1、物联网技术在我国食品安全领域的应用及相关系统设计研究摘要：在我国食品安全监管中，工作效率和食品安全是必须考虑的两个重要问题，物联网可以很好地解决这些问题，但是物联网在食品安全监管上广泛应用也面临着一些实际困难。本文参照一些食品企业的实际生产流程，借鉴国内外物联网技术在食品安全领域应用的相关成果，通过研究基于物联网的食品生产应用、食品流通应用、食品监管应用、食品追溯系统应用等方案，提出了一些新的系统设计思想、观点和建议，希望能对我国的食品安全管理贡献绵薄之力。关键词：食品安全；物联网；系统设计；食品流通；食品追溯现阶段我国的一个重要民生问题就是食品安全问题，几年来毒奶粉、地沟油等食品安全问题频发
2、，如何对食品安全问题进行有效地监管，是一个亟待解决的问题。物联网是 Internet 的一个演进，可以把食品和网络有效地连接起来。通过物联网可以有效地采集食品、环境的信息，既可以对食品进行某种控制，也可以对食品生产、流通、监管、检测、销毁、追溯的各个环节进行监视。一、物联网技术概述及其与食品安全的关系（一）物联网的概念综述2009 年 8 月，温家宝总理提出“感知中国”概念, 物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,写入“政府工作报告”,物联网在中国受到了全社会极大的关注,其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。物联网(Internet of Things)这个词,国内外普遍公
3、认的是 MIT Auto-ID 中心 Ashton 教授 1999 年在研究射频识别（RFID）时最早提出来的。在 2005 年国际电信联盟(ITU)发布的同名报告中, 物联网的定义和范围已经发生了变化, 覆盖范围有了较大的拓展,不再只是指基于 RFID 技术的物联网。物联网的概念与其说是一个外来概念, 不如说它已经是一个“ 中国制造” 的概念, 他的覆盖范围与时俱进, 已经超越了 1999 年 Ashton 教授和 2005 年 ITU 报告所指的范围,物联网已被贴上“中国式”标签。目前比较常用的对物联网的定义, 是指通过 RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定
4、的协议, 把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这种定义有两种含义,第一,物联网是互联网的延伸和扩展, 其核心和基础仍然是互联网, 第二, 其用户端不仅仅是个人 ,还包括任何物品。（二）物联网的关键技术概述及工作流程1.RFID 技术 物联网中非常重要的技术是 RFID 电子标签技术。RFID 系统由三部分组成 :电子标签、天线和读写器。其中, 电子标签芯片具有数据存储区, 用于存储待识别物品的标识信息; 天线用于发射和接收射频信号;读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中。2.云计算技术 当前物联网数据处理中
5、的一个重要技术就是云计算, 即通过互联网向用户提供分时的硬件服务和分空间的硬件服务技术, 实现为用户提供托管服务和配置的计算资源。云计算有三大优势,第一, 用户端不需购买计算机;第二, 用户端不必购买昂贵的计算机软件;第三,计算机硬件和软件会不断升级。3.传感器与传感网技术 传感器是能感知制定的被测量信息,并能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件,如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样,传
6、感器网络可以用于数据收集(Data Collection)、目标跟踪(Object tracking)以及报警监控(Alarm monitoring)等。4.中间件技术 中间件是一种独立的系统软件或服务程序, 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源, 中间件位于客户机服务器的操作系统之上, 管理计算资源和网络通信。在操作系统和数据库市场格局早已确定的情况下,中间件发展尤为重要。物联网产业的发展为物联网中间件的发展提供了新的机遇。物联网中间件处于物联网的集成服务器和感知层、传输层的嵌入设备中。物联网的工作流程 物联网的基本工作流程由四部分组成，即由信息采集系统（RFID 系统） 、P
7、ML 信息服务器、产品命名服务器（ONS）和应用管理系统 1。物联网的系统结构如图 1 所示。 它们的功能分别如下：（1）信息采集系统 信息采集系统包括 RFID 电子标签（tag ） 、二维码、阅读器（Reader）以及数据交换和管理系统软件，主要完成产品的识别和产品的 EPC（Electronic Product Code）码的采集和处理。图 1 物联网系统结构（2）产品命名服务器（ONS） 产品命名服务器ONS（ Object Name Service） 主要实现的功能是在各个信息采集点与 PML 信息服务器之间建立关联，实现从物品电子标签 EPC 码到产品 PML 描述信息之间的映射。
8、（3）PML 信息服务器 PML（ Physical Markup Language，实体描述语言）信息服务器中的数据定义规则由用户创建并维护，用户根据事先规定的规则对物品进行编码，并利用 XML对物品信息进行详细描述。在物联网中，PML 服务器主要用于以通用的模式提供对物品原始信息的规则定义，以便于其他服务器访问。（4）业务管理系统 业务管理系统通过获取信息采集软件得到的 EPC 信息， 并通过 ONS 找到物品的 PML 信息服务器，从而可以以 Web 的形式向 Internet 用户提供诸如信息查询、跟踪等功能，用户也可以通过手机或无线 PDA 实时了解物品的状态。（三）物联网与食品安全
9、的关系物联网作为新兴的物品信息网络，为实现供应链中物品自动化的跟踪和追溯提供了基础平台。在物流供应链中对物品进行跟踪和追溯对于实现高效的物流管理和商业运作具有重要的意义。随着物联网的发展，其技术也被广泛应用到食品生产、流通、监管、检测、回溯的各个环节中，目前大多食品生产企业一直打着绿色食品的旗号，但消费者并不能看到食品是否是真正的绿色食品。而利用物联网，消费者可以通过应用安装在厨房中的点菜机，把所需的食品信息发送给生产厂家，厂家会把最新鲜的食品送上门；食品送到家后，消费者可以通过上网查询食品包装上的条码，就能了解这件食品从种子到采摘的全过程。应用了物联网技术之后，可以提供绿色食品的网上在线订购
10、，这样可以及时的将绿色食品送到消费者手中，保证了食品的新鲜程度，同时使消费者能上网通过商品条码查询，了解所购买的食品生产的全过程，保证绿色有机不掺假，让消费者买的放心。同时，应用基于物联网的追溯技术，每个食品上都贴上二维码，不管食品卖到哪里，消费者都可以查到食品的来源、施肥及用药情况，让消费者明明白白消费。食品生产企业可以实时监测食品生产馆内的空气及土地的温度、湿度以及气压、二氧化碳浓度等与种植息息相关的数据。不仅如此，厅内何时通风、食品何时浇水、遮阳网如何打开等这些此前很多需要管理人员完成的工作， 现在安装了物联网传感器和网络后，这些工作由可以自动由安装在网络中的相应设置来完成。（四）物联网
11、在食品安全领域应用的相关技术及研究现状物联网在食品安全领域应用的相关技术方面，国内目前在无线传感器网络的软件方面也取得了相应的突破，在基于国外的操作系统之上，开发自己的中间件软件。如南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动代理的无线传感器网络中间件平台，深圳联合科技有限公司开发的无线传感器网络开发套件。国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。在这方面，国内的南京邮电大学、清华大学、北京邮电大学等都取得了一些相关的理论研究成果。在国外， 美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校的 CENS
12、 （Center for Embedded Networked Sensing）实验室、 WINS（Wireless Integrated Network Sensors）实验室和 IRL（Internet Research Lab） 2等。二、物联网技术在农业生产领域的应用农业生产的一个目的是为人类提供充足而安全的食物。现阶段我国由于耕地的逐渐减少， 提高种植养殖业的生产效率极其重要， 如何用世界上 7%的耕地面积来养活世界上 23%的人口始终是一个严峻的课题。我国的农业生产目前还处于一种人力、畜力、机械混合型的粗放式运作模式， 生产效率不高。造成这种情况的原因比较复杂， 但重要的一点是由于
13、对农业生产环境参数不能做到精细采集，甚至不采集，或者不能根据这些参数有效地指导农业生产活动，这必然造成农业投入产出比较低。物联网的一个重要功能就是可以进行大量的、广域的农林参数采集，在以前无线传感器网络（WSN）的基础上更进一步提升其性能。物联网推出以后，会催生出大量价格适中的传感器和相关的微处理器，在数据传输时，可以借助于商用无线网络。在软件方面，大量的中间件会使传感器和网络的对接更加方便，而与物联网相关的网络协议一旦成熟，就会使搭建一个农业参数采集的网络和搭建现在常见的局域网一样简单可行3。另外，借助于云计算的处理模式， 可以把采集来的各种重要数据导入数据库，再通过专家系统对重要的数据进行
14、处理，可以得到趋势性的结论来指导农业生产。综合以上分析，可知物联网将成为实现“精细农业” 的重要推动技术之一4。（一）物联网技术在现代养殖业中的应用由于现代养殖都大规模化,畜禽养殖的数量也比较大, 仅仅靠人工标志和识别工作量大、难度高、效率低,不能满足管理要求。物联网中的 RFID 技术作为一种非接触的快速识别技术, 正越来越广泛地应用于现代养殖业中。2003 年,我国“863”数字农业项目中首次列入了数字养殖研究课题,一套基于远距离系统的 RFID 牛个体识别系统已经进入了实用阶段。该系统采用项圈式的应答器,挂在牛颈上, 当牛通过系统的自动称重车时,系统中的阅读器将自动读取牛的唯一编号并通过
15、压力传感器完成称重过程。将这两个一一对应的数据(编号- 体重)连同采集时间一起通过无线局域网发送到养殖场的上位服务器,为数字化养殖平台提供了重要的实时数据5 。Parsons J.等 6 对Colo2rado 的羊安装电子标签,运用物联网技术提高了羊群管理效率。曹永军等 7在 2008 年就基于物联网系统 RFID 技术的鸸鹋养殖管理信息平台进行了研究与应用。鸸鹋养殖场在当时一般采用人工粗放养殖方式,缺乏统一的养殖管理信息平台,从而影响了企业的管理效率。建立物联网系统,将 RFID 技术用做鸸鹋的个体标识, 为鸸鹋设计专用的 RF ID 标签,并结合无线传感网络、手持移动设备和 PC 机数据库
16、技术等构建 RFID 鸸鹋养殖管理信息系统,实现鸸鹋数据的有效追溯和数据及业务的共享,从而给企业带来较好的经济效益和社会效益。谢琪等 8 在 2009 年设计并实现了基于 RFID 的养猪管理与监控系统。该系统主要针对猪繁殖工作流程的规范化,依靠 RF ID 技术的 ID 唯一标志功能把猪的管理转变为对 ID 号的管理。系统能自动、准确地识别出每一头猪,并从数据库中读取猪的资料提供给工作人员,使工作人员能按照特定的任务执行相应的操作,从而保证了每一次数据的获取都是合理正确的, 减少了人为误操作。同年耿丽微等9 就当时的奶业所存在的养殖规模较小、单产水平低、管理技术落后、饲料单一、牛群血缘不清,
17、以及由此导致动物产品安全无法得到有效地保证的问题,提出并建立了一种基于无线射频识别技术的奶牛的身份识别系统。该系统通过采用瘤胃式动物电子标识来为每头奶牛建立一个永久性的数码档案,实行一畜一标,并通过采用 RFID 技术以及单片机与 PC 机的通信技术对存储奶牛信息的电子标签进行远距离识别,从而及时地实现对每头奶牛的监控与管理。研究结果表明, RFID 系统读卡器的识读率为 100% ,该方法实现了对奶牛生产养殖的数字化管理。（二）物联网技术在现代种植业中的应用物联网科技在农作物生长中可以实现监视灌溉情况、土壤空气变更以及大面积的地表监测,收集温度、湿度、风力、大气、降雨量和有关土地的湿度、氮浓
18、缩量和土壤 pH 值等信息,从而进行科学预测, 帮助农民抗灾、减灾,科学种植, 提高农业综合效益。2007 年, 位于美国加州 Oxnard 的草莓培育商安装一套物联网系统, 实时追踪植物的生长状况。该系统还可以根据空气和土壤的状况,自动触发相关行为, 如浇水或调节温度。这套系统由 Climate Minder 开发, 目的是帮助培育商更好地管理植物的生长情况,这套系统自该公司 2007 年发布以来,已被土耳其 200 家多温室和苗圃所采用。此外,该系统还在土耳其的鸡场、烟草存储厂和冷藏仓库使用 10 。中国 Zhang Qian11等运用了物联网中的无线传感技术提出了温室检测和控制系统方案,
19、该方案促进了中国设施农业的发展。杜晓明等12针对传统温室农作物数据采集系统存在的问题,也提出了一种使用无线传感器网络技术组建农业温室监控系统的设计方案,实现了作物生长环境的无线监控,解决了传统温室农业布线的繁琐性和局限性, 为提高温室环境信息管理自动化程度和设施农业种植决策提供了依据。邴志刚等13 对作物精准灌溉的传感器网络进行了研究,其运用 RFID 相关技术设计了智能灌溉支架,便于传感器网络节点部署、网络拓扑动态调整和网络管理以适应不同作物和作物不同生长阶段。对该系统进行了实验,表明了其合理性和实用性。Ampatzidis Y. G. 和Vouqioukas S. G. 14将 RFID
20、技术应用于检测果树的信息 ,从而分析果子的生长状况。Bowman K. D. 15则具体提出了在柑橘树中植入射频芯片,该芯片可以采集和存储柑橘树的信息。Hamrita T. K. 和 Hoffacker E. C. 16 开发出土壤性质监测系统,运用了 RFID 和无线传感器技术,实现了对土壤温度、湿度等的实时监测, 对后续植物的生长状况提供研究的依据。2010 年,孙慧远等 17 探讨了基于RFID 技术的植物电信号数据采集系统的设计, 研究表明其设计的系统具有可行性,对实时监测植物生长情况和环境变化具有积极意义。三、物联网技术在食品生产领域的应用食品业是典型的流程型制造业,其特点是生产产品不能逆转, 产品安全管理包括生产、加工、储存、运输和销售等环节,每一个环节都有可能出现食品安全问题。因此,农产品安全信息化已经成为食品安全监管工作中不可或缺的部分。物联网技术目前应经在食品安全管理中得到广泛的应用。如果发现农产品质量有问题,能够利用 RFID技术快速地反应、追本溯源,确定问题所在,有效地控制产品质量安全
