張京京，李志剛(石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

基于NFC的新疆牛羊肉質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

張京京，李志剛*
(石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000)

分析NFC技術(shù)及其在可追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用，并與其他主流的標(biāo)識技術(shù)進行對比分析，針對新疆特色牛羊肉從養(yǎng)殖到銷售過程中出現(xiàn)的質(zhì)量安全問題，利用Web技術(shù)構(gòu)建基于B/S結(jié)構(gòu)的可追溯系統(tǒng)框架，分析系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程,并對可追溯系統(tǒng)的功能模塊進行設(shè)計。通過可追溯系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)管部門對牛羊肉質(zhì)量的監(jiān)控和企業(yè)對產(chǎn)品的管理，同時解決消費者進行食品安全溯源“最后一公里”的問題。

新疆牛羊肉； NFC； 可追溯系統(tǒng)； 質(zhì)量安全

食品安全問題一直以來都是人們關(guān)注的問題，如何利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品生產(chǎn)、加工等環(huán)節(jié)上進行預(yù)警、發(fā)現(xiàn)、追蹤、溯源，以有效保障食品的質(zhì)量安全,是近年來國內(nèi)外學(xué)者重要的研究方向。新疆是中國畜牧業(yè)主要產(chǎn)區(qū)，主要以牛羊養(yǎng)殖為主，排酸牛羊肉更是暢銷全國。但近年來由于食品安全問題頻繁出現(xiàn)，嚴重影響到消費者的信任和購買力，阻礙新疆特色牛羊肉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，且危害消費者的健康。因此，急需建立牛羊肉產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品來源信息的透明度[1]，也為新疆特色牛羊肉的推廣提供保障。

目前，在農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)上應(yīng)用的技術(shù)主要包括一維碼技術(shù)、二維碼技術(shù)、RFID、NFC、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等。就可追溯系統(tǒng)來說，李丹等[2]研究了利用一維碼技術(shù)在果品上構(gòu)建可追溯系統(tǒng)；郭建宏等[3]、劉艷朋[4]研究了二維碼在農(nóng)產(chǎn)品溯源上的應(yīng)用；謝菊芳[5]、陸昌華等[6]、施亮等[7]、焦光源等[8]、Jakkhupan等[9]研究了RFID在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)上的應(yīng)用；孫旭等[10]、張友橋等[11]、黃葉鈺[12]研究了基于NFC的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)；Mainetti等[13]研究了將RFID與NFC結(jié)合的大棚蔬菜的可追溯系統(tǒng)。在農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)建立和應(yīng)用方面，國外已經(jīng)有完善的體系結(jié)構(gòu)[14]，歐盟、美國、日本等發(fā)達國家均已建立可追溯系統(tǒng)并實施啟用，其相關(guān)法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準和規(guī)范也較為健全[15-16]。目前，國內(nèi)尚未建立完善的可追溯體系，研究主要集中在食品安全個體的標(biāo)識方法，以及綜合利用條碼、RFID、計算機技術(shù)等實現(xiàn)部分食品安全生產(chǎn)監(jiān)控和追溯，并且在個體標(biāo)識上也未與國際接軌，編碼存在局限性[17]。近年來，國內(nèi)已重視對可追溯系統(tǒng)的研究，但由于缺乏便捷的消費者參與方式，增加了可追溯系統(tǒng)發(fā)展的阻力，隨著NFC手機的日益普及，用戶通過NFC手機可以方便快捷地訪問NFC標(biāo)簽中的內(nèi)容，可以解決可追溯系統(tǒng)市場推廣困難的問題。鑒于此，本研究基于NFC的質(zhì)量安全信息可追溯系統(tǒng)，對產(chǎn)品的質(zhì)量進行監(jiān)管和正向跟蹤，對產(chǎn)品的信息進行采集和溯源，實現(xiàn)企業(yè)、監(jiān)管部門、消費者三方參與的功能。

1 NFC技術(shù)概述

NFC技術(shù)是一種短距離、低功耗、高帶寬的雙向近距離非接觸通訊技術(shù)，其工作頻率在13.56 MHz，工作距離介于1～10 cm。NFC是由RFID演變而來，NFC的通信模式有2種：(1)主動通信模式，指雙方帶有電源，均可以產(chǎn)生射頻場，傳輸?shù)木嚯x也會較長；(2)被動通信模式，指只有一方有電源而另外一方不帶電源，傳輸距離較短[18]。

NFC具有3種工作模式：(1)點對點模式，在主動通信模式下應(yīng)用，有2個具有電源的設(shè)備進行雙向通訊，實現(xiàn)信息的交互；(2)卡模式，在被動通信模式下應(yīng)用，將內(nèi)置NFC的卡片、手機或者貼有NFC標(biāo)簽的任何物體當(dāng)作標(biāo)簽來使用，其中存儲用戶需要的各種信息，需要讀寫器來讀寫其中的信息；(3)閱讀器模式，在主動通信模式下應(yīng)用，也可在被動通信模式下應(yīng)用，其將設(shè)備當(dāng)成閱讀器讀取標(biāo)簽上的信息。

與條碼技術(shù)、RFID技術(shù)相比，NFC技術(shù)讀取速度快、容量大，方便NFC手機用戶隨時隨地查詢溯源信息，且無需聯(lián)網(wǎng)，簡單可靠(表1)。

表1 條碼、RFID及NFC技術(shù)在溯源系統(tǒng)上應(yīng)用優(yōu)劣勢的比較

2 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能需求及實施方案

從監(jiān)管部門的角度出發(fā)，質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)需要對整個供應(yīng)鏈流程進行監(jiān)控，能夠?qū)崟r上傳溯源數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)快速找到問題發(fā)生的節(jié)點、發(fā)生的企業(yè)以及原因，處理投訴并進行產(chǎn)品的召回。從供應(yīng)鏈節(jié)點企業(yè)的角度出發(fā)，系統(tǒng)需要完成信息采集功能，通過NFC系統(tǒng)及時采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)危害分析與關(guān)鍵控制點(hazard analysis critical control point,HACCP)的原理來確定溯源信息，將溯源信息上傳至數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)對其進行存儲、優(yōu)化和管理；從消費者的角度出發(fā)，消費者可以通過輸入NFC標(biāo)簽內(nèi)存儲的追溯碼進行產(chǎn)品溯源，也可以通過NFC手機讀取NFC標(biāo)簽獲取信息，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以在線進行投訴。

實施方案：一方面，養(yǎng)殖企業(yè)、屠宰加工企業(yè)、流通企業(yè)和銷售企業(yè)通過專用讀寫器將產(chǎn)品信息寫入NFC標(biāo)簽，寫入的信息中包括唯一的追溯編碼、企業(yè)信息等，通過HACCP體系獲取關(guān)鍵溯源控制點，同時將信息上傳到中央數(shù)據(jù)庫，同步到可追溯系統(tǒng)。另一方面，消費者通過內(nèi)置NFC的手機，或者其他集成了NFC功能的移動設(shè)備，識別標(biāo)簽并讀取標(biāo)簽內(nèi)的主要溯源信息，NFC標(biāo)簽可以存儲一定量的信息，用戶無需通過移動網(wǎng)絡(luò)便可訪問標(biāo)簽中的內(nèi)容。在獲取的溯源信息中，都設(shè)有溯源碼，消費者若要獲取更加詳細的內(nèi)容，或者增加對企業(yè)標(biāo)簽的信任，可以通過溯源碼在可追溯平臺上輸入溯源碼查詢詳細信息(圖1)。

圖1 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)實施過程

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu) 養(yǎng)殖企業(yè)、屠宰加工企業(yè)、流通企業(yè)和銷售企業(yè)利用讀寫器將信息寫入并讀取NFC標(biāo)簽信息，同時將數(shù)據(jù)上傳至Savant中間件，數(shù)據(jù)經(jīng)過Savant處理后，傳送到互聯(lián)網(wǎng)。在互聯(lián)網(wǎng)中利用對象命名解析服務(wù)ONS找到牛羊肉產(chǎn)品信息存儲的位置，實體標(biāo)記語言PML記錄產(chǎn)品的具體名稱、性質(zhì)等信息，系統(tǒng)經(jīng)過ONS找到產(chǎn)品的PML，即在數(shù)據(jù)庫中找到或存儲對應(yīng)的產(chǎn)品。上游企業(yè)記錄的產(chǎn)品信息隨著供應(yīng)鏈條傳給下游企業(yè)，同時將寫入NFC標(biāo)簽的信息上傳到可追溯系統(tǒng)(圖2)。

圖2 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)以牛羊肉質(zhì)量信息采集為核心展開分析，包括對數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和應(yīng)用。系統(tǒng)分為物理層、數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層和用戶層。物理層包括系統(tǒng)所需的各種資源，如服務(wù)器、存儲器、NFC標(biāo)簽及讀寫器等(圖3)。通過GPRS、3G、4G、Wifi等對采集的信息進行及時傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)上傳到平臺數(shù)據(jù)庫時，數(shù)據(jù)層負責(zé)將數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理。表現(xiàn)層為系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能，包括登錄、各節(jié)點企業(yè)對牛羊肉的數(shù)據(jù)采集、消費者投訴、監(jiān)管部門對企業(yè)的管理等。用戶通過電腦、手機等設(shè)備進行信息查詢，手機端通過APP即可通過手機內(nèi)置的NFC模塊讀取NFC標(biāo)簽里的內(nèi)容。已經(jīng)有學(xué)者進行開發(fā)在手機端擁有射頻識別功能溯源的APP，如“我驗驗”。集成NFC功能的手機均可使用此APP，故無需另行開發(fā)，同時公用APP便于市場推廣。

圖3 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

在質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)中輸入追溯碼，即可獲得溯源結(jié)果。監(jiān)管部門、養(yǎng)殖企業(yè)、屠宰加工企業(yè)、流通企業(yè)和銷售企業(yè)通過選擇不同的角色進行登錄，后臺數(shù)據(jù)庫驗證登錄信息并返回結(jié)果，為保證封閉供應(yīng)鏈的可控性，系統(tǒng)僅登錄不能注冊，相關(guān)企業(yè)可以向監(jiān)管部門申請賬戶加入。各節(jié)點企業(yè)登錄進入相應(yīng)的子系統(tǒng)，一方面將牛羊信息與NFC標(biāo)簽進行交互，讀取信息和寫入新的信息；另一方面將寫入NFC標(biāo)簽的信息發(fā)送至服務(wù)器進行數(shù)據(jù)入庫。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2.4 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

可追溯系統(tǒng)運行于封閉供應(yīng)鏈的各個主要環(huán)節(jié)，封閉供應(yīng)鏈對其成員有嚴格的準入管理制度，具有統(tǒng)一的操作規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準[19]，本研究構(gòu)建的可追溯系統(tǒng)只考慮在封閉供應(yīng)鏈內(nèi)的應(yīng)用，不考慮散戶。監(jiān)管部門為超級管理員，并負責(zé)平臺的維護和管理。各節(jié)點企業(yè)可以登錄并使用相關(guān)子系統(tǒng)進行信息采集，消費者、企業(yè)、監(jiān)管部門均可通過輸入追溯碼的方式進行產(chǎn)品信息的獲取。

采用國際通用的EPC編碼[20]，企業(yè)向中國物品編碼中心(ANCC)申請注冊 EPC 廠商識別代碼，標(biāo)頭和廠商識別代碼確定后，企業(yè)可自行設(shè)計對象分類代碼和序列號。2006年中華人民共和國農(nóng)業(yè)部頒布的《畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》中，牛、羊的畜禽種類代碼分別為2、3。養(yǎng)殖階段為每個牛羊佩戴唯一編號的NFC耳標(biāo)，屠宰分割階段時根據(jù)NFC耳標(biāo)制作分割肉NFC標(biāo)簽，并形成最終的產(chǎn)品追溯碼。

2.4.1 企業(yè)管理模塊 監(jiān)管部門為這些企業(yè)進行編碼管理，企業(yè)編碼參照EPC廠商識別代碼。對加入封閉供應(yīng)鏈的節(jié)點企業(yè)進行增、刪、改處理，監(jiān)管部門為新加入的企業(yè)分配用戶名，對已不符合封閉供應(yīng)鏈要求的企業(yè)刪除用戶名，對違法亂紀、食品出現(xiàn)問題的企業(yè)進行記錄，情節(jié)嚴重的通知企業(yè)進行產(chǎn)品召回。建立數(shù)據(jù)庫視圖，實現(xiàn)監(jiān)管部門對企業(yè)的查詢功能，方便監(jiān)管部門對企業(yè)的管理。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊分為養(yǎng)殖管理模塊、屠宰加工管理模塊、流通管理模塊和銷售管理模塊，主要由各節(jié)點企業(yè)通過登錄的方式進入相應(yīng)的系統(tǒng)，進行各節(jié)點信息的錄入。

(1)養(yǎng)殖管理模塊 養(yǎng)殖環(huán)節(jié)是整個供應(yīng)鏈的初始環(huán)節(jié)，負責(zé)牛羊耳標(biāo)的編碼和標(biāo)簽的初始化，為每頭牛羊佩戴NFC標(biāo)簽，養(yǎng)殖企業(yè)根據(jù)具體要求將可追溯信息寫入NFC標(biāo)簽，并將信息上傳至中央數(shù)據(jù)庫。主要采集的信息有企業(yè)信息、耳標(biāo)號、入欄信息、免疫信息和出欄信息。

(2)屠宰加工管理模塊 屠宰加工企業(yè)從供應(yīng)鏈上游接收到帶有NFC耳標(biāo)的牛羊，讀取NFC標(biāo)簽中的內(nèi)容，并將分割肉編碼寫入標(biāo)簽，形成最終的產(chǎn)品追溯碼，同時將信息上傳至中央數(shù)據(jù)庫，牛羊屠宰加工過程復(fù)雜，流程較多，做好胴體與分割肉體的信息關(guān)聯(lián)是重要任務(wù)。主要采集的信息有屠宰加工企業(yè)信息、轉(zhuǎn)入信息、加工信息、產(chǎn)品信息、產(chǎn)品追溯碼和轉(zhuǎn)出信息。

(3)流通管理模塊 流通企業(yè)從供應(yīng)鏈上游獲取貼有NFC標(biāo)簽的產(chǎn)品，主要錄入的信息有流通企業(yè)信息、轉(zhuǎn)入信息、溫濕度記錄、產(chǎn)品信息和轉(zhuǎn)出信息。

(4)銷售管理模塊 銷售企業(yè)作為供應(yīng)鏈中最后一環(huán)，需要對銷售信息進行記錄，首先將銷售信息，如銷售商、部門等信息寫入NFC標(biāo)簽，將寫有供應(yīng)鏈全程可追溯信息的牛羊肉進行銷售，同時將銷售信息寫入中央數(shù)據(jù)庫。主要寫入的信息有銷售企業(yè)信息、轉(zhuǎn)入信息和銷售信息。

在各個數(shù)據(jù)庫表上利用外鍵建立連接，建立查詢視圖，消費者、企業(yè)、監(jiān)管部門通過查詢視圖可以追溯到產(chǎn)品的信息。在上述各個環(huán)節(jié)中如果出現(xiàn)標(biāo)簽損壞或者污染而無法讀寫信息，需要各環(huán)節(jié)企業(yè)及時與養(yǎng)殖或屠宰加工企業(yè)取得聯(lián)系并補辦標(biāo)簽重新編號?？勺匪菹到y(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖5 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)功能模塊

2.5 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

利用類的方法將各個業(yè)務(wù)邏輯操作拆分成各個模塊，避免了加載模塊帶來的不必要的副作用。系統(tǒng)采用策略模式，將所有行為函數(shù)封裝到接口中，并為某些模塊特有的行為封裝到抽象類中。接口不同的實現(xiàn)類是按照系統(tǒng)的需要將接口中的行為函數(shù)進行實現(xiàn)。該方式把行為和環(huán)境分開，當(dāng)系統(tǒng)模塊需要更改時，只需要調(diào)用不同策略實現(xiàn)類中的方法，不必對系統(tǒng)整體進行重構(gòu)，不僅提高了開發(fā)的效率，而且有利于系統(tǒng)的迭代開發(fā)。

本系統(tǒng)選擇.NET集成開發(fā)環(huán)境進行系統(tǒng)開發(fā)，使用SQL數(shù)據(jù)庫。基于B/S的體系結(jié)構(gòu)，運用SCA服務(wù)組件架構(gòu)進行WEB服務(wù)配置。以中心數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，方便數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。系統(tǒng)主頁界面如圖6所示。

圖6 質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)主頁

3 結(jié)論與討論

本研究分析了NFC技術(shù)的原理及其應(yīng)用在可追溯系統(tǒng)上的優(yōu)劣勢，相對于目前研究較為廣泛的RFID可追溯系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)更加方便消費者對產(chǎn)品質(zhì)量的溯源，并針對新疆牛羊肉設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的可追溯平臺，對系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的功能模塊進行了詳細的設(shè)計。NFC技術(shù)日益普及，為本系統(tǒng)的研究提供了優(yōu)勢，本研究能夠解決可追溯系統(tǒng)一直以來無法普及、質(zhì)量難以監(jiān)控的難題，這種由政府監(jiān)督、企業(yè)運營、消費者參與的方式體現(xiàn)了可追溯系統(tǒng)可控、全面的特點，并且可以與NFC防偽技術(shù)相結(jié)合，達到安全、高效的目的，為新疆牛羊肉優(yōu)良可持續(xù)的發(fā)展體系打下了基礎(chǔ)。

目前，可追溯系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準和規(guī)范，這也給可追溯系統(tǒng)的建立造成了一定的阻礙。供應(yīng)鏈系統(tǒng)是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，在本系統(tǒng)設(shè)計時只考慮到各節(jié)點企業(yè)需實現(xiàn)的主要功能和溯源項，還需要對其進行更加深入的調(diào)研，詳細并且個性化設(shè)計供應(yīng)鏈各節(jié)點企業(yè)功能模塊，滿足各節(jié)點企業(yè)的不同需求以及個性化需要。同時，雖然目前NFC標(biāo)簽單價日益降低，但是其單價仍然高于條碼，這也是加入企業(yè)所要考慮的問題之一。最后，NFC的讀取距離理論上只有20 cm，在產(chǎn)品出入庫等方面若實現(xiàn)高自動化，還需與高頻甚至超高頻RFID搭配使用，才能達到理想的效果。因此，在后續(xù)研究中，將著重研究如何使NFC與RFID相結(jié)合使用，并且使成本降至最低。

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Design and Development of Beef and Mutton Quality Safety Traceability System Based on NFC in Xinjiang

ZHANG Jingjing,LI Zhigang*
(College of Information Science and Technology,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Analyzing NFC (near field communication)technology and its application in the traceability system,comparing with other mainstream identification technology,in view of the feature red meat in Xinjiang,especially for their quality and safety from farming to sales problems appeared in the process,built a traceability system based on B/S structure framework by using technology of web,analyzed the hierarchy and system flowchart of the traceability system,and designed the function module.Finally,realized the beef and mutton quality monitoring,enterprise management of the product,and resolving consumer food safety traceability “the last kilometer” problem by traceability system.

beef and mutton; NFC; the traceability system; the quality and safety

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金項目(71261021)

張京京(1990-)，女，河南鄭州人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)。 E-mail:1234sandy1234@sina.com

*通訊作者：李志剛(1970-)，男，河北饒陽人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)工作。 E-mail:lzg_inf@shzu.edu.cn

S126；TP391

A

1004-3268(2016)04-0155-06