王林生，于　玲

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽　473009)

0　引言

近年來，農(nóng)藥的殘留、非法添加和假冒偽劣產(chǎn)品等導致的食品安全事故頻繁發(fā)生，給人們的生活和身體健康帶來了極大的影響，如何保障食品的安全已經(jīng)成為當前社會關注的熱點問題[1-6]。要想從根本上保證食品的安全，最可靠的途徑就是保證食品的可溯源性，從食品的生產(chǎn)加工到流通環(huán)節(jié)等，都可以查到具體的信息，才能保障食品從生產(chǎn)到流通過程都不做假[7-11]。有機蔬菜是當前大眾比較放心的蔬菜，但由于市場監(jiān)管不嚴，很難區(qū)分有機蔬菜和普通蔬菜；而采用溯源系統(tǒng)Android手機掃描的形式，可以方便地追溯蔬菜的產(chǎn)地等信息，為是否是有機蔬菜及蔬菜質(zhì)量的區(qū)分帶來了極大的便利[12-16]。目前，溯源系統(tǒng)大多采用RFID技術，但該技術的FRID信息量大、成本較高，不利用推廣使用[17-20]。QR碼具有信息量大和可靠性好等優(yōu)點，將其使用在追溯系統(tǒng)的設計上具有重要的現(xiàn)實意義。

1　有機蔬菜分揀機和溯源系統(tǒng)總體設計

有機蔬菜分揀機可以實現(xiàn)溯源二維碼的自動生成，其生成依據(jù)是根據(jù)有機蔬菜的色澤等進行分類，自動生成二維碼信息數(shù)據(jù)，并且依據(jù)分揀機的自動化，可以根據(jù)有機蔬菜的顏色、形狀和質(zhì)量等對蔬菜進行自動分級[21-22]。在機械自動控制系統(tǒng)中，PLC控制是最常用的自動控制方法。該套控制系統(tǒng)可以在惡劣的作業(yè)條件下工作，其性能要比單片機具有一定的優(yōu)勢，且其兼容性好，程序編程簡單，可靠性高[23-25]。因此，在設計分揀機的控制系統(tǒng)時，選用PLC控制系統(tǒng)，其總體設計框架如圖1所示。

圖1　有機蔬菜分揀溯源系統(tǒng)PLC控制部分總體框架

有機蔬菜分揀溯源系統(tǒng)PLC控制主要是由3部分組成，包括傳感器、PLC控制器和反饋調(diào)節(jié)控制的氣缸，在設計時需要確定I/O點數(shù)和選擇PLC的型號，然后進行I/O分配。根據(jù)有機蔬菜分揀溯源系統(tǒng)PLC控制部分的設計需求，使用了分揀傳感器、電容電感傳感器及顏色傳感器等多種型號的傳感器，輸入部分包括兩個開關信號和多個傳感信號。

由于二維碼的信息含量大、安全性高，因此可以將其使用在溯源系統(tǒng)中。QR碼是常用的二維碼，如圖2所示。在溯源系統(tǒng)中，QR碼的使用主要是針對手機Android用戶。在設計溯源系統(tǒng)時，廠家需要根據(jù)用戶需求創(chuàng)建一個Web系統(tǒng)，供客戶下載二維碼識別軟件。用戶安裝系統(tǒng)后，可以通過掃描有機蔬菜包裝上的二維碼，將溯源信息全部顯示出來。

圖2　有機蔬菜溯源系統(tǒng)總體設計

2　基于Android的QR碼生成和加密技術

二維條碼是在二維空間的水平方向和垂直方向上都存儲信息的一種條碼，同一維的條碼相比較而言，二維條碼包含的信息量更大、安全性更好，并且其密度和糾錯能力等也比較好。二維條碼不僅可以存儲數(shù)字信息，還可以保存圖像信息，將其使用在溯源系統(tǒng)中，可以解決溯源系統(tǒng)信息量大和存儲量高等問題[26-28]。QR碼是常用的二維碼，在溯源系統(tǒng)中，QR碼的使用主要是針對手機Android用戶。其中，常用的二維碼包括圖3所示的3種形式[29-30]。

圖3　3種二維碼示意圖

圖3中，3種類型分別是矩陣式、矩陣式和行排式。第1種矩陣式的容量為4 296個字母和1 817個漢字，第2種容量為2 335個字母和778個漢字，第3種類型的容量為1 850個字母和554個漢字?？紤]蔬菜溯源系統(tǒng)信息容量較大，因此采用第1種的QR碼。在生成QR碼時為了防盜，需要采用加密技術。

Arnold變換是圖像加密的一種重要方法，該方法把圖像看成是平面上的二元函數(shù)，其表達式為Z=F(x,y),(x,y)∈R。其中，(x,y)表示圖像的灰度值。在圖像數(shù)字化過程中，Z=F(x,y)可以看成是二維離散點，這些點具有一定的關聯(lián)性，將這些點的數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則做置亂處理后，可以實現(xiàn)圖像的加密，而通過規(guī)則的還原可以再重新恢復圖像。假設將圖像單位正方形上的點(x,y)變換到另一點(x′y′)的變換為

(1)

其中，mod 1表示模1運算。這個變換是二維Arnold變換，具體到數(shù)字圖像，可以將Arnold變換寫為

(2)

其中，(x,y)∈{0,1,2,...,N-1}，N是數(shù)字圖像矩陣的階數(shù)。假設Arnold變換的矩陣為A，(x,y)T表示輸入，(x′,y′)T表示輸出，通過反饋調(diào)節(jié)作用，可以得到的迭代方程為

(3)

其中，n代表迭代的次數(shù)，n=0,1,2,...。通過對圖像所有數(shù)字離散點進行遍歷后，將信息按照一定的規(guī)則置換，可以生產(chǎn)新的圖像。

離散余弦變換(DCT)也是常用的一種圖像加密方法，在進行加密時首先需要將圖像進行分解。一般情況下是將圖像分解為8×8或16×16塊，然后對圖像的每一個分解塊進行DCT變換，而Android系統(tǒng)在接受端采用DCT反變換，將圖像識別出來。DCT變化在圖像加密過程中可以將圖像壓縮，從而節(jié)省了大量的存儲空間。二維離散余弦正變換公式為

(4)

(5)

以8×8的數(shù)據(jù)編碼為例，在編碼的輸入端將圖像按照8×8的子塊進行分割，子塊的數(shù)值是在-128～127之間。采用余弦變換可以得到變換系數(shù)，變換公式為

(6)

圖4　分揀機顏色傳感器

圖4中，采用的顏色傳感器為三基色傳感器，可檢測目標物體對三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。在分揀系統(tǒng)中，通過不同的顏色可以準確地識別有機蔬菜的種類，從而生成不同的二維碼。另外，還可以通過顏色對有機蔬菜的品質(zhì)進行分級，實現(xiàn)蔬菜品質(zhì)的自動化分揀和有機蔬菜的溯源信息的生成。

3　有機蔬菜分揀和溯源系統(tǒng)測試

為了驗證溯源系統(tǒng)的性能，分別對QR碼的生成和Andriod系統(tǒng)的識別進行了測試，測試過程選用了1臺改裝的自動分揀機，在分揀機上安裝了各種傳感器，如圖5所示。

通過改裝后，改分揀機可以實現(xiàn)土豆的自動分揀，本次主要是采用圖像識別和處理技術，對土豆的類別進行劃分，然后根據(jù)土豆的形狀和大小生成土豆的質(zhì)量級別，如圖6所示。

通過圖像處理，土豆的大小和形狀信息可以被識別，然后根據(jù)不同的質(zhì)量信息形成不同信息數(shù)據(jù)的二維QR碼，在用于掃碼識別后，可以得到土豆的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)。

對分揀機自動生成的二維碼進行Andriod手機掃描查詢可以得到關于有機蔬菜的各種詳細信息，包括產(chǎn)地、蔬菜收獲日期、質(zhì)量檢測信息和物流信息等(見圖7)，從而驗證了溯源系統(tǒng)的可行性。

圖7　QR碼Andriod手機掃描查詢結(jié)果

4　結(jié)語

有機蔬菜和普通蔬菜是很難分辨的，而有機蔬菜的品質(zhì)和等級更是不易區(qū)分，一般市場上有機蔬菜的安全信息也無從查詢。為了解決這個問題，設計了一種基于Android和QR碼的有機蔬菜溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了有機蔬菜產(chǎn)地和流通信息的共享。為了實現(xiàn)溯源系統(tǒng)二維碼的自動化生成，采用了基于PLC控制的有機蔬菜自動分揀機，通過不同類別和蔬菜品質(zhì)的劃分，實現(xiàn)了不同信息二維碼的自動生成。對溯源系統(tǒng)二維碼的生成和識別進行了測試，結(jié)果表明：采用該套系統(tǒng)可以自動對有機蔬菜進行分類并生成不同信息的二維碼，對分揀機自動生成的二維碼進行Andriod手機掃描查詢可得到關于有機蔬菜的各種詳細信息，整套系統(tǒng)方案對有機蔬菜的溯源系統(tǒng)設計是可行的。

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