林宇洪，林敏敏，林承操，張志彬

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州 350002)

近年來，國內(nèi)外肉產(chǎn)品質(zhì)量安全事故頻發(fā)，引起了社會對肉產(chǎn)品安全問題的關(guān)注，部分消費者甚至形成了焦慮情緒。因此，如何保證肉產(chǎn)品的安全性，實施有效的肉產(chǎn)品加工信息追溯系統(tǒng)，實現(xiàn)對違法者的追責(zé)機(jī)制，成為了國內(nèi)外食品行業(yè)的研究熱點。在發(fā)達(dá)國家因為無線通訊環(huán)境好，因此大多采用移動通訊的方式，無線聯(lián)網(wǎng)，將生產(chǎn)日志寫入數(shù)據(jù)庫［1］。部分發(fā)達(dá)國家還采用DNA技術(shù)實現(xiàn)對肉產(chǎn)品追蹤及來源檢測，能有效地打擊各種造假行為［2］。而中國受國情限制，養(yǎng)殖牲畜的牧場、飼養(yǎng)場大多無條件聯(lián)接數(shù)據(jù)庫，因此無法照搬發(fā)達(dá)國家的技術(shù)路線。在中國流通市場，也無力承擔(dān)引入DNA溯源的成本開支。通過調(diào)研和實驗，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的RFID與條碼技術(shù)，設(shè)計了一種符合低成本的肉產(chǎn)品加工信息追蹤系統(tǒng)［3］。

1 系統(tǒng)概述

肉類追溯安全體系要求發(fā)現(xiàn)安全問題后，首先能夠逆向追溯，找到問題環(huán)節(jié)，再從問題環(huán)節(jié)正向追蹤同批次肉產(chǎn)品的流向，從技術(shù)上實現(xiàn)快速追查機(jī)制，減少食品安全問題造成的社會危害［4］。基于該目的，本系統(tǒng)對肉類供應(yīng)鏈實現(xiàn)分兩段管理模式，在牲畜飼養(yǎng)至牲畜銷售過程時采用RFID耳標(biāo)管理;屠宰分割時完成RFID識別向條碼識別的轉(zhuǎn)變;從批發(fā)市場至零售市場使用條碼管理。先實現(xiàn)正向追蹤，記錄每一個加工環(huán)節(jié)的生產(chǎn)日志，為日后追溯提供信息源。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 RFID耳標(biāo)選型

如果RFID耳標(biāo)容量過小，僅能存儲耳標(biāo)號，生產(chǎn)上的每道環(huán)節(jié)都必須依靠實時聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)存儲信息［5］，我國牲畜飼養(yǎng)環(huán)境普遍惡劣，有些山區(qū)飼養(yǎng)場，ADSL寬帶聯(lián)網(wǎng)都難以實現(xiàn)。而更加邊遠(yuǎn)的牧場只能采用GPRS移動技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，運營成本高，通訊效果不穩(wěn)定［6］。因此本課題應(yīng)當(dāng)選用具有一定存儲容量的RFID芯片作為耳標(biāo)，除了按《牲畜耳標(biāo)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定存儲15位的耳標(biāo)號外，還額外存儲生產(chǎn)日志［7］。工作人員在完成飼養(yǎng)過程中每道工序后，即時采用RFID手持機(jī)向耳標(biāo)寫入預(yù)置的簡單編碼。在牲畜屠宰、分割過程中，耳標(biāo)數(shù)據(jù)由屠宰流水線上的計算機(jī)一次性完整讀取，上傳于監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)庫。

通過測試和對比，最終RFID耳標(biāo)選擇“Mifare ONE IC S50”邏輯加密芯片，這是一種特性介于RFID卡和智能IC卡之間的成熟芯片，該芯片簡稱為M1，其各項指標(biāo)完全吻合本系統(tǒng)設(shè)計要求，零售價格低于1.0元/個。M1芯片自然損壞概率極低，具有防水、防震能力，適合于惡劣的飼養(yǎng)環(huán)境中使用。工作頻率13.56 MHz，無線讀寫距離2.5～10 cm。芯片容量為1024 Byte，劃分為16個扇區(qū)(0～15)，每個扇區(qū)劃分為4塊(0～3)，每塊16 Byte。扇區(qū)0存放廠商信息及全球唯一的序列號，該序列號無法復(fù)制及改寫。扇區(qū)1～15的塊0～2稱為數(shù)據(jù)塊，供用戶存儲數(shù)據(jù)，可分配給不同的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)記錄日志。各扇區(qū)塊3為控制塊，可控制本扇區(qū)塊0～2的讀寫權(quán)限。本系統(tǒng)目前僅使用了10個扇區(qū)，對扇區(qū)功能分配情況見表1。

表1 扇區(qū)分配表

2.2 M1芯片讀寫權(quán)限的設(shè)計與計算

M1芯片各扇區(qū)物理結(jié)構(gòu)見圖1，每個扇區(qū)內(nèi)的塊3為特殊塊區(qū)，包含KEYA(密碼A)、控制碼(由控制標(biāo)志組成)與KEYB(密碼B)。每個塊的讀寫權(quán)限由三個控制標(biāo)志和密碼A、密碼B共同決定，每個塊對應(yīng)的控制標(biāo)志如下:塊0(C1M0，C2M0，C3M0);塊 1(C1M1，C2M1，C3M1);塊 2(C1M2，C2M2，C2M3);塊 3:(C1M3，C2M3，C3M3)?？刂茦?biāo)志可用CiMN表示，其中:i為控制標(biāo)志的類型，取值范圍(1～3);M指當(dāng)前扇區(qū);N為塊號，取值范圍(0～3)?？刂茦?biāo)志對塊0、塊1、塊2的控制能力見表2，控制標(biāo)志對塊3的控制能力見表3，塊3控制碼區(qū)域內(nèi)的每一個位對應(yīng)著的控制標(biāo)志見表4。

圖1 M1芯片扇區(qū)物理結(jié)構(gòu)

表2 控制標(biāo)志對塊0、1、2的讀寫權(quán)限

表3 控制標(biāo)志對塊3的讀寫權(quán)限

表4 塊3對應(yīng)的控制標(biāo)志

例如，擬設(shè)置第5扇區(qū)的塊2為憑密碼A可讀，憑密碼B可讀寫，不提供其它權(quán)限。查表2可知，該扇區(qū)塊2的三個控制標(biāo)志“C1M2、C2M2、C3M2”應(yīng)為“1、0、0”。從安全考慮，還應(yīng)禁止持密碼A者窺視、篡改密碼B，或者改寫控制碼從而提升密碼A權(quán)限，查表3可知，該扇區(qū)塊3的三個控制標(biāo)志“C1M3、C2M3、C3M3”應(yīng)為“1、1、0”。如果還需要設(shè)置塊0、塊1的同樣權(quán)限，計算方法相同，把最后計算獲得的控制標(biāo)志填入表5，再通過進(jìn)制變換計算，獲得控制碼16進(jìn)制值“70FF0869”。實踐檢測表明，該控制碼滿足了本系統(tǒng)期望的權(quán)限要求。

表5控制碼計算過程

耳標(biāo)發(fā)放機(jī)構(gòu)在發(fā)放前，設(shè)置各扇區(qū)塊3控制碼為“70FF0869”，設(shè)置密碼A為“888888”向全社會公開，任何機(jī)構(gòu)都可以使用密碼A讀出耳標(biāo)全部數(shù)據(jù)。密碼B隨機(jī)定義，一個供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)一密碼，內(nèi)置于各環(huán)節(jié)的寫耳標(biāo)程序中，各單位僅能用官方授權(quán)終端向特定扇區(qū)寫入特定信息。該項設(shè)計即保證了耳標(biāo)數(shù)據(jù)透明，又實現(xiàn)了各部門相互監(jiān)督，杜絕篡改、偽造日志的現(xiàn)象。

2.3 條碼的編碼和使用

北京市標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件《DB11/Z 523-2008奧運會食品安全 食品追溯編碼規(guī)則》設(shè)計了較為成熟的編碼追溯機(jī)制，如圖2所示。本系統(tǒng)選用該指導(dǎo)文件作為條碼編制規(guī)范。

圖2 肉類食品追溯編碼

本系統(tǒng)無需對現(xiàn)有的屠宰流水線做大的改造，在上流水線前掃描耳標(biāo)全部扇區(qū)數(shù)據(jù)，按“編碼規(guī)則”、”“屠宰工藝”批量打印產(chǎn)品所需的全部條碼。條碼分為軀干類、內(nèi)臟類裝入兩個干凈的硬塑袋內(nèi)，鉤于牲畜軀干上。每個分割產(chǎn)品生成后，清洗，檢驗，取出相應(yīng)條碼并粘貼，最后掃碼稱重。內(nèi)臟類的條碼袋隨著內(nèi)臟一同轉(zhuǎn)入新的流水線。耳標(biāo)數(shù)據(jù)、條碼數(shù)據(jù)、稱重數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳入監(jiān)管部門數(shù)據(jù)庫，接受實時監(jiān)管。

條碼標(biāo)識的產(chǎn)品在供應(yīng)鏈后續(xù)環(huán)節(jié)中，通常還會出現(xiàn)再分割、再加工、更換新條碼的需求［8］。例如超市對肉產(chǎn)品再分割后使用自定義的零售條碼，而牛排店則在加工后提供帶條碼的收銀小票。系統(tǒng)要求分割前掃描原條碼稱重，分割后掃描新條碼稱重，稱重數(shù)據(jù)實時上傳監(jiān)管中心數(shù)據(jù)庫，接受監(jiān)管。

2.4 電子監(jiān)查算法

監(jiān)管中心電子監(jiān)查程序按如下流程實時監(jiān)管屠宰過程，①檢查數(shù)據(jù)是否來自定點屠宰的企業(yè)，該企業(yè)在近期檢查中是否達(dá)標(biāo)，判斷屠宰企業(yè)是否具有資質(zhì);②在數(shù)據(jù)庫中檢索耳標(biāo)號是否未發(fā)放或已注銷，扇區(qū)0的“全球唯一編號”是否和數(shù)據(jù)庫記錄的一致，判斷芯片來源是否合法。③把扇區(qū)1塊0的“耳標(biāo)號”與塊2的“制卡日期時間”進(jìn)行特定的加密算法計算，計算結(jié)果應(yīng)等于塊1的“防偽校驗密碼”，判斷耳標(biāo)是否偽造;④檢查供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)日志是否完整，從而追查歷史環(huán)節(jié)中的工作人員是否盡責(zé);⑤條碼標(biāo)識產(chǎn)品的總重量必須小于對應(yīng)耳標(biāo)記錄的入廠體重，由此判斷是否混入未知來源的原料。

上述檢測指標(biāo)如異常，系統(tǒng)將異常數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給巡邏執(zhí)法人員［9］，調(diào)度執(zhí)法人員做突擊檢查。如屠宰車間裝有閉路監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心也可以在指標(biāo)異常時，調(diào)取該牲畜屠宰錄相，人工復(fù)核。對于指標(biāo)正常的耳標(biāo)號，則進(jìn)行銷號操作，耳標(biāo)無法再次使用。日后統(tǒng)一回收舊耳標(biāo)，封存3年以上，清空各扇區(qū)信息，根據(jù)新的“制卡日期時間”，生成新的“防偽校驗密碼”，取消銷號狀態(tài)，耳標(biāo)可重新進(jìn)入供應(yīng)鏈循環(huán)使用。

對于條碼轉(zhuǎn)條碼的再分割、再加工環(huán)節(jié)［10］，電子監(jiān)查程序進(jìn)行如下工作流程:①檢查原條碼編號是否有備案，可判斷原料來源是否合法;②記錄企業(yè)名稱、新舊編號的對應(yīng)關(guān)系，以備追溯檢查;③新條碼標(biāo)識的產(chǎn)品總重量應(yīng)小等于對應(yīng)原條碼標(biāo)識的產(chǎn)品總重量，允許5%的誤差。

2.5 追溯算法

最終顧客按“企業(yè)名稱，條碼編號”格式，發(fā)送短信給監(jiān)管中心，監(jiān)管中心程序自動逐級逆向反查編號，自至耳標(biāo)號。再正向生成一個簡明的產(chǎn)品生產(chǎn)流程描述，以短信的形式回復(fù)顧客。無法追溯到耳標(biāo)數(shù)據(jù)，則判定為不合格產(chǎn)品，系統(tǒng)短信告知顧客保存小票、收據(jù)作為復(fù)查依據(jù)。生產(chǎn)部門在生產(chǎn)過程中，每次掃描條碼時都可以發(fā)出追溯查詢，避免未知來源的肉類產(chǎn)品流向市場［11］。

2.6 追蹤算法

發(fā)生食品安全事故后，監(jiān)管中心立即逆向反查問題編號，人工分析污染源出現(xiàn)的環(huán)節(jié)。從事故環(huán)節(jié)正向追蹤新舊編號更替日志。確定同批次產(chǎn)品的流向，鎖定最終企業(yè)名稱及可疑編號，通知企業(yè)就地封存產(chǎn)品待檢，并招回已售出產(chǎn)品，及時控制食品安全事故不會繼續(xù)擴(kuò)大［12］。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)在南平市一家肉類加工企業(yè)進(jìn)行測試，測試表明，耳標(biāo)分區(qū)存儲生產(chǎn)日志、耳標(biāo)號轉(zhuǎn)條碼號、批發(fā)條碼號轉(zhuǎn)零售條碼號的技術(shù)設(shè)計可行，短信收發(fā)部分采用GPRS MODEM技術(shù)，運行可靠。通過對比分析，本系統(tǒng)和其它類似系統(tǒng)的最大區(qū)別在于“引入了多扇區(qū)邏輯加密芯片”，因此具有如下優(yōu)勢:RFID耳標(biāo)無法復(fù)制和偽造;養(yǎng)殖過程中無需聯(lián)網(wǎng)提交數(shù)據(jù);無需為邊遠(yuǎn)牧場架設(shè)互聯(lián)網(wǎng)線路;無需使用GPRS遠(yuǎn)程通訊技術(shù);在牲畜移動和交易過程中無需解決跨省數(shù)據(jù)交換的問題;能夠?qū)崟r監(jiān)控屠宰過程。這些優(yōu)點即符合中國畜牧業(yè)的國情，又加強(qiáng)了對定點屠宰的監(jiān)管力度，簡化肉類供應(yīng)鏈的管理流程。

［1］ Derek Hall.Food with a visible face:Traceability and the public promotion of private governance in the Japanese food system［J］.Geoforum，2010(41):826-835.

［2］ Marleen M Voorhuijzen，Jeroen P van Dijk，Theo W.Development of a multiplex DNA-based traceability tool for crop plant materials［J］.Anal Bioanal Chem，2012(42):693-701.

［3］ 申光磊，昝林森，段軍彪，等.牛肉質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理的實現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(7):170-173.

［4］ 林宇洪，林森，景銳，等.木材運輸IC卡讀寫器的開發(fā)［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，39(4):435-438.

［5］ 熊本海，傅潤亭，林兆輝，等.生豬及其產(chǎn)品從農(nóng)場到餐桌質(zhì)量溯源解決方案:以天津市為例［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(1):230-237.

［6］ 林宇洪，沈嶸楓，邱榮祖.南方林區(qū)林產(chǎn)品運輸監(jiān)管系統(tǒng)的研發(fā)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，33(5):130-135.

［7］ 王立方，陸昌華，謝菊芳，等.家畜和畜產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21(7):168-174.

［8］ 林蘭芬，于鵬華，李澤洋.基于聚類的農(nóng)產(chǎn)品流通物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)時空可視化技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(3):228-235.

［9］ 陳佳，姜法竹.綠色食品網(wǎng)絡(luò)營銷模式的影響因素分析［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2014，26(2):90-95.

［10］ 趙麗，邢斌，吳曉明，等.基于手機(jī)二維碼識別的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43(7):124-129.

［11］ 曹春蕾，李仲陽，姜法竹.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)交易模式研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2015，27(4):118-122.

［12］ 韓志慧，李海燕，辛永波.天津市蔬菜質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)建立［J］.食品研究與開發(fā)，2013，(9):115-117.