息,将采集到的这些信息通过无线传感网络汇集到本地的管理系统,然后再由本地管理系统通过Internet或者其他途径将信息实时地反馈到数据中心,进行分析、加工、处理,为作物选择和耕种方式提供科学的技术指导,逐步走向自动化、智能化、网络化的道路。

1.2 加工包装

生产人员把农产品的商品名字、商品类别、生产产地、产品批次、使用农药生产者信息和其他必须的内容保存在后台的数据管理系统中,利用二维码或者RFID标签对农产品进行标识。

1.3 存储

利用各类传感器对仓储环境的温度、湿度、气压、气体浓度等关键参数进行实时的监控,通过无线传感器自组网络将环境数据实时地存入后台的数据库,并利用电子标签与农产品一一对应。

1.4 运输

对附着在农产品上的二维码或者RFID电子标签进行信息补充,增加农产品的出厂时间,起运时间、运输部门、运输线路、提货人、运输司机等运输过程信息,控制中心通过无线网络及时了解农产品运输车辆的环境状况,对不达标的运输作业及时提醒并作出调整,后台监控设备通过全球定位系统对运输车辆进行实时跟踪,保证产品定点到达。

1.5 销售

农产品进入销售渠道后,利用RFID标签记录销售情况等数据,为将来产品的生产提供最优的资料。消费者利用物联网技术和农产品物流平台能够方便快捷地获取农产品的生产加工包装、存储运输过程以及农产品的销售库存等信息。真正实现农产品物流信息的数字化管理,在真正意义上实现农产品“从农田到餐桌”的全程质量安全监控。

农产品安全物联网设计原则将物联网技术应用在农产品安全管理上,设计时必须遵循以下原则。

(1)科学系统性。在构建系统时应该首先全面考虑系统的完整性和整体性,然后依照农产品产业链的常见规律,从各个角度考虑进行全面细致的计划和设计,达到对农产品安全进行科学管理的目的。

(2)可行性。设计和构造系统时要参考当前的人员、资金和物资是否符合系统开发的需求,并能预测以后可能会出现的情况以及应采取的相应措施。

(3)通用性强。系统的构建应当以国际化的通用标准为指导原则,建构的系统要与其他系统兼容,整个系统的构建应统一规划,避免重复建设。

(4)安全性。由于很多资料涉及企业的重要商业机密,且系统使用环境复杂,管理人员水平参差不齐,因此在对农产品安全体系进行总体设计时就要全面综合考虑全方位的安全体系,以保证不会有异常操作和非授权操作,确保系统的数据安全和完整性。(5)实用简便。面向的用户有农业生产、加工、物流和销售等企业,相关技术人员素质不高,因此基于物联网的农产品安全体系设计时需要充分考虑农产品经营生产的特点,全面细致地论证和调研,努力做到操作简便,易学易用,降低成本,减轻用户经济负担。

农产品安全物联网的技术架构从技术架构上来看,基于物联网的农产品质量安全管理平台可分为四层:硬件层、服务层、数据层和应用层。

硬件层位于农产品质量安全管理平台的底层,主要包括RFID标签接收器、读写器、传感器以及打印条码信息的设备,其主要功能是将读写器或传感器采集的RFID标签数据传递给应用程序处理。

产品注册、RFID数据处理业务管理和注销是服务层的三个模块,其中RFID数据处理模块主要将读取的原始数据进行整理,去除不合法、重复的数据,然后将合法数据传递给中心数据库与企业应用程序,业务管理模块负责处理应用层提交的请求信息,产品注册与注销模块主要负责企业产品的编码信息管理,将厂商识别代码和本地ONS服务器的映射信息存储在根ONS服务器,将厂商识别代码和对象分类代码存储在本地ONS服务器上。数据层由产品数据、业务数据、映射信息三个模块组成。企业的产品数据、业务数据保存在企业数据库中,映射信息同时保存在根ONS服务器和本地ONS服务器。

应用层包括生产基地、加工厂、配送中心、专卖店、政府部门和消费者对产品的追溯管理,以及企业内部应用。

2 农产品生产管理

农产品安全生产管理采用对农产品生产活动、生产环境等信息的电子化管理,以农产品企业的生产档案数据为基础,来达到提高企业管理水平、规范农产品记录准确性,提高产品质量,保障消费安全和产品生产过程可控性进而达到可以追溯质量源头的目的。

农产品从生产到销售主要有以下几个环节:生产加工、流通、销售,各个环节都涉及信息的采集、读取和传送。其中农产品生产加工环节包括种植、养殖过程和加工过程,从种植、养殖环节开始,将不同种类的RFID标签和供应链上对应的业务人员RFID身份卡的实时信息绑定,采用无线通信技术,来给下游自动的链接产品信息实现上传和下载数据,对农产品生产和销售的相关终端信息进行跟踪,进而实现从农产品销售终端到生产相关信息的反向追踪,最终实现对供应链上经营者的有效监管,帮助政府相应管理部门更好地对农产品流通进行综合分析和管控,下面具体阐述农产品生产、加工环节的物联网应用技术。

2.1 生产环节

在生产阶段,对于植物类产品(如蔬菜)的包装上使用RFID标签,与产品大包装对应,生产商将产品的品种、名称、产地、批次、使用农药等相关信息储存到计算机中;收购产品时,通过标签上的信息进行产品的快速分拣,根据产品的不同情况以不同的价格收购。工作人员配备手持RFID读写设备便于清查、跟踪、提高产品收购环节的工作效率和直接进行信息化存储,形成历史记录和统计信息,便于研究分析。对于动物类养殖过程,如生猪养殖,给出栏后的仔猪带上RFID电子耳标,然后在该电子耳标上录入仔猪的父本母本信息,管理人员通过RFID手持设备记录仔猪从出生到屠宰前的详细信息,在每头猪的RFID电子耳标上储存有饲养员信息、饲料信息、防疫信息、用药信息等,然后通过无线网络将信息上传到农产品安全数据平台,并建立每头猪的养殖档案。养殖场可以通过信息系统随时了解每头猪的健康信息,便于企业及时发现情况并及时处理,降低损失,提高效益,每个规模养殖企业需配备兼容二维码和RFID电子耳标读取的手持机设备。

2.2 加工环节

加工环节是把从生产基地运来的诸如蔬菜的植物产品读取其上的RFID信息后,把这些信息保存到生产管理子系统中,然后再把信息存入加工后的电子标签中去。与生产环节相同,在价值较高、环境要求严格的产品上采用单个的RFID农产品电子标签;对于价值相对较低的产品、运输的托盘和大包装上采用标签,对于单个农产品采用条形码技术;对于诸如生猪加工这样的动物类产品,首先要通过检疫员来检查境地动物检疫证和免疫卡、消毒证等,证件齐全后才能进入屠宰区,如果不合格的话,就要按照程序进行相应的无害化处理,在收购登记处要通过联网计算机记录猪的来源、数量、收购日期、检疫证等信息,进场后也要生成相应的生猪宰杀档案,在随后的流水线上宰割后也要进行严格的检测,合格后开具动物检疫合格证后方可出厂。出厂时要在猪肉上绑定RFID标签(包含唯一的RFID猪肉识别码),采用RFID溯源体质与下游经营者的RFID身份信息自动关联绑定,并将出厂猪肉的溯源编码、下游买家、重量等信息同时上传至追溯管理系统中。每片猪肉与其经营者或商家一一对应,实现屠宰环节上生猪进厂与白条出厂的信息链接。

3 市场信息采集

市场信息采集的作用是对农产品从生产加工企业出场到销售环节的信息进行采集和管理,将采集的信息通过网络传到中心数据库共享,实现对农产品质量在仓储运输和销售环节的实时跟踪,保证农产品安全流通。

3.1 物流仓储环节

通过RFID标签等标识技术记录产品的生产时间、地点、物流路径、运输方式、存储地点等相关信息,在物流管理系统中形成不同批次产品存放的仓库、位置及出入库记录,有效提高仓库管理效率,最大限度满足企业动态仓储管理的要求。比如,采用RFID标签中记录的信息快速判定产品是不是适合在某仓库中储存,可以储存多长时间;根据储藏时间决定哪些产品优先出库避免更大的损失;另外,还可以利用RFID帮助相关人员掌握仓库的实时库存情况以对其进行实时监控,实时调度产品运输,避免不必要的运输开支。这就需要在仓库设置相应的RFID设备,自动获取进出库的产品信息并记录相关信息,在仓库中装备多个设备进行监控记录,在查询货物时候可采用RFID读写器直接查询库存信息,在仓储环节着重于RFID信息的读取和管理。

3.2 产品销售环节

在包装上采用RFID标签等标识技术,通过在销售环节配置相应的读写设备和销售管理系统软件,企业可以高效获取产品的流向和销售情况,销售工作中出现问题可以及时反馈。同时,消费者使用产品的情况可以反馈给供应链的各个环节,便于生产者更好地为各地消费者提供针对性较强的产品服务,为农业增产服务。由于每个产品包装上都有RFID标签,消费者可以通过标签鉴定产品来源,从而起到防伪的作用,有效的防伪功能对于产品的知识产权保护提供了基础条件。在销售过程中,可以利用RFID来掌握购买的商品情况,帮助对商品进入准入管控。商家可以把商品的相关信息诸如名称、销售时间、销售人员等写入RFID标签,当客户退货和商品召回时用来进行确认,当商品出现问题是,可以根据标签里的信息对全过程进行追溯(包括产品的生产、加工,运输,存储、销售等环节),以帮助确认问题出现的环节和范围,并可以迅速找到仓库中还没有销售的问题产品,消费者也能利用此项技术查询自己购买的产品是否在召回范围内。此外,将商品的相关信息存入RFID标签,通过网络存入数据库,也方便普通消费者自行通过数据库的查询比对来了解商品信息和识别假冒伪劣产品。

4 质量溯源系统

国际标准化组织(ISO)与国际食品法典委员会(CAC)将可追溯性的概念定义成“通过登记的识别码,对商品或行为的历史和使用或位置予以追踪的能力”。欧盟委员会关于食品可追溯性的定义是指“在生产、加工及销售的各个环节中,对食品、饲料、食用性禽畜及有可能成为食品或饲料组成成分的所有物质的追溯或追踪能力”。农产品可追溯性是采用RFID、电子标签、身份卡、溯源电子秤等物联网核心技术和设备感知农产品的信息,通过多种形态的网络将信息传送至溯源数据中心,对溯源数据进行高性能处理,为管理部和用户提供溯源信息,利用溯源核心软件和多部门监管核心软件,实现农产品或食品生产链中的各个环节的监管。图1所示是农产品质量安全追溯功能结构图。

图1左半部分分别实现生产环节、加工环节和流通环节的溯源信息的采集,在生产环节主要记录、读取和传送相关的生产信息,加工环节实现生产信息的继承,并增加加工的相关信息,增加卫生和防疫等信息;流通环节也需要继承加工环节的信息,并增加配送信息、超市信息、转卖点信息、定点食堂和单位信息,以及消费者信息。图1中的线条表示信息流。溯源信息将农产品关键质量点控制数据信息通过多种网络技术和协议实时上传至统一的监管数据中。监督检疫部门包括建立养殖基地信息库、加工车间信息库、分割车间信息库、销售部门信息库、物流部门信息库等。监督检疫部门将信息传至信息中心平台,消费者通过信息中心平台查得所用农产品的一切信息,并将使用的情况反馈到信息中心平台,该平台再将反馈信息传送至检疫部门,通过溯源系统对各部门出现的情况作出及时的调整。

图片:1.JPG

图1 所示是农产品质量安全追溯功能结构

图1右边是溯源信息查询平台,采用高科技给予农产品完整身份证明,然后在终端消费市场将其全部转换为二维码凭证给消费者,进而满足其充分的知情权,提供了反向便捷的自下而上的追溯依据。最终个体零售商、中小型经营商以及消费者可以通过互联网扫描查询机、短信息等手段查询相关信息。只要在溯源查询系统上输入追溯号就可以快速地看到产品的各种信息。

图1右下是指工商、质监、卫生、商务、食品安全办公室等多部门可以通过此平台实现协同监管。

5 质量安全监督

监管平台以生产监管机构、检疫机构市场监管机构等涉及农产品安全的相应部门作为主要目标客户,其他政府部门为辅,各司其职,将农产品控制策略数据传送到食品安全公用数据中心,逐步形成政府农产品安全监管公共服务平台,数据中心的后台数据库存储农产品供应链上的各种原始数据以及分析结果,用户只要与Internet连接均能通过浏览器实现对系统的异地访问。

5.1 生产监管机构

生产监管机构主要监管生产商和加工商。实时监控生产及其加工阶段,防止乱加一些对人身体有害的色素或者添加剂等,并根据《中华人民共和国食品安全法》对违规违纪的行为采取相应的惩罚。确保进入农产品市场的农产品是安全的。

5.2 检疫机构

运输商将已经包装好的农产品运送到销地批发市场,由批发商销往全国各地。在此过程中,主要检验各运输环节的农产品是否存在质量问题,通过对物流车辆安装GPS(全球定位系统),可以对车辆进行有效的定位跟踪管理,对车辆实现实施位置监控,不但可以查看物流配送车辆的行驶路径,还可以监控车辆的温度、适度、气压等状态变化。使用食品安全监测仪对生产、运输仓储和交易过程中的食品进行实时质量监控与分析,所有信息都存储在相应的系统中,可随时查看任何商品的产地、生产日期、监测信息等,对不满足安全标准的食品及时召回,并且可以追溯问题的源头,对负责的机构或者个人进行相应的责任追究。

5.3 市场监管机构

市场监管平台将农产品的信息整理、共享,使农产品在各个环节的信息透明化,从而使政府监管部门或其他监督组织实时了解农产品的质量安全状况,及时纠正生产、流通等环节存在的问题。使整个供应链实现高追溯并追究相应环节违法者的法律责任,使其健康的运行,市场监管机构还可以通过监控系统查看各个仓库的温度、湿度等参数指标,实现对仓库群众安全设施的远程一体化监控。本地和外地的仓库管理员,用户都可以通过终端查看相应的货物实时状态,一旦发现情况,可以直接操作报警系统,以便发现情况第一时间进行处理。

5.4 政府

政府主要起到辅导监督各部门机构的责任,并且对于想加入农产品安全系统的企业可通过网上提交申请,监管人员以审核的方式进行,对于审核通过的企业,可通过专用加密通道给认证企业发放加密的监管码,便于政府部门对产品的监管,同时提供企业信息管理、网站追溯量统计、短信追溯量统计、上传条码量统计等功能。

在政府的宏观调控下,根据国家相应的食品安全标准,国内外相关的农产品质量安全信用的专业文献以及可追溯系统的特点建立农产品生产企业质量信用评价体系。信用评价体系的第一层为主因素层,评价指标包括企业资质、质量监测、产品追溯、消费者反馈四个因素。而每个因素又由若干因子决定。

(1)企业资质。衡量农产品安全信用等级的基础,主要用无公害认证的时间、无公害农产品占所有农产品的比例、是否通过其他质量安全认证、是否通过体系认证四个指标进行衡量。

(2)质量检测合格率。质量检测合格率的高低是衡量农产品生产企业质量安全信用等级的重要指标,主要由企业自检产品合格率和机构抽检产品合格率的比值为评价指标。

(3)农产品追溯信息。农产品追溯信息主要由企业溯源信息完整度、生产过程溯源信息完整度、检测溯源信息完整度、生产履历更新效率四部分组成,决定了农产品质量安全。

(4)消费者反馈,这是进行农产品企业质量安全等级评价的重要因素,最近一年的投诉次数、质量安全投诉与被追溯次数比值、质量安全事件处理效果是消费者反馈的三个评价因子,农产品生产企业质量安全信用评价体系是一个多层次、多指标的复合体系,每一个因子对信用评价体系的贡献是不一样的。

以农产品可追溯系统为支撑建立的农产品安全信用评价对于提高生产企业产品质量安全水平,衡量产品市场竞争力,指导消费者消费安全农产品具有重要意义。

6 结语

本文参照物联网相应技术规范,应用物联网传输和智能控制相关技术、物联网信息感知技术,研究并探索了一种全面互联、可靠感知、智能服务和实时控制的农业物联网应用模式——农产品安全监控信息系统。它不仅贯穿农产品安全生产整个流程各个环节( 种植、养殖、加工、包装、贮藏、运输、销售、消费等) 的数据采集和统一管理的全过程,而且在促进我国农业高效、准确的流通产品质量安全检验检测,提高农产品的及时性、准确性和数据分析能力的质量,共享安全信息,对社会经济具有十分重要的意义。

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