王 梅

（江蘇海事職業(yè)技術學院 信息工程系，江蘇 南京 211170）

1 引言

近年來，我國頻頻發(fā)生食品質量安全問題，食品安全已經成為輿論關注的焦點。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，食品檢測監(jiān)督條件不完善、對食源性病原菌缺乏認識或從業(yè)人員非主動性過失，造成劣質食品未被發(fā)現(xiàn)，繼而進入消費環(huán)節(jié)；其次，食品安全物流追蹤機制不健全，導致無法對食品在物流過程進行全面監(jiān)控，發(fā)生食品安全問題后責任劃分不清[1-2]。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到食品物流安全追蹤系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)架構將食品追蹤與物流管理系統(tǒng)結合起來，構建基于物聯(lián)網(wǎng)的食品物流信息追蹤系統(tǒng)，針對人民群眾日常生活所需的蔬菜、水果、肉禽、水產、米面油等食品，實現(xiàn)質量安全監(jiān)控，通過從生產源頭到消費者手里整個過程的控制、檢測、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

應用層、網(wǎng)絡層、感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系的三個層次。感知層應用傳感原器件，用以收集終端反饋信息，其主要組成包括編碼標識、成像設備、傳感網(wǎng)關等；而網(wǎng)絡層的主要作用是將所有傳感網(wǎng)絡連接到通信互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)終端設備的互聯(lián)[5]；要實現(xiàn)對物品全程監(jiān)控就要將終端反饋信息轉化為可用的數(shù)字音視頻信號，從而實現(xiàn)可視化的追蹤監(jiān)控，這就是應用層的主要職能；而獨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，包括對整個網(wǎng)絡的管理以及編碼標簽的讀取[6]。

圖1為典型的物聯(lián)網(wǎng)組成結構，其主要由電子識別系統(tǒng)、中間件系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三個部分組成。其中,電子識別系統(tǒng)由射頻識別RFID、電子標簽讀取器、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服務器、Savant中間件以及ONS服務器等；互聯(lián)網(wǎng)、計算機、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫、Internet服務器等組成了互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運作流程是：在每個終端目標上都有特定的電子識別標簽，在目標靠近電子標簽讀取器時，讀取器接收到電子標簽發(fā)出的射頻信號，在這個射頻信號中包含該目標的詳細信息，讀取器對接收到的信息進行解碼后，送入到計算機中間件系統(tǒng)進行處理，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服務器搜索該目標信息的存儲位置，并向中間件Savant系統(tǒng)說明存儲該信息的服務器名稱，然后中間件系統(tǒng)讀取該目標的具體標識信息。

圖1 典型物聯(lián)網(wǎng)結構圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)架構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加工、倉儲、物流運輸、銷售等一系列操作，中間件系統(tǒng)是整個食品物流追蹤網(wǎng)絡的支撐,通過在食品流通各個環(huán)節(jié)上安裝電子標簽讀取器,實現(xiàn)食品的自動化管理，使食品安全始終在透明化的過程中運行。

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簽,使原料在出庫、生產等過程中的變化情況都記錄在Savant系統(tǒng)中，以便消費者查詢食品原產地、生產日期、主要成分等信息。

如果食品是以散裝的形式進行存儲,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行存儲,應在箱體外貼電子身份標簽，標簽中要包括食品的生產廠家、食品基本信息、生產日期、配送車輛的信息以及物流追蹤信息等，以實現(xiàn)對整個物流過程的全程監(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，食品流通信息監(jiān)控系統(tǒng)會重新選擇最優(yōu)配送路徑,通過無線通信方式傳輸給配送車輛,配送車輛及時調整配送方案,節(jié)省物流配送時間。

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

3 基于物聯(lián)網(wǎng)食品物流追蹤方法

3.1 關鍵技術

終端設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，對于溫度、濕度、壓力的檢測都比較準確。食品物流、醫(yī)療設備等基于物聯(lián)網(wǎng)的領域對傳感器要求已經趨于微型化，目的就是為了更好地適應不同的環(huán)境、不同的物體，以及更好地適應單片機系統(tǒng)的集成?？紤]到成本問題，在傳感器的選擇上，要與自身需求相結合，合理配置。

物聯(lián)網(wǎng)也被稱為傳感網(wǎng)，是因為物聯(lián)網(wǎng)的終端多是傳感器設備，傳感器通過無線通信技術組成無線傳感網(wǎng)絡，接入到Internet等公共網(wǎng)絡中。射頻識別模塊、傳感器模塊、信息處理模塊是網(wǎng)絡節(jié)點的基本組成部分，網(wǎng)絡節(jié)點的工作就是將傳感器采集的信息進行轉化、處理，再運用無線通訊技術將數(shù)據(jù)傳遞出去。無線通信又分為遠距通信與近距通信兩個部分，遠距無線通信可以接入Internet等公共網(wǎng)絡組成廣域網(wǎng)，近距無線通信組成的是本地局域網(wǎng)絡?，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的接口還沒有統(tǒng)一的標準，只能使用現(xiàn)行的行業(yè)標準接口進行通信，比如無線通信的現(xiàn)行標準有Wi-Fi（無線局域網(wǎng)）、RFID（射頻識別）、zigbee等；有線的標準接口有USB、RS-232、RS-485等，都可以和終端設備組成傳感網(wǎng)絡。無線傳感網(wǎng)絡規(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，只需要一個本地局域網(wǎng)就能覆蓋，將多個本地局域網(wǎng)連接就能監(jiān)控區(qū)域內的所有信息。

食品物流的整個供應鏈是十分龐大的，單單依靠一個或者幾個本地局域網(wǎng)的連接是遠遠不夠的，而對于不相鄰的區(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。遠距通信的現(xiàn)行技術和網(wǎng)絡也是比較豐富的，比如GPRS、EVDO、TD-SCDMA、Internet等公共網(wǎng)絡。

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

終端移動設備的定位要與GPS、GSM、CDMA以及電子地圖等移動通信技術相結合，才能更準確、迅速地獲得食品物流的活動地理位置信息、完善食品物流安全追蹤體系中的位置軌跡信息采集。

3.2 物流動態(tài)追蹤算法

食品物流信息動態(tài)追蹤方法就是將檢測得到的物流數(shù)據(jù)進行互聯(lián)、過濾、跟蹤等運算后，最終得到多個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，對于食品物流目標的多個位置反饋信息，則統(tǒng)計距離最小的位置信息作為目標位置，即d2(k)最小，用于對目標狀態(tài)的更新。即：

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

式（4）表示在第i個關聯(lián)反饋信息中，追蹤目標j是否符合定位目標的確認信息，等于1表示追蹤目標在該位置，反之則不在。

（2）信息過濾。應用卡爾曼濾波算法作為對終端反饋信息的過濾方法，具體方法為利用標準的信息值與反饋信息值進行對比，從而更新估計的狀態(tài)變量，求出當前讀取的估計值。在對動態(tài)目標的GPS定位測量中，用卡爾曼濾波算法從受干擾的數(shù)據(jù)中估計狀態(tài)變量，能準確、迅速地計算出目標的三維坐標。

食品物流動態(tài)追蹤定位的卡爾曼濾波模型：

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

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

預估計值：

在實際應用中，由于濾波的狀態(tài)估計值可能存在偏移，且估計誤差的方差也可能很大，遠遠超出了按計算公式計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。

（3）目標跟蹤。目標跟蹤過程中主要檢測指標就是目標的位置信息，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行信息特征匹配，找到食品的活動軌跡。目標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行特征點比對，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，也就是目標位置。

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

4 仿真實驗與分析

為了驗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進行仿真實驗。通過MATLAB軟件對目標的運動軌跡進行獲取，從而實現(xiàn)對目標的追蹤。仿真結果如圖2和圖3所示，圖中實線為實際目標的物流軌跡，虛線為通過本方法獲取的物流軌跡。

通過仿真結果可以看出，通過本方法可以實時獲取追蹤目標的位置信息，并且十分接近于目標的實際活動軌跡，因此，驗證了本追蹤方法的有效性。

圖3 目標2的仿真活動軌跡

5 結語

基于以上的研究，在物聯(lián)網(wǎng)架構下的食品物流安全追蹤系統(tǒng)，能實現(xiàn)資源的合理化利用，加強對食品安全的監(jiān)控力度。食品生產企業(yè)、物流企業(yè)、零售商、消費者通過統(tǒng)一的平臺加強了溝通，共享了資源，在出現(xiàn)食品安全問題時，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業(yè)供應鏈，而且能為廣大人民群眾提供更加安全的食品物流環(huán)境。

[1]黃勝海,鄒劍敏,孫健全.基于RFID技術的食品體系研究[J].農業(yè)網(wǎng)絡信息,2007,(12):23-25.

[2]張敏,談向東.現(xiàn)代食品冷鏈物流的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].商場現(xiàn)代化,2007,(20):137-138.

[3]龍滿生,何東健.基于遺傳神經網(wǎng)絡的蘋果綜合分級系統(tǒng)[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2001,29(6):108-111.

[4]高紅梅.物聯(lián)網(wǎng)在農產品網(wǎng)絡與信息化中的應用[J].商業(yè)時代,2010,(22):40-41.

[5]沈云濤,郭雷,任建峰.一種基于Haasdorff距離的運動物體跟蹤算法[J].計算機應用,2005,9(25):2 120-2 122.

[6]朱麗,祝玉華.利用物聯(lián)網(wǎng)技術的現(xiàn)代糧食物流跟蹤設計[J].糧食流通技術,2010,(3):30-33.