王 梅

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，江蘇 南京 211170）

1 引言

近年來，我國頻頻發(fā)生食品質(zhì)量安全問題，食品安全已經(jīng)成為輿論關(guān)注的焦點(diǎn)。食品安全事件頻發(fā)的背后有許多深層次的原因。從食品流通方面分析，首先，食品檢測(cè)監(jiān)督條件不完善、對(duì)食源性病原菌缺乏認(rèn)識(shí)或從業(yè)人員非主動(dòng)性過失，造成劣質(zhì)食品未被發(fā)現(xiàn)，繼而進(jìn)入消費(fèi)環(huán)節(jié)；其次，食品安全物流追蹤機(jī)制不健全，導(dǎo)致無法對(duì)食品在物流過程進(jìn)行全面監(jiān)控，發(fā)生食品安全問題后責(zé)任劃分不清[1-2]。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到食品物流安全追蹤系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將食品追蹤與物流管理系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的食品物流信息追蹤系統(tǒng)，針對(duì)人民群眾日常生活所需的蔬菜、水果、肉禽、水產(chǎn)、米面油等食品，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量安全監(jiān)控，通過從生產(chǎn)源頭到消費(fèi)者手里整個(gè)過程的控制、檢測(cè)、跟蹤、信息共享等操作，保障人民群眾的食品安全[3-4]。

2 物聯(lián)網(wǎng)與食品物流安全追蹤

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的組成

應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系的三個(gè)層次。感知層應(yīng)用傳感原器件，用以收集終端反饋信息，其主要組成包括編碼標(biāo)識(shí)、成像設(shè)備、傳感網(wǎng)關(guān)等；而網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是將所有傳感網(wǎng)絡(luò)連接到通信互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的互聯(lián)[5]；要實(shí)現(xiàn)對(duì)物品全程監(jiān)控就要將終端反饋信息轉(zhuǎn)化為可用的數(shù)字音視頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)可視化的追蹤監(jiān)控，這就是應(yīng)用層的主要職能；而獨(dú)立于這三層之外的公共層的主要作用是相互聯(lián)系其他層次，包括對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理以及編碼標(biāo)簽的讀取[6]。

圖1為典型的物聯(lián)網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)，其主要由電子識(shí)別系統(tǒng)、中間件系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中,電子識(shí)別系統(tǒng)由射頻識(shí)別RFID、電子標(biāo)簽讀取器、以及數(shù)據(jù)管理模塊等組成；而中間件系統(tǒng)的組成包括PML服務(wù)器、Savant中間件以及ONS服務(wù)器等；互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、Internet服務(wù)器等組成了互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作流程是：在每個(gè)終端目標(biāo)上都有特定的電子識(shí)別標(biāo)簽，在目標(biāo)靠近電子標(biāo)簽讀取器時(shí)，讀取器接收到電子標(biāo)簽發(fā)出的射頻信號(hào)，在這個(gè)射頻信號(hào)中包含該目標(biāo)的詳細(xì)信息，讀取器對(duì)接收到的信息進(jìn)行解碼后，送入到計(jì)算機(jī)中間件系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理后的信息再被送到互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，在互聯(lián)網(wǎng)上利用ONS服務(wù)器搜索該目標(biāo)信息的存儲(chǔ)位置，并向中間件Savant系統(tǒng)說明存儲(chǔ)該信息的服務(wù)器名稱，然后中間件系統(tǒng)讀取該目標(biāo)的具體標(biāo)識(shí)信息。

圖1 典型物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的食品物流安全追蹤

具體的食品物流安全追蹤過程是從原料采購到生產(chǎn)加工、倉儲(chǔ)、物流運(yùn)輸、銷售等一系列操作，中間件系統(tǒng)是整個(gè)食品物流追蹤網(wǎng)絡(luò)的支撐,通過在食品流通各個(gè)環(huán)節(jié)上安裝電子標(biāo)簽讀取器,實(shí)現(xiàn)食品的自動(dòng)化管理，使食品安全始終在透明化的過程中運(yùn)行。

食品追蹤要從原料的采購開始，原料在入庫之前都要貼上電子身份標(biāo)簽,使原料在出庫、生產(chǎn)等過程中的變化情況都記錄在Savant系統(tǒng)中，以便消費(fèi)者查詢食品原產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、主要成分等信息。

如果食品是以散裝的形式進(jìn)行存儲(chǔ),要在倉庫中安裝溫度、濕度等傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的倉庫環(huán)境條件系統(tǒng)。如果食品是以包裝箱的形式進(jìn)行存儲(chǔ),應(yīng)在箱體外貼電子身份標(biāo)簽，標(biāo)簽中要包括食品的生產(chǎn)廠家、食品基本信息、生產(chǎn)日期、配送車輛的信息以及物流追蹤信息等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)物流過程的全程監(jiān)控。在食品配送過程中,如果配送車輛遇到交通阻塞等情況時(shí)，食品流通信息監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)重新選擇最優(yōu)配送路徑,通過無線通信方式傳輸給配送車輛,配送車輛及時(shí)調(diào)整配送方案,節(jié)省物流配送時(shí)間。

食品在配送到零售商店或超市時(shí),消費(fèi)者可以通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)對(duì)食品的安全性和基本信息進(jìn)行查詢，從而更加了解該食品，增加消費(fèi)者的滿意度。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)食品物流追蹤方法

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

終端設(shè)備的信息采集主要由各種傳感器完成，現(xiàn)在傳感器種類比較豐富，對(duì)于溫度、濕度、壓力的檢測(cè)都比較準(zhǔn)確。食品物流、醫(yī)療設(shè)備等基于物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域?qū)鞲衅饕笠呀?jīng)趨于微型化，目的就是為了更好地適應(yīng)不同的環(huán)境、不同的物體，以及更好地適應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的集成。考慮到成本問題，在傳感器的選擇上，要與自身需求相結(jié)合，合理配置。

物聯(lián)網(wǎng)也被稱為傳感網(wǎng)，是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的終端多是傳感器設(shè)備，傳感器通過無線通信技術(shù)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，接入到Internet等公共網(wǎng)絡(luò)中。射頻識(shí)別模塊、傳感器模塊、信息處理模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成部分，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作就是將傳感器采集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化、處理，再運(yùn)用無線通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞出去。無線通信又分為遠(yuǎn)距通信與近距通信兩個(gè)部分，遠(yuǎn)距無線通信可以接入Internet等公共網(wǎng)絡(luò)組成廣域網(wǎng)，近距無線通信組成的是本地局域網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的接口還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能使用現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信，比如無線通信的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有Wi-Fi（無線局域網(wǎng)）、RFID（射頻識(shí)別）、zigbee等；有線的標(biāo)準(zhǔn)接口有USB、RS-232、RS-485等，都可以和終端設(shè)備組成傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模配置比較靈活，在一定區(qū)域的一種或幾種信息的采集，只需要一個(gè)本地局域網(wǎng)就能覆蓋，將多個(gè)本地局域網(wǎng)連接就能監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息。

食品物流的整個(gè)供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘铸嫶蟮?，單單依靠一個(gè)或者幾個(gè)本地局域網(wǎng)的連接是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而對(duì)于不相鄰的區(qū)域或者更大區(qū)域范圍的監(jiān)控覆蓋也是不夠的，因此，只有組成廣域網(wǎng)，將本地局域網(wǎng)接入到公共網(wǎng)絡(luò)中完成信息交換，才能更大范圍地監(jiān)控食品物流體系，并且有效利用資源。遠(yuǎn)距通信的現(xiàn)行技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)也是比較豐富的，比如GPRS、EVDO、TD-SCDMA、Internet等公共網(wǎng)絡(luò)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的食品安全追蹤系統(tǒng)，包含兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別是平面式和分層式，其中平面式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更適合本地網(wǎng)絡(luò)，分層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更適合廣域網(wǎng)絡(luò)。采用兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的目的是為了滿足不同的組網(wǎng)需求和管理需求。

終端移動(dòng)設(shè)備的定位要與GPS、GSM、CDMA以及電子地圖等移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合，才能更準(zhǔn)確、迅速地獲得食品物流的活動(dòng)地理位置信息、完善食品物流安全追蹤體系中的位置軌跡信息采集。

3.2 物流動(dòng)態(tài)追蹤算法

食品物流信息動(dòng)態(tài)追蹤方法就是將檢測(cè)得到的物流數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)、過濾、跟蹤等運(yùn)算后，最終得到多個(gè)食品安全信息的物流軌跡。

（1）數(shù)據(jù)互聯(lián)。數(shù)據(jù)互聯(lián)是信息追蹤的第一步，對(duì)于食品物流目標(biāo)的多個(gè)位置反饋信息，則統(tǒng)計(jì)距離最小的位置信息作為目標(biāo)位置，即d2(k)最小，用于對(duì)目標(biāo)狀態(tài)的更新。即：

聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)算法是雜波環(huán)境下對(duì)多目標(biāo)跟蹤進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)的一種良好的算法。其基本確認(rèn)矩陣為：

式（4）表示在第i個(gè)關(guān)聯(lián)反饋信息中，追蹤目標(biāo)j是否符合定位目標(biāo)的確認(rèn)信息，等于1表示追蹤目標(biāo)在該位置，反之則不在。

（2）信息過濾。應(yīng)用卡爾曼濾波算法作為對(duì)終端反饋信息的過濾方法，具體方法為利用標(biāo)準(zhǔn)的信息值與反饋信息值進(jìn)行對(duì)比，從而更新估計(jì)的狀態(tài)變量，求出當(dāng)前讀取的估計(jì)值。在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的GPS定位測(cè)量中，用卡爾曼濾波算法從受干擾的數(shù)據(jù)中估計(jì)狀態(tài)變量，能準(zhǔn)確、迅速地計(jì)算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

食品物流動(dòng)態(tài)追蹤定位的卡爾曼濾波模型：

其中：Xk和Yk分別是k時(shí)刻的狀態(tài)矢量和檢測(cè)矢量；Fk/k-1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Uk為k時(shí)刻的干擾噪聲；Tk為系統(tǒng)控制矩陣；Hk為k時(shí)刻檢測(cè)矩陣；Nk為k時(shí)刻檢測(cè)的噪聲；Rk為檢測(cè)噪聲的方差矩陣。

為了便于求解，先考慮整周模糊度為常數(shù)時(shí)的矩陣向量，動(dòng)態(tài)模型采用常速模型。則：

預(yù)估計(jì)值：

在實(shí)際應(yīng)用中，由于濾波的狀態(tài)估計(jì)值可能存在偏移，且估計(jì)誤差的方差也可能很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了按計(jì)算公式計(jì)算的方差所定出的范圍。而在理想條件下，卡爾曼濾波是線性無偏最小方差估計(jì)。

（3）目標(biāo)跟蹤。目標(biāo)跟蹤過程中主要檢測(cè)指標(biāo)就是目標(biāo)的位置信息，要獲取食品物流的位置信息，可以通過終端反饋信息與電子地圖上數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行特征匹配，即在已知區(qū)域地圖數(shù)據(jù)的情況下，在區(qū)域電子地圖上通過搜索進(jìn)行信息特征匹配，找到食品的活動(dòng)軌跡。目標(biāo)匹配通常是分別通過終端反饋信息與電子地圖的位置信息進(jìn)行特征點(diǎn)比對(duì)，在所有距離中，距離最小且滿足一定閾值條件的位置就是最佳匹配，也就是目標(biāo)位置。

在匹配過程中，為提高匹配效率的時(shí)間，應(yīng)該先通過特定的信息進(jìn)行粗略篩選，初步確定候選目標(biāo)位置，然后通過更多的匹配信息進(jìn)行相同操作，從而在較小計(jì)算量的情況下，獲得精確的食品物流位置信息。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本食品物流安全追蹤方法的有效性，選擇幾組不同的目標(biāo)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過MATLAB軟件對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行獲取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的追蹤。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示，圖中實(shí)線為實(shí)際目標(biāo)的物流軌跡，虛線為通過本方法獲取的物流軌跡。

通過仿真結(jié)果可以看出，通過本方法可以實(shí)時(shí)獲取追蹤目標(biāo)的位置信息，并且十分接近于目標(biāo)的實(shí)際活動(dòng)軌跡，因此，驗(yàn)證了本追蹤方法的有效性。

圖3 目標(biāo)2的仿真活動(dòng)軌跡

5 結(jié)語

基于以上的研究，在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的食品物流安全追蹤系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)資源的合理化利用，加強(qiáng)對(duì)食品安全的監(jiān)控力度。食品生產(chǎn)企業(yè)、物流企業(yè)、零售商、消費(fèi)者通過統(tǒng)一的平臺(tái)加強(qiáng)了溝通，共享了資源，在出現(xiàn)食品安全問題時(shí)，也可以很快找到原因所在。因此，建立食品物流安全追蹤系統(tǒng)，不但可以完善食品產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，而且能為廣大人民群眾提供更加安全的食品物流環(huán)境。

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