王宇飛
(黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院電子工程系,黑龍江哈爾濱150086)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用研究
王宇飛
(黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院電子工程系,黑龍江哈爾濱150086)
食品安全作為國(guó)民生活最為重要的基礎(chǔ)層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光,對(duì)食品安全的重視程度,比以往任何時(shí)期都顯得更為重要和迫切.基于此需求,在食品生產(chǎn)、流通、環(huán)節(jié),出現(xiàn)了多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案.利用一套標(biāo)準(zhǔn)兼容、跨越多個(gè)垂直解決方案,整合食品安全生產(chǎn)、流通、管理各個(gè)環(huán)節(jié),融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù),形成食品安全大數(shù)據(jù)服務(wù)的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過(guò)程管理問(wèn)題,形成可信的第三方食品安全數(shù)據(jù)資料.
物聯(lián)網(wǎng);食品安全云計(jì)算;食品溯源;北斗物流應(yīng)用
中國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),地域遼闊,我國(guó)農(nóng)業(yè)起源的時(shí)間上推至萬(wàn)年以前.農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要.但是在中國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā),氣候復(fù)雜多變,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于解決“三農(nóng)”問(wèn)題是一個(gè)很好的發(fā)展機(jī)遇.
食品安全作為國(guó)民生活最為重要的基礎(chǔ)層面.隨著生活水平的提高和各種食品安全事故的曝光,對(duì)食品安全的重視程度,比以往任何時(shí)期都顯得更為重要和迫切.基于此需求,在食品生產(chǎn)、流通、環(huán)節(jié),出現(xiàn)了多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案.利用一套標(biāo)準(zhǔn)兼容、跨越多個(gè)垂直解決方案,整合食品安全生產(chǎn)、流通、管理各個(gè)環(huán)節(jié),融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù),形成食品安全大數(shù)據(jù)服務(wù)的食品安全體系.從而真正解決食品安全的全過(guò)程管理問(wèn)題,形成可信的第三方食品安全數(shù)據(jù)資料.
近年來(lái),各項(xiàng)食品安全事件層出不窮,保衛(wèi)舌尖上的安全,已經(jīng)成為各級(jí)政府、食品行業(yè)相關(guān)企業(yè)的核心問(wèn)題.食品安全的源頭在于農(nóng)產(chǎn)品,農(nóng)產(chǎn)品一旦遭受污染,整個(gè)食品產(chǎn)業(yè)鏈的安全就無(wú)法得到保證.因此,把好“源頭關(guān)”顯得至關(guān)重要.曾幾何時(shí),部分農(nóng)戶和企業(yè)受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使,違反生物生長(zhǎng)規(guī)律,過(guò)度噴灑農(nóng)藥、施放化肥,投放添加劑和激素,以期縮短生長(zhǎng)周期,增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量.殊不知這樣的生產(chǎn)方式雖然帶來(lái)了短暫的經(jīng)濟(jì)利益,但給土壤、水源等生態(tài)環(huán)境造成很大破壞,甚至直接威脅人們的身體健康.如何在選種、用肥、施肥等方面采用嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)是食品安全源頭的保障.
物物互聯(lián)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村信息化領(lǐng)域已經(jīng)有了初步應(yīng)用,如傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用、智能化專家管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遙感系統(tǒng)、生物信息和診斷系統(tǒng)、食物安全追溯系統(tǒng)等.
通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳感采集和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ),能夠摸索出植物生長(zhǎng)對(duì)溫、濕、光、土壤的需求規(guī)律,提供精準(zhǔn)的科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);通過(guò)智能分析與聯(lián)動(dòng)控制功能,能夠及時(shí)精確地滿足植物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)的要求,達(dá)到高幅度增產(chǎn)的目的;通過(guò)光照和溫度的智能分析與精確干預(yù),能夠使植物,特別是名貴花卉的花期完全遵循人工調(diào)節(jié).目前,關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展項(xiàng)目有很多,比如:土壤養(yǎng)分、墑情監(jiān)測(cè),為作物選擇和耕種方式提供指導(dǎo);糧情信息監(jiān)測(cè),為監(jiān)管部門科學(xué)決策保護(hù)糧食安全提供有效數(shù)據(jù);農(nóng)業(yè)大棚溫室監(jiān)控、田間自動(dòng)化管理,通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)滴灌補(bǔ)水;二維碼動(dòng)物溯源,通過(guò)食品追溯標(biāo)簽使消費(fèi)者全面了解產(chǎn)品信息,確保食品安全.
其次,在食品流通環(huán)節(jié),如何有效的利用好各管理部門的流通檢測(cè)能力、建立高效共享的數(shù)據(jù)平臺(tái).掌控流通的數(shù)量、溫度、時(shí)間等重要信息,避免食品在流通環(huán)節(jié)的變質(zhì)、摻雜、造假等問(wèn)題的出現(xiàn),也對(duì)食品的倉(cāng)儲(chǔ)、物流、終端銷售信息的及時(shí)傳遞提出了更高的要求.
國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)的食品安全追溯系統(tǒng),正是這一環(huán)節(jié)的管理.以豬肉安全為例:進(jìn)入農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的豬肉安裝上電子芯片,以跟蹤豬肉產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、批發(fā),以及零售等各個(gè)環(huán)節(jié).具體來(lái)說(shuō),即在農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的豬肉經(jīng)營(yíng)店配備電子溯源秤,消費(fèi)者在購(gòu)買豬肉時(shí)可索取含有食品安全追溯碼的收銀條,憑借收銀條上的追溯碼查詢生豬來(lái)源、屠宰場(chǎng)、質(zhì)量檢疫等多方面的信息.
但是,如何將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通、監(jiān)督檢驗(yàn),各個(gè)系統(tǒng),各個(gè)環(huán)節(jié)的信息自動(dòng)化、高效率的進(jìn)行同步,形成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng),來(lái)全面系統(tǒng)的涵蓋食品生產(chǎn)流通的全過(guò)程,就需要采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)這三種技術(shù).將信息整合,形成集成應(yīng)用.
2.1 生產(chǎn)監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)
通過(guò)傳統(tǒng)傳感器技術(shù).可以獲取到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù).典型應(yīng)用如農(nóng)田,溫室大棚,果園的采集光照、溫度、土壤水含量、CO2濃度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)信息的采集.漁塘中放置傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)塘溶解氧、水質(zhì)情況,自動(dòng)控制氧泵開(kāi)啟和關(guān)閉,同時(shí)顯示在監(jiān)控子系統(tǒng)上,大大的提高魚(yú)苗的成活率,而且能有效的防治水污染.或禽舍的溫度,濕度,空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)采集等.
這些數(shù)據(jù)的采集,可以通過(guò)傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)配合網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸?shù)胶笈_(tái)中心.數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存為食品生產(chǎn)的基礎(chǔ)信息供分析和查詢,也可根據(jù)預(yù)設(shè)的配置策略,對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)端的遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的開(kāi)啟或關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉,自動(dòng)施肥的精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn).
2.2 溯源查詢系統(tǒng)
溯源查詢系統(tǒng),是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以采集生長(zhǎng)、物流、加工及流通銷售過(guò)程中的數(shù)據(jù),建立食品溯源數(shù)據(jù)中心.消費(fèi)者和稽查人員不但可以實(shí)時(shí)的通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接至后臺(tái)追溯數(shù)據(jù)中心,了解食品的前世今生,而且可以及時(shí)反饋虛假、錯(cuò)誤信息.已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及功能包括:在線實(shí)時(shí)生成追溯信息Web二維碼、設(shè)計(jì)適合食品安全信息的加密機(jī)制和策略、設(shè)計(jì)Web二維碼生成算法及開(kāi)發(fā)套件、支持混合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在邏輯層的智能融合傳輸機(jī)制、支持食品安全追溯業(yè)務(wù)對(duì)食品數(shù)據(jù)的時(shí)空屬性序列化要求、提供異構(gòu)終端鑒權(quán)接入的統(tǒng)一食品安全查詢服務(wù)平臺(tái)等多個(gè)層面的內(nèi)容,共同構(gòu)成了食品安全溯源體系.
溯源體系的運(yùn)營(yíng)核心,是產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通信息.這些信息來(lái)源的真實(shí)和可靠,是溯源信息真實(shí)的重要基礎(chǔ).所以,盡可能的在溯源系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),最大程度的減少各生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的人為干擾,才能實(shí)現(xiàn)溯源信息的客觀、公正、透明.
2.3 流通環(huán)節(jié)GPS監(jiān)控及溫控系統(tǒng)
流通環(huán)節(jié)的規(guī)范運(yùn)行,是食品行業(yè)保障食品安全的重要一環(huán).不同的食品種類,對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)、流通,有著不同的溫度、濕度等環(huán)境要求.優(yōu)質(zhì)的食品,如果不能在適宜的條件、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成食品的物流環(huán)節(jié),勢(shì)必將變成過(guò)期食品、變質(zhì)食品.針對(duì)流通的狀態(tài)監(jiān)控,主流的應(yīng)用是GPS與無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)集成的模式.通過(guò)GPS模塊獲取位置信息、額外通過(guò)其他的溫度探測(cè)模塊,獲取到貨箱溫度信息.將信息編碼后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到平臺(tái).相對(duì)更為優(yōu)越的方案,是北斗系統(tǒng).依靠北斗系統(tǒng)獨(dú)有的報(bào)文上傳技術(shù),在定位的同時(shí),通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)獲取到位置、溫度、速度等相關(guān)信息,將使得流通環(huán)節(jié)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行更為高效穩(wěn)定.
2.4 第三方檢測(cè)及報(bào)告系統(tǒng)
第三方檢測(cè)報(bào)告系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的持久化及終端虛擬化技術(shù).將分散在農(nóng)技站、質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督、食品藥品監(jiān)管,等多個(gè)部門、多種終端、多種數(shù)據(jù)格式的信息.通過(guò)數(shù)據(jù)抓取,同步到服務(wù)平臺(tái),供溯源查詢及管理使用.
3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用集成框架
食品生產(chǎn)源為食品分配二維碼,在食品生產(chǎn)過(guò)程中,食品生產(chǎn)商與質(zhì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)分別采集食品詳細(xì)信息、認(rèn)證狀況等食品安全數(shù)據(jù),存入食品安全追溯數(shù)據(jù)中心;并利用二維碼在線生成系統(tǒng),打印標(biāo)簽,粘貼在食品包裝上;稽查人員使用二維碼識(shí)讀系統(tǒng),可以方便的進(jìn)行抽樣檢查.消費(fèi)者購(gòu)買產(chǎn)品時(shí),只需手機(jī)掃碼或編輯短號(hào)發(fā)短信,即可隨時(shí)隨地查詢食品源信息與質(zhì)量認(rèn)證等信息,并可及時(shí)舉報(bào)虛假、錯(cuò)誤信息.
整個(gè)系統(tǒng)采用分層架構(gòu)模式來(lái)實(shí)現(xiàn),分別由數(shù)據(jù)采錄層、融合網(wǎng)絡(luò)層、時(shí)空數(shù)據(jù)引擎層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層四層組成,技術(shù)架如圖1所示.
圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用集成框架
3.2 食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息獲取和生產(chǎn)控制
食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息獲取和生產(chǎn)控制主要包括三方面內(nèi)容:傳感設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用服務(wù).通常分解為感知層:傳感器網(wǎng)絡(luò)(溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、CO2濃度等傳感器等)和無(wú)線監(jiān)控終端(用于水、飼料的遠(yuǎn)程投放開(kāi)關(guān)控制);傳輸層:傳感器網(wǎng)絡(luò)由zigbee協(xié)議組成前段網(wǎng)絡(luò),CDMA 1X/GPRS協(xié)議組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用層:由數(shù)據(jù)持久化中間件、業(yè)務(wù)處理中間件、邏輯控制組件構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用及管理系統(tǒng).圖2展示了相關(guān)生產(chǎn)信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)管理及控制的過(guò)程.
圖2 生產(chǎn)信息的物聯(lián)網(wǎng)管理及控制過(guò)程
3.3 食品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)同步
在食品流通環(huán)節(jié),各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的獲取存在兩種情況:一種是原始數(shù)據(jù)直接通過(guò)通信接口,上傳到系統(tǒng)平臺(tái).這種形式,只要在通信層確保數(shù)據(jù)協(xié)議的一致,正確的響應(yīng)通信協(xié)議的應(yīng)答,并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行正確的解析即可.另一種相對(duì)復(fù)雜的情況,是原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于第三方系統(tǒng).在這種情況下,就需要進(jìn)行異構(gòu)數(shù)據(jù)的同步.
采用類似MobiLink這樣的工具,可解決將一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)器與大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行同步(通常包含多個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù))的問(wèn)題.此同步策略是基于連接的,遠(yuǎn)程同步的數(shù)據(jù)源可隨時(shí)進(jìn)行連接.在每次進(jìn)行連接之后,數(shù)據(jù)庫(kù)是完全同步的.
具體工作方式是:將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)上的多個(gè)事務(wù)的結(jié)果合并成一個(gè)更改集,然后應(yīng)用到統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)中.因?yàn)橥绞冀K在事務(wù)邊界進(jìn)行的,所以保持了參照完整性.不保留在組件事務(wù)過(guò)程中所做的各個(gè)更改的順序:因?yàn)閺牟粡?fù)制未提交的數(shù)據(jù),所以保留了數(shù)據(jù)完整性.
MobiLink分為服務(wù)器端和客戶端兩部分.MobiLink服務(wù)器與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)連接,MobiLink客戶端則與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)連接.進(jìn)行同步時(shí),當(dāng)MobiLink遠(yuǎn)程站點(diǎn)打開(kāi)與MobiLink同步服務(wù)器的連接時(shí),通常便開(kāi)始了同步過(guò)程.同步期間,遠(yuǎn)程站點(diǎn)的MobiLink客戶端將上載自上一次同步以來(lái)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)所作的更改.MobiLink同步服務(wù)器在收到這些數(shù)據(jù)時(shí)開(kāi)始更新統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù),然后將統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)中的更改下載到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù).
所以,建立食品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)同步信息數(shù)據(jù)庫(kù),只需要在原有的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)上建立發(fā)布,將發(fā)布信息發(fā)送給MobiLink Client,即可完成異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步.
3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的集成應(yīng)用前景
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用鏈上的其他環(huán)節(jié),如電信運(yùn)營(yíng)商以及終端商應(yīng)充分發(fā)掘潛在市場(chǎng),為各自在物聯(lián)網(wǎng)版圖上占有一席之地作好準(zhǔn)備.為監(jiān)管部門提供食品安全追溯的行業(yè)解決方案,并進(jìn)一步將方案發(fā)展到奶制品、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)等方面;整合農(nóng)業(yè)信息資源,為農(nóng)民提供具有針對(duì)性的信息服務(wù);與有關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)、統(tǒng)計(jì)部門展開(kāi)合作,為農(nóng)戶提供有用的農(nóng)作物產(chǎn)銷信息,為溫室、系統(tǒng)和芯片生產(chǎn)企業(yè)提供行業(yè)信息;在芯片生產(chǎn)上應(yīng)具有針對(duì)性,開(kāi)發(fā)適合特定業(yè)務(wù)(如信息溯源)的芯片;加大對(duì)芯片應(yīng)用配套設(shè)備的研發(fā).
農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不同的階段,都可以用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)提高工作效率.在種植和培育階段,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析實(shí)時(shí)的土壤信息,來(lái)選擇合適的農(nóng)作物;在農(nóng)產(chǎn)品的收獲階段,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)廉價(jià)的信息采集,從而在種植收獲階段進(jìn)行更精準(zhǔn)的測(cè)算.
在生鮮農(nóng)產(chǎn)品流通方面,需要對(duì)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境的溫度和農(nóng)產(chǎn)品的水分進(jìn)行控制.環(huán)境溫度過(guò)高,可能會(huì)發(fā)生大批農(nóng)產(chǎn)品的腐爛,水分不足,會(huì)使品質(zhì)受到影響,在這個(gè)環(huán)節(jié)要借助物聯(lián)網(wǎng)的幫助.
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)畜禽產(chǎn)品從養(yǎng)殖、屠宰到運(yùn)輸、銷售的全過(guò)程質(zhì)量控制,并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量溯源,可實(shí)現(xiàn)畜禽生產(chǎn)檔案管理(畜禽信息、飼料信息、疾病防疫等),實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽和條碼間信息的轉(zhuǎn)換,條碼標(biāo)簽的打印,基于網(wǎng)站、電話和手機(jī)短信的畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全的溯源查詢功能.
盡管物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通等環(huán)節(jié)已經(jīng)有一些應(yīng)用.但各應(yīng)用環(huán)節(jié)相脫離的問(wèn)題仍存在.而且我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比,仍存在很大的差距,平均單位產(chǎn)量低于國(guó)外的30%,單位產(chǎn)量成本大于國(guó)外的50%,由于不合理的使用農(nóng)藥,產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)低于國(guó)外水平.其落后的主要原因是資金缺乏、設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備落后;沒(méi)有獲取專家指導(dǎo)的途徑,大多沿襲傳統(tǒng)的種植方法,生產(chǎn)管理粗放,造成設(shè)施的智能化水平低.
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,為解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品流通環(huán)節(jié)出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題,提供一條技術(shù)支持的思路.為農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)、保障食品安全提供信息化的支撐.
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