食品溯源物联网系统的实现

摘要：本项目从食品的生产源头开始，对每一具体食品经过哪一工序，通过哪一环节到了消费者手中，都能查询到详细记录。本项目基于物联网、移动互联网等技术，充分应用了RFID的最新成果，软件系统基于S2SH框架来实现。运用数据挖掘技术对企业决策进行指导。应用中，该系统较好地实现了设计要求。
关键词：食品溯源；物联网；Java EE；射频识别

0 引言
    食品安全关系到人民群众的生命安全和身体健康，同时也关系到国家经济的健康发展以及长治久安的大局。这个问题不仅是百姓每天关注的问题，也是政府关注的问题，同时也是合法守信企业进行食品生产所关注的问题。国家对所有食品生产企业实行食品质量安全市场准入制度，要求企业对出厂合格食品加贴QS标志，对食品安全进行承诺。这一方法虽取得了一些成效，但是随着三鹿奶粉事件等一系列的食品安全事件的发生，发现这一方法并不能约束企业合法生产，不能打消人们对食品安全的顾虑。
    从食品的生产源头开始，每一具体食品经过哪一工序，通过哪一环节到了消费者手中，都能查询到，这样无疑能打消消费者的顾虑，使得监管部门能有效地监督生产、流通和销售，同时也给所有食品生产企业提供了一个公平竞争的商务平台。
    食品溯源问题存在的问题表现在：在整个食品生产供应链中，标准不统一。支持食品溯源系统的物联网电子设备还不够成熟，价格偏高，但随着各项技术的逐步成熟，会逐步使实验方案更加完善。国内有相关的产品，但大都停留在食品一般性的验证真伪上，在食品溯源链上开发不够。根据食品溯源问题的技术需求，系统设计一方面要考虑到食品生产和食品运输的真实情况，另一方面要考虑企业管理者、监管机构以及消费者的实际需求。整个系统以生产链条为主线，引入了二维码、电子标签等信息化手段，采用CS／S和B／S构架。系统包含了：原始信息采集、仓储入库和出库管理、二次加工后产品信息采集、零售系统开发和溯源查询、基于android系统的手机查询平台、基于Web数据库的分布式开发以及食品监管应用开发等模块。

1 无线射频技术原理
    RFID又称为电子标签，作为一种非接触式的自动识别和数据采集技术，它是当前最先进的自动识别技术。RFID可以准确远距离识别高速运动的货物，并能同时识别多个标签，能大大提高工作效率。相比于一些常用的识别技术，如：条形码、磁卡、IC卡，RFID卡信息载体较小、成本低、承载信息量大、可通过无线方式进行读写操作、保密性好、抗干扰能力强、并且寿命较长，是实现物品管理信息化的理想数据采集媒介。
    RFID是一个简单的无线系统，由电子标签、阅读器和天线三部分构成。标签部分是一个做识别用的部分，由供电方式可分为有源标签、无源标签和半有源标签三种。阅读器主要由控制模块和射频模块组成。天线是阅读器和标签信号和能量传递的中介，负责以一定的辐射范围和角度向外发送和接收电磁信号。阅读器和标签的所有操作都由软件系统来完成。在应用中，软件部分向阅读器发出指令，阅读器响应这些指令，按照指令完成阅读器参数的设定，并实现阅读器与软件之间的数据交互。
    随着物联网技术的发展，RFID技术会在一些传统行业如：物流、零售、制造业、交通、医疗等领域发挥出它独特的优势，带来这些领域的技术更新。
    物联网技术的蓬勃发展，为解决食品溯源问题提供了技术和基础设施的支持。当前，作为物联网基石之一的RFID技术有了长足的发展，随着移动宽带网络的日益普及，RFID与互联网、电子商务结合也是必然趋势。RFID系统的引入使食品供应链的透明度大大提高，我们开发的食品溯源系统将在此基础上逐步发展起来。

2 Struts2+Soring+hibernate构架
    基于B／S结构的网络开发是当前的主流方法。基于S2SH框架的Java EE轻量级开发是当前Web开发中较为流行的解决方案。它是一个开源的框架，具有三层MVC结构，层次非常清晰，便于开发，S2SH成为当前Java EE开发的行业标准。
    Struts2框架采用MVC模式，只需对Struts．xml文件进行配置就能实现视图、控制和模型各组件之间的松耦合，为系统升级和维护带来了方便。Struts2在创建Web应用程序时能很容易分离表示层和业务数据层，系统性能得以大大提升。Struts2主要用于实现用户交互功能，而Hibernate则主要用于实现系统的持久化。因为有了Hibernate的支持，使得Java EE开发专注于进行面向对象的分析、设计和开发。Spring用于Jave EE的各层解决方案，而不是仅仅专注于某一层的方案，Spring贯穿于表现层、业务层和持久层，它使用基本JavaBean来完成以前只可能由EJB完成的事情。

3 系统设计
3．1 系统结构
    本文给出一个完整的系统构成结构图，如图1所示。

3．2 RFID原始信息采集系统设计方法
    在食品生产的初级环节，比如种猪，配置相应的电子标签，记录其编号、品种、饲料的品牌、出生日期、产地编码、使用药物情况、出栏日期、出售价格等信息，同时将相应数据发送到本地数据库系统。读卡器读取电子标签的信息，不断收到一连串的EPC码，系统中一个重要的环节就是传送和管理这些数据。将通过后端的中问件系统进行后续处理，并通过C／S方式传送并保存到当地的Web数据库中。RFID系统框架分为阅读器和电子标签以及相应的与计算机通信的中间件系统。系统同时提供基于RFID读卡器或手持机通过无线网络的方式将数据传递给Web数据库的数据交换方式。
3．3 仓储入库和出库管理系统和二次加工后的产品信息采集
    食品所经历的流通领域也是食品溯源系统的主要环节之一。RFID技术扫描迅速、读取方便、数据容量大、使用寿命长、安全、体积小型化、形状多样化。在软件支持下，并不需要对单个进行扫描，一一入库。为此开发一个入库管理模块，如图1所示，将按照原始食品的电子标签进行批量入库，系统采用C／S框架，以串口数据传递给当地的Web数据库，并记录物品存放地点和存放方式。出库采用跟入库相同的技术实现。当食品进入下一个生产环节后，将原料信息进行采集，有的可直接从RFID上读取，有的则需要从上一级Web数据库中读取。生产的下一级产品被赋予新的RFID号，将相关数据计入电子标签和Web数据库，并记录上一级的Web地址。后一级依然包含了仓储管理系统。
3．4 零售系统开发
    食品在物流和仓储时是整箱大包装的，上架前需要拆箱，由于每个食品包装上都有RFID标签，所以拆箱后可以随意摆放。用户只需用智能手机对RFID标签进行扫描，就可以通过GPRS访问到此食品的来源。有的企业考虑成本的原因，到用户零售环节可能会选择二维码，手机可以通过二维位码扫描访问相关的Web服务器，查询到这件商品的来源，其中涉及到商品编码向二维码的转换研究。二维码的编码具有密度高、信息容量大、编码范围广、容错能力强、译码可靠性高、成本低、易于制作、条码符号形状以及尺寸大小比例可变等特点，适合于智能手机进行读取。一般而言，食品是不允许退货的，但也有一些特殊的退货情形，这就要求在当退回食品经过某种处理后，相关信息也将被调整，并通过系统对数据库进行相应的调整。在设计中，实现基于android系统的手机查询平台。3G智能手机扫描识别RFID标签，进行远端服务器的访问。GPRS可以在任何时间、任何地点使手机处于连接状态，其传输数据速率10倍于GSM，而且实现了分组发送和接收，并按流量收费，是一种非常理想的通信方式。
3．5 行政监管系统
    开发和研究针对食品安全进行事故溯源处理和应急响应，对过期食品进行行政监管。纳入食品溯源的食品，若没有电子标签或二维码将禁止在正规渠道进行销售，若某一商品在其下游节点查不到其母节点，其销售将是非法的，零售商也不可能随意修改其生产日期，一旦有过期食品，监管部门将勒令其下架。若在销售中发现有质量问题的食品，可以很容易追溯到上游生产厂家，并对其流通渠道很方便地进行控制，以快速将损失降到最低。在系统的运行过程中形成大量数据，利用这些数据对食品链上的生产、运输和零售企业都有很好的指导作用。
本系统能够为企业提供商品销售预测，哪种食品在哪个商店需求量大，需求档次等等，以及价格跟踪等服务，为企业进行成本核算提供了必要依据。同时有利于物价监管部门对食品价格进行必要的监督。通过分析不同人群的购物习惯，合理利用库存资源，优化库存结构。同时通过数据挖掘技术，把大量的客户分成不同的类，每个类里的客户具有相似的属性，不同类别的客户属性各不相同，这样企业可以针对不同类别的客户提供不同的有针对性的产品和服务，来提高用户的满意度。

4 结语
    食品安全是关系人民身体健康和国家长治久安的大问题，针对食品生产、销售和监管方面的难题，本文采用了基于RFID的物联网技术来实现食品溯源系统。系统充分考虑了食品溯源在我国实施的具体情况，解决了一系列难题，实现了一个基于S2SH框架的Web系统，充分利用智能手机和无线通信技术，较好地实现了设计要求。