物联网关键技术在食品溯源中的研究与应用.doc

物联网关键技术在食品溯源中的研究与应用王成瑞，段富海(大连理工大学 机械工程与材料能源学部 机械工程学院，辽宁 大连 116024)摘要：提出了使用RFID ZigBee Web服务器等物联网关键技术在食品溯源系统中的应用方法 其中 RFID技术是识别生产对象的唯一标识号 ZigBee无线网络可将生产加工过程中的温度 湿度 其他环境参数 产品储存参数和唯一的标识号 汇集到带有数据库的嵌入式网关中 并在嵌入式网关中实现Web服务器的功能 食品安全管理人员或者消费者只需通过浏览器 就可以访问嵌入式网关 以获取食品生产 加工和存储等各个环节的信息 实现对食品加工企业的实时监管 试验证明 物联 网技术的引入可以提高管理人员的工作效率 及时发现和查处食品链中的违法环节 保证消费者购买食品的安全性和食品信 息的真实性 关键词：RFID;ZigBee;Web服务器;食品溯源;物联网中图分类号 TP391文献标识码 A文章编号 2095-1302(2012)08-0066-03Study and application of key technologies of IOT in food traceabilityWANG Cheng-rui, DUAN Fu-hai(School of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Materials and Energy, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)Abstract: The key technologies of internet of things (IOT), such as RFID, ZigBee, and web server, are proposed to be applied in the food traceability. RFID technology can generate unique ID used to identify the food production object; ZigBee wireless network sensors can transmit the temperature, humidity, pressure, ID and other necessary parameters during the production process to the embedded gateway where SQLite database is established. The web server function is achieved in the gateway. The food safety managerial personnel and consumer can monitor and obtain the information including food production, process and storage at any place and at any time as long as they type the IP address in the browser. The research and application results show that the key technologies of IOT applied in the food traceability can improve personnels working efficiency, and help to find out the illegal process, and ensure the food safety and reliability.Keywords: RFID; ZigBee; Web server; food traceability; internet of things0 引 言食品是人类赖以生存和发展的物质基础 食品安全关系 到每一个人的身体健康 是追求社会稳定的一个重大社会问 题 然而 近些年 毒奶粉 地沟油 等食品安全问题频 频发生 如何对食品生产 销售等环节进行有效地监督和控制 保证食品安全 已经成为整个社会共同面临的重大课题 物联网是 Internet 的进一步发展 可以把各种物品通过 网络连接起来 以方便人们随时随地查看物品的各种信息 也 可以对物品的来源 流通环节进行监督 因此 本文将物联网 中的 RFID ZigBee 无线传感器网络和 Web 服务器等关键技 术运用到食品的采购 生产 加工 存储和销售等环节 从而 建立一个食品安全回溯系统 为食品安全信息回溯和食品确证 收稿日期 2012-05-21提供最佳的解决方案 1 食品安全和物联网1.1 食品的溯源与确证所谓食品溯源 是指在食品链的所有阶段追溯食品信息 和记录 跟踪 定位一种食品 饲料 食用动物或物质的能力 1 食品链又称饲料和食品链 ISO22000 定义为 从初级生 产到消费的各个环节和流程的顺序 涉及食品辅料的生产 加 工 分销 储存和处理 2 食品确证就是消费者购买的食品与 其商标或生产说明的一致性 可用于证明食品的安全性 3 1.2 物联网物联网 (Internet of Things) 是通过射频识别 传感设备 红外感应器 条形码二维码 全球定位系统 激光扫描设备 等信息 按照预定的协议 把任何物品与互联网连接起来进66物联网技术 2012年 / 第8期行信息交换和通信 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 普遍认为 物联网技术分为三个层面 感知层 网络层 和应用层 感知层主要依靠射频 (RFID) 识别技术 条形码技 术以及各种传感器来检测与存储食品在整个食品链中的流动 信息 ( 比如各类食品的标识码 食品生产过程的环境参数等 ); 感知层主要通过网络层 ( 如 BlueTooth Wi-Fi 3G GPRS ZigBee 等无线传感器网络以及 TCP/IP 协议等 ) 将食品的各种 数据传输到远程的信息平台 并保存到信息平台的数据库中 ; 应用层主要为食品安全管理部门和消费者提供各种食品监测 信息的查询和监督 2 物联网关键技术2.1 射频识别技术RFID 射频识别技术目前已经应用于食品原料的生产 加 工和运输等环节 带有 EEPROM 和唯一 ID 号的射频标签可 以标识每一种食品原料的信息 便于记录食品链中的各种生 产信息 因而可以实现食品及相关信息的追踪和回溯与整个食 品生产经营活动的有效监控 4 5 利用 RFID 技术 可以从食品的原材料生产 加工 购买 到产品销售阶段都配备电子标签 同时利用全球统一的物品 编码技术为每一个食品确定唯一的 ID 号 再利用射频识别技 术读取或写入食品过程信息 同时利用无线传输技术将食品链 中的全部信息及时发布到网络管理平台 6 RFID 系统主要由 电子标签 (Tag) 标签阅读器 天线和数据库等模块组成 图1 所示是一个 RFID 统统的结构示意图 信技术都不大适合检测食品加工环境参数的无线传输 因此 本文选择 ZigBee 作为网络传输方式 分布在加 工环境中的温湿度 酸碱度等智能传感器通常由采集电路 ZigBee 芯片 CC2530 为核心的控制传输电路 天线三部分组 成 CC2530 可将采集的数据通过 ZigBee 网络传输到汇聚节点 也称网关 就是前面所说的管理平台 最后由管理平台的客户 端程序保存到后台数据库 图 2 所示为 ZigBee 组网示意图 图 2 ZigBee 网状网 在食品的生产阶段 将环境温度 湿度 氧气含量 压力等各种参数传感器节点与邻近的路由节点绑定 可将传感器 数据通过路由器单跳或多跳传到协调器节点 路由器除了路由 功能外 本身也具有传感器节点的数据采集功能 ZigBee 无线通信技术可以在中短距离实现网状自组网 以有效防止网络个别设备节点故障引起的部分甚至全部通信中 断 并且不产生任何数据通信费用 2.3 Web 服务器技术每一个食品加工企业都有一个唯一的固定网络 IP 地址 通过网络地址翻译可使得 Internet 用户和其他普通用户通过公 网进入食品加工企业的局域网 8 9 在企业的管理平台上建立 Web 服务器 实现数据的远程访问 也可以授权相关管理部 门下载历史数据的统计 报表 其他部门也可以查询相关数据 数据中心采用浏览器/服务器 (B/S) 工作模式 可使用户通过 浏览器实时查看数据 而无需安装任何客户端软件 图 3 所示 是客户端与服务器之间的通信流程 3 在食用动物食品加工中的应用动物食品溯源一般分为五个阶段 牲畜家禽养殖阶段 屠宰阶段 分割初加工包装阶段 市场销售阶段和消费及管理 者对于食品的信息回溯阶段 牲畜家禽养殖阶段 每一头牲畜家禽均装有 RFID 耳钉 或脚环 当牲畜家禽靠近养殖场安装的读写器时 读写器就 会自动获取其生长状况 健康状况等信息 并及时将此生长环 图 1 RFID 统统结构示意图当装有电子标签的食品或者原材料进入到读写器天线的 能量场后 读写器可以按照规定的读写协议和加密方式读取 标签上的农药残留 其他来源的化学污染物 生物毒素和食品 添加剂 饲料添加剂以及各个环节的生产环境参数等信息 7 并且将这些信息上传到服务器并更新到数据库 同时接受来自 服务器的数据写入请求 将食品当前的加工和环境信息写入到 电子标签 2.2 无线传感器网络目前主要存在的无线通信技术有 BlueTooth CDMA WCDMA 3G GPRS Wi-Fi ZigBee 等 其中 Bluetooth 的通信距离比较短 ;CDMA WCDMA 3G 和 GPRS 的成本 相对较高 且需要依赖基站 ;Wi-Fi 的功耗较高 这些无线通2012年 / 第8期 物联网技术67 485TCP/IP232Wi-Fi 智能处理与应用Intelligent Processing and Application境信息更新到标签和本地服务器 养殖场管理员将防疫情况 饲料添加剂等信息对应个体的 ID 号录入到本地服务器 Y图 3 浏览器 - 服务器通信流程屠宰阶段 自动将屠宰人员的个人信息 屠宰牲畜家禽的 批次信息 屠宰环境和卫生防疫等信息更新到本地数据库 分割初加工包装阶段 在此阶段 系统将产生一个新的 ID 号与每一个包装对应 同时生成产品名牌 商标 检疫等 信息并对应数据库中的相应信息 市场销售阶段 食品溯源时 可打印一张纸质条码标签 上附产品的商标 生产日期 批次 生产厂家等信息 条码与 前面几个阶段的产品电子标号相对应 食品的信息回溯阶段 通过激光扫描器扫描食品条码标 签上的条码 以查询和确证食品的各种信息 图 4 所示为食用动物溯源系统结构图 4 物联网在食品溯源中的应用前景4.1 电子标签的成本高实现电子标签对食品信息的全面跟踪 必须安装大量读 写器并且要求分布式安装 从而建立庞大的信息数据处理管 理系统 这必然导致大量的资金投入 在所有食品中嵌入电 子标签将直接导致食品成本上升 这会在某种程度上限制物 联网技术在食品工业中的应用 10 11 4.2 通信协议众多目前可用于物联网的通信协议很多 比如 GPS ZigBee 短距离通信 (NFC) Wi-Fi BlueTooth 6LoWPAN EnOcean ISA100 WirelessHART 超宽频 (Ultra Wide Band) WiMedia DECT 无线 1394 和专用无线系统等等 如何有效整合各种协 议或者进行有效兼容 是物联网技术在食品工业应用中不可避 免的问题 12 图 4 食用动物溯源系统结构图5 结 语RFID ZigBee 以及 Web 服务器等物联网关键技术在食 品溯源系统的应用为完善食品溯源体系提供了最佳的解决方 案 同时也提高了管理人员的工作效率 保证了消费者购买食 品的安全性和食品信息的真实性 因而具有广阔的应用前景 但是 作为一种新技术 利用物联网来构建食品溯源信息管理(下转第 70 页 68物联网技术 2012年 / 第8期CCD *J RFID ZTEP EP*J T EP*J RFID RFID RFID RFID RFID RFID RFID RFID N RFID RFID RFID / 11 RFID 智能处理与应用Intelligent Processing and Application3.2 系统结构设计本系统设计采用三层 B/S 结构 包含有数据访问层 业 务逻辑层和表现层 图 1 所示是数据库 功能模块和窗体之间 的关系图 5 结 语本系统的主要功能是按照小区物业日常工作所设计的 为 了信息安全 各模块在设计时都是相对独立的 事实上 本 小区物业管理系统具有明确的设计思想 成熟的技术和稳定 的性能 但是 随着小区物业管理水平的不断发展 笔者还 将进一步完善系统 以便更好地为广大人民群众服务 Web SQL 图 1 系统各层之间的关系图3.3 前台功能模块的设计在本小区物业管理系统的页面设计中应用母版页技术的 主要目的是为应用程序创建统一的用户界面 9-10 4 后台登录模块设计后台登录页面的作用主要是对进入系统的用户身份进行 检查 防止非法用户进入 在系统中使用验证码技术可防止恶意注册 图 2 所示是本系统的后台登录流程图 参 考 文 献1 郑人杰 . 软件工程 M. 北京 清华大学出版社 2005.2 周晓娟 王法能 毛劲松 . 基于 B/S 的 WEB 数据库技术 J. 航空 计算技术 2005 35(4) 82.3 朱爱红 余冬梅 张聚礼 . 基于 B/S 软件体系结构的研究 J. 计算 机工程与设计 2005(5) 11644 杨鲲鹏 孟凡琦 温才焱 .ASP.NET+ SQL Server 2005 动态网站开 发从基础到实践 M. 北京 电子工业出版社 2005.5 韩万江 . 软件工程案例教程 M. 北京 机械工业出版社 2007.6 谢坤武 . 基于组件技术开发 web 数据库集成系统 J. 湖北民族学 院学报 2003 21(1) 28-327 张跃廷 .ASP.NET 从入门到精通 M. 北京 清华大学出版社 2008.8 王岩 .ASP.NET 网络开发指南 M. 北京 清华大学出版社 2010. 9 钟晓新 . 基于 .net 的中小企业 ERP 系统的设计与实现 D. 天津 天津大学 2005.10 胡迎松 彭利文 池楚兵 . 基于 .NET 的 Web 应用三层结构设计技 术 J. 计算机工程 2006 29(8) 78. Y Y,1A 图 2 后台登录流程图(上接第 68 页 体系 同样面临着难得的机遇和不小的挑战 参 考 文 献1 T he Eu ropean Parliament and of the Cou ncil. Reg ulation (EC) No 178/2002 of the Eu ropean Parliament and of the Cou ncil of28 Januar y 2002 R. Belgium: Off icial Jour nal of the EuropeanCommunities, 2002.2 Inter national Organization for Standardization. ISO 22005:2007Traceability in the feed and food chain: general principles and basic requirement for system design and implementation S. Switzerland: ISO, 2007.3 魏益民 郭波莉 魏帅 . 食品溯源及确证技术 C.2010 年第三届国际食品安全高峰会议 2010.4 Z H AO D A, T ENG C F, WA NG X W. Desig n of t raceabilit y system for pork safety production based on RFID C/ 2009 2nd Inter national Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Changsha: IEEE, 2009: 562-565.5 施亮 傅泽田 张领先 . 基于 RFID 技术的肉牛养殖质量安全可追溯系统研究 J. 计算机应用与软件 2010 27(1) 40-43.6 李梦寻 刘宏志 . 基于物联网的食品安全监理模型研究 J. 北京工商大学学报 自然科学版 2011 29(2) 54-58.7 谢建华 神明月 李昌 . 我国食品安全分析及对策研究 J. 食品工程 2010 9(3) 8-12.8 罗军舟 黎波涛 杨明 .TCP/IP 协议及网络编程技术 M. 北京 清华大学出版社 2004.9 杜春雷 .ARM 嵌入式 Linux 应用开发完全手册 M. 北京 人民 邮电出版社 2008.10 RÖMER K, MATTERN F. The design space of wireless sensor networks J. IEEE Wireless Communications, 2004, 11 (6): 54-61.11 PENTIKA¬INEN V, HEIKKILAT, MAATTAK, et al. Industrialand non-consumer applications of wireless sensor networks C/ Proceedings of the SPIE. Orlando: SPIE, 2008, 6983: 69830k-13.12 RUIZ-GARCIA L, LUNADEI L, BARREIRO P, et al. A review of wireless sensor technologies and applications in agriculture and food industry: state of the art and current trends J. Sensors, 2010,9(6): 4728-4750.70物联网技术 2012年 / 第8期 x NN xpI,1J p , , eb .cs 4 Database.cs 4 智能处理与应用Intelligent Processing and Application