李晰暉，任國(guó)譜*

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南亞華乳業(yè)有限公司技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410200）

近年來(lái)，乳制品特別是嬰幼兒奶粉安全事故頻發(fā)，其中主要的原因是由于原料乳的品質(zhì)得不到保證。我國(guó)目前奶牛的飼養(yǎng)方式主要是散養(yǎng)，奶牛養(yǎng)殖和管理水平不高，原料乳的質(zhì)量水平較低。如何提高原料乳的質(zhì)量安全，已經(jīng)成為我國(guó)乳制品行業(yè)發(fā)展過(guò)程中迫切需要解決的問(wèn)題[1,2]。目前，各種先進(jìn)的信息技術(shù)正在研究和利用，近年來(lái)出現(xiàn)的無(wú)線射頻溯源技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)成為當(dāng)前解決該問(wèn)題的最佳選擇。無(wú)線射頻技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)射頻識(shí)別和數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)[3]，它通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并且獲得電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，可以在各種惡劣的環(huán)境下工作[4]。RFID技術(shù)可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽并且可以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體，操作簡(jiǎn)便快捷[5]。在澳大利亞，政府建立畜牧標(biāo)示和追溯系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的電子標(biāo)簽對(duì)牛和羊?qū)嵤┕芾韀6]。美國(guó)的 PurduePharma制藥公司將無(wú)線射頻電子標(biāo)簽貼在藥品的包裝瓶上，對(duì)藥物的流向進(jìn)行追蹤及監(jiān)控。北美最大的食品服務(wù)營(yíng)銷(xiāo)和分配組織SYSCO公司，已經(jīng)完成低溫儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的 RFID電子標(biāo)簽和傳感系統(tǒng)集成測(cè)試 ，測(cè)試結(jié)果表明 RFID技術(shù)在食品運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)食品溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控能力很強(qiáng) ，可有效的保證食品品質(zhì)和質(zhì)量安全[7]。在國(guó)內(nèi)，基于RFID技術(shù)的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”于2005年在上海投入使用 ，該系統(tǒng)將RFID電子標(biāo)簽打在豬的耳朵上 ，通過(guò)讀寫(xiě)器實(shí)時(shí)獲得生豬的飼料 、病歷、喂藥 、檢疫等信息[8]。而對(duì)于原料乳的安全性的保證，是一個(gè)持續(xù)的監(jiān)控過(guò)程，需要對(duì)從奶牛養(yǎng)殖到原料乳收購(gòu)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。利用RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)原料乳來(lái)源的跟蹤追溯，利用云服務(wù)端信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)原料乳來(lái)源及其品質(zhì)信息的保存和共享 ，是提高乳品企業(yè)收奶的效率和收奶的品質(zhì)，保證原料乳的質(zhì)量安全的有效措施。

1 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式，將分布于不同地點(diǎn)的電腦、服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備等各種軟硬件資源結(jié)合在一起，具有著強(qiáng)大的存儲(chǔ)和計(jì)算能力[9]。把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，可以緩解乳品企業(yè)設(shè)備緊缺的狀況，并且通過(guò)云計(jì)算服務(wù)提供商的保護(hù)措施，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全。而且建立一個(gè)云端的信息管理系統(tǒng)，還可以分享數(shù)據(jù)資源，提高數(shù)據(jù)的利用率。采用云計(jì)算模式可以利用云平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算資源、存儲(chǔ)能力、互聯(lián)和無(wú)限拓展的能力，將原料乳信息檔案系統(tǒng)建立在云端，按照乳品企業(yè)的需要及其實(shí)際情況來(lái)制定合適的軟件服務(wù)，可以大大降低現(xiàn)階段乳品企業(yè)在軟件、平臺(tái)搭建的費(fèi)用，同時(shí)可以解決不同乳品企業(yè)信息化建設(shè)參差不齊的現(xiàn)狀[10]。

基于云計(jì)算技術(shù)的原料乳質(zhì)量控制系統(tǒng)是在RFID技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)原料乳品質(zhì)的監(jiān)控和原料乳的溯源管理。原料乳質(zhì)量控制體系是由RFID系統(tǒng)、中繼服務(wù)器、監(jiān)控系統(tǒng)和云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)組成[11]。原料乳質(zhì)量控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 原料乳質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 The composition of raw milk information management system

RFID系統(tǒng)：RFID系統(tǒng)即信息采集體統(tǒng)，由電子標(biāo)簽、PDA讀寫(xiě)器組成，主要用于奶源信息和原料乳品質(zhì)信息的讀取和寫(xiě)入。

中繼服務(wù)器：主服務(wù)器負(fù)責(zé)將原料乳的來(lái)源信息及其品質(zhì)信息進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)格式的轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)的編輯排版，制作成原料乳信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所需的數(shù)據(jù)格式，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳到云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以減少主服務(wù)器的讀寫(xiě)頻率，提高主服務(wù)器的響應(yīng)速度。

監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)是由檢測(cè)儀器和配套的計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件組成，主要是原料乳收購(gòu)過(guò)程中對(duì)原料乳的品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。

云服務(wù)端：云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)只要用于原料乳來(lái)源和品質(zhì)信息的保存和共享，以及原料乳品質(zhì)信息的數(shù)據(jù)分析、原料乳的定價(jià)和奶源品質(zhì)查詢等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原料乳品質(zhì)信息系統(tǒng)由信息采集 、監(jiān)控中心 、信息服務(wù)三部分組成 ，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

圖2 原料乳品質(zhì)信息管理系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The organizational chart of raw milk information management system

信息采集：由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器以及天線等構(gòu)成，主要完成原料乳來(lái)源信息、原料乳品質(zhì)信息和奶牛場(chǎng)信譽(yù)等級(jí)等信息的識(shí)別和查看。

監(jiān)控中心：由PDA讀寫(xiě)器、乳品企業(yè)收奶站中的電腦及其相應(yīng)的軟件構(gòu)成，對(duì)原料乳的收購(gòu)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

信息服務(wù)：提供原料乳來(lái)源、原料乳品質(zhì)信息和原料乳計(jì)價(jià)信息的存儲(chǔ)和查詢

工作過(guò)程：

當(dāng)貯奶罐送入收奶站時(shí)，閱讀器讀取到貯奶罐上的電子標(biāo)簽中的EPC編碼，基于讀到的無(wú)線射頻電子標(biāo)簽的唯一編碼，PDA讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從原料乳信息管理系統(tǒng)中下載該奶牛飼養(yǎng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)到讀寫(xiě)器，包括奶牛飼養(yǎng)場(chǎng)的基本信息、原料乳品質(zhì)信息和奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)信譽(yù)信息等。收奶前，根據(jù)該奶牛養(yǎng)殖廠所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)信息和信譽(yù)等級(jí)，確定是否收購(gòu)及原料乳抽檢的指標(biāo)和頻率。

原料乳的抽檢指標(biāo)主要包括原料乳理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo)[12,13]。理化指標(biāo)通過(guò)乳成分自動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)配套的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)上傳到中繼服務(wù)器，中繼服務(wù)器再把奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)及其所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)信息打包后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至云服務(wù)器端。而衛(wèi)生指標(biāo)和有害成分的檢測(cè)由于不能立即檢測(cè)出結(jié)果，則由收奶員抽樣，打印與貯奶罐上電子標(biāo)簽相同編碼的條形碼貼于樣品上，送往中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果由中心實(shí)驗(yàn)室的工作人員根據(jù)條形碼在電腦上將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果輸入電腦，并通過(guò)因特網(wǎng)上傳到中繼服務(wù)器，中繼服務(wù)器將信息封裝后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器端。云服務(wù)器端根據(jù)原料乳的理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo)以及具體的計(jì)價(jià)參數(shù)對(duì)原料乳定價(jià)[14]。RFID和云計(jì)算技術(shù)在原料乳收購(gòu)和計(jì)價(jià)中的運(yùn)用流程圖如圖三所示。

圖3 RFID和云計(jì)算技術(shù)在原料乳收購(gòu)和計(jì)價(jià)中的運(yùn)用流程圖Fig.3 The flowchart of the application of RFID and cloud computing technology in acquisition and pricing of raw milk

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 信息采集 原料乳品信息采集系統(tǒng)采用超高頻的無(wú)線射頻技術(shù) ，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于RFID電子標(biāo)簽是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別的電子標(biāo)簽 ，RFID讀寫(xiě)器通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取數(shù)據(jù)，識(shí)別的工作無(wú)需人工干預(yù)且可以在各種惡劣環(huán)境中工作[15]。超高頻的RFID技術(shù)具有較遠(yuǎn)的讀寫(xiě)距離，操作快捷方便。乳品企業(yè)給注冊(cè)的奶戶的貯奶罐配置RFID電子標(biāo)簽，每個(gè)貯奶罐都有唯一的EPC編碼，電子標(biāo)簽卡中記錄著奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的基本信息，并預(yù)留一部分的空間，供乳品企業(yè)設(shè)置其存儲(chǔ)不同的內(nèi)容，以滿足不同乳品企業(yè)的需求。在云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中都存放著該貯奶罐的相關(guān)信息，包括養(yǎng)牛養(yǎng)殖場(chǎng)地點(diǎn)、法人代表、原料乳的品質(zhì)信息、歷史送奶量和信譽(yù)等級(jí)等。當(dāng)貯奶罐上的電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)范圍，讀寫(xiě)器讀出貯奶罐的EPC 編碼，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將貯奶罐的EPC編碼和云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)EPC編碼到奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)詳細(xì)信息之間的映射，找到對(duì)應(yīng)的文件，并將其顯示出來(lái)，根據(jù)讀取的貯奶罐的EPC編碼完成奶源信息的確認(rèn)。

2.2.2 監(jiān)控中心 原料乳的收購(gòu)過(guò)程中，通過(guò)原料乳品質(zhì)信息管理系統(tǒng)對(duì)奶牛場(chǎng)過(guò)去所產(chǎn)原料乳的品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)分和劃分等級(jí)，根據(jù)結(jié)果讀寫(xiě)器上顯示不同顏色的指示燈，收奶員根據(jù)不同的指示燈進(jìn)行操作，如紅色表示該奶牛場(chǎng)所產(chǎn)的原料乳質(zhì)量不合格，則拒收；黃色表示該奶牛場(chǎng)所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量指標(biāo)合格但是具有改善的空間，則維持抽檢的項(xiàng)目和頻率；綠色表示該奶牛場(chǎng)所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量良好，可以適當(dāng)?shù)臏p少樣品的抽檢項(xiàng)目和頻率[16]，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)本次抽檢樣品的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果上調(diào)或者降低改奶牛場(chǎng)的綜合評(píng)分和信譽(yù)等級(jí)。收奶過(guò)程中，計(jì)量器對(duì)原料乳進(jìn)行計(jì)量，通過(guò)配套的電腦將收奶量通過(guò)中繼服務(wù)器和奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)信息打包后上傳到云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中保存和共享。

2.2.3 信息服務(wù) 信息服務(wù)主要由云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)、各個(gè)客戶端及其軟件構(gòu)成。通過(guò)信息服務(wù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原料乳來(lái)源及其品質(zhì)信息的保存和共享。信息服務(wù)系統(tǒng)主要包括原料乳來(lái)源及其品質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、原料乳品質(zhì)分析系統(tǒng)和用戶查詢平臺(tái)的構(gòu)建與共享。

在云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，為每個(gè)奶牛場(chǎng)和貯奶罐建立檔案，記錄奶牛場(chǎng)的EPC編碼、地址、法人、送奶量、所送牛奶的品質(zhì)和信譽(yù)等級(jí)。奶牛產(chǎn)奶量和原料乳的品質(zhì)信息通過(guò)計(jì)量器和檢測(cè)儀器檢測(cè)的計(jì)量和檢測(cè)，通過(guò)配套的電腦和網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而且歷史送奶數(shù)據(jù)記錄也不會(huì)被刪除，它們對(duì)收奶員判斷是否收奶和確定奶牛場(chǎng)原料乳樣品的抽檢項(xiàng)目和頻率具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)云計(jì)算信息服務(wù)平臺(tái)搭建起來(lái)后，原料乳來(lái)源及其品質(zhì)信息可在不同的地方進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)了原料乳的溯源管理，當(dāng)原料乳出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可迅速追蹤問(wèn)題的原因。

基于RFID和云計(jì)算的信息服務(wù)系統(tǒng)，其云服務(wù)端設(shè)有原料乳信息數(shù)據(jù)分析單元，分析單元根據(jù)奶牛產(chǎn)奶量及其產(chǎn)奶的品質(zhì)分析判斷出奶牛的健康狀況以及飼養(yǎng)存在的問(wèn)題并給出飼養(yǎng)的建議。基于云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的專家診斷系統(tǒng)，以綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)原料乳品質(zhì)的簡(jiǎn)單評(píng)估與分析。云服務(wù)平臺(tái)對(duì)原料乳指標(biāo)數(shù)據(jù)的管理不僅僅限于簡(jiǎn)單的搜集和整理，而是利用云平臺(tái)提供的強(qiáng)大計(jì)算能力對(duì)大量原料乳品質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，將分析計(jì)算的結(jié)果作為計(jì)價(jià)參數(shù)的選擇和計(jì)價(jià)方式的確定提供參考，同時(shí)將分析結(jié)果和計(jì)價(jià)方式提供給奶牛養(yǎng)殖人員，以促使奶牛養(yǎng)殖人員改善奶牛養(yǎng)殖技術(shù)。智能分析和系統(tǒng)采用統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)推斷等方法對(duì)所測(cè)原料乳成分的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的分析，結(jié)合專家設(shè)置的奶牛養(yǎng)殖信息知識(shí)庫(kù)，推測(cè)出奶牛的健康情況，并給出推薦的解決辦法。

原料乳品質(zhì)控制信息系統(tǒng)運(yùn)行在兩個(gè)云服務(wù)中，乳品企業(yè)和質(zhì)檢機(jī)構(gòu)使用的原料乳信息管理系統(tǒng)架設(shè)在私有云上，可對(duì)這些養(yǎng)殖數(shù)據(jù)有著更高的瀏覽和操作權(quán)限，云服務(wù)提供商會(huì)對(duì)私有云的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和保護(hù)處理，防止的數(shù)據(jù)丟失或遭到更改。乳品企業(yè)對(duì)所購(gòu)買(mǎi)的原料乳的來(lái)源、品質(zhì)和定價(jià)進(jìn)行管理，確保原料乳來(lái)源的安全性和可追溯性；食品安全監(jiān)督部門(mén)對(duì)原料乳的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。奶牛飼養(yǎng)人員和消費(fèi)者使用的原料乳信息查詢系統(tǒng)架設(shè)在公共云上，奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖人員可以登錄系統(tǒng)查看自己的收入狀況、原料乳的定價(jià)指標(biāo)和專家提供的改善奶牛飼養(yǎng)技術(shù)的措施，消費(fèi)者可以在系統(tǒng)上查找自己所食用的乳制品的原料乳的來(lái)源及奶源的品質(zhì)。

3 結(jié)論

本文主要實(shí)現(xiàn)了采用RFID和云計(jì)算技術(shù)對(duì)原料乳收購(gòu)和計(jì)價(jià)過(guò)程進(jìn)行管理，提高原料乳收購(gòu)的效率和所收原料乳的品質(zhì)。在RFID和云計(jì)算技術(shù)的支持下，根據(jù)奶牛場(chǎng)的信譽(yù)等級(jí)和原料乳的品質(zhì)信息確定抽樣的指標(biāo)和頻率，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)原料乳的理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo)確定原料乳的收購(gòu)價(jià)，從而提高乳品企業(yè)資源的利用效率。原料乳信息服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建可以方便奶農(nóng)對(duì)奶場(chǎng)所產(chǎn)原料乳的質(zhì)量、計(jì)價(jià)參數(shù)的選擇及計(jì)價(jià)方式的進(jìn)行了解，激勵(lì)奶農(nóng)提高奶牛養(yǎng)殖技術(shù)和原料乳的質(zhì)量，乳品企業(yè)可以根據(jù)所收原料乳品質(zhì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)整收購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)價(jià)參數(shù)，質(zhì)量管理部門(mén)根據(jù)原料乳分成的各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)整其限量標(biāo)準(zhǔn)。RFID和與計(jì)算技術(shù)在原料乳收購(gòu)和計(jì)價(jià)中的運(yùn)用，將會(huì)提高乳品企業(yè)收奶的效率和收奶的品質(zhì)，從而促進(jìn)乳品行業(yè)的健康發(fā)展。

但是，文中只闡述了原料乳收購(gòu)過(guò)程中對(duì)原料乳的質(zhì)量控制，而貯奶罐上電子標(biāo)簽中的信息也只針對(duì)奶牛場(chǎng)，當(dāng)原料乳出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，并不能追溯到個(gè)體奶牛，也不能根據(jù)所收購(gòu)的原料乳的品質(zhì)得出個(gè)體奶牛的身體狀況和產(chǎn)奶情況。因此,要對(duì)原料乳的質(zhì)量進(jìn)行全程控制和溯源管理，需要從奶牛的飼養(yǎng)和管理、擠奶、原料乳的貯存和運(yùn)輸以及原料乳的收購(gòu)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控。在建立原料乳質(zhì)量管理系統(tǒng)的同時(shí)，利用無(wú)線射頻和云計(jì)算技術(shù)建立奶牛信息管理系統(tǒng)，對(duì)奶牛的飼養(yǎng)管理和擠奶過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并將原料乳質(zhì)量信息和個(gè)體奶牛管理相聯(lián)系，當(dāng)原料乳出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就可以追溯到具體的奶牛，從而實(shí)現(xiàn)原料乳的真正溯源。

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