物联网关键技术在食品溯源中的研究与应用

引言

食品是人类赖以生存和发展的物质基础，食品安全关系到每一个人的身体健康，是追求社会稳定的一个重大社会问题。然而，近些年，“毒奶粉”，“地沟油”等食品安全问题频频发生，如何对食品生产、销售等环节进行有效地监督和控制,保证食品安全，已经成为整个社会共同面临的重大课题。

物联网是Internet的进一步发展，可以把各种物品通过网络连接起来，以方便人们随时随地查看物品的各种信息，也可以对物品的来源、流通环节进行监督。因此，本文将物联网中的RFID、ZigBee无线传感器网络和Web服务器等关键技术运用到食品的采购、生产、加工、存储和销售等环节，从而建立一个食品安全回溯系统，为食品安全信息回溯和食品确证提供最佳的解决方案。

1食品安全和物联网

1.1食品的溯源与确证

所谓食品溯源，是指在食品链的所有阶段追溯食品信息和记录、跟踪、定位一种食品、饲料、食用动物或物质的能力。食品链又称饲料和食品链，ISO22000定义为：从初级生产到消费的各个环节和流程的顺序，涉及食品辅料的生产、加工、分销、储存和处理。食品确证就是消费者购买的食品与其商标或生产说明的一致性，可用于证明食品的安全性。

1.2物联网

物联网(InternetofThings)是通过射频识别、传感设备、红外感应器、条形码二维码、全球定位系统、激光扫描设备等信息，按照预定的协议，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。

普遍认为，物联网技术分为三个层面：感知层、网络层和应用层。感知层主要依靠射频（RFID）识别技术、条形码技术以及各种传感器来检测与存储食品在整个食品链中的流动信息（比如各类食品的标识码、食品生产过程的环境参数等）；感知层主要通过网络层（如BlueTooth、Wi-Fi、3G、GPRS、ZigBee等无线传感器网络以及TCP/IP协议等）将食品的各种数据传输到远程的信息平台，并保存到信息平台的数据库中；应用层主要为食品安全管理部门和消费者提供各种食品监测信息的查询和监督。

2物联网关键技术

2.1射频识别技术

RFID射频识别技术目前已经应用于食品原料的生产、加工和运输等环节，带有EEPROM和唯一ID号的射频标签可以标识每一种食品原料的信息，便于记录食品链中的各种生产信息。因而可以实现食品及相关信息的追踪和回溯与整个食品生产经营活动的有效监控。

利用RFID技术，可以从食品的原材料生产、加工、购买到产品销售阶段都配备电子标签，同时利用全球统一的物品编码技术为每一个食品确定唯一的ID号，再利用射频识别技术读取或写入食品过程信息，同时利用无线传输技术将食品链中的全部信息及时发布到网络管理平台。RFID系统主要由电子标签（Tag）、标签阅读器、天线和数据库等模块组成，图1所示是一个RFID统统的结构示意图。

图1  RFID统统结构示意图

当装有电子标签的食品或者原材料进入到读写器天线的能量场后，读写器可以按照规定的读写协议和加密方式读取标签上的农药残留、其他来源的化学污染物、生物毒素和食品添加剂、饲料添加剂以及各个环节的生产环境参数等信息,并且将这些信息上传到服务器并更新到数据库，同时接受来自服务器的数据写入请求，将食品当前的加工和环境信息写入到电子标签。

2.2无线传感器网络

目前主要存在的无线通信技术有BlueTooth、CDMA、WCDMA、3G、GPRS、Wi-Fi、ZigBee等。其中Bluetooth的通信距离比较短；CDMA、WCDMA、3G和GPRS的成本相对较高，且需要依赖基站；Wi-Fi的功耗较高。这些无线通信技术都不大适合检测食品加工环境参数的无线传输。

因此，本文选择ZigBee作为网络传输方式。分布在加工环境中的温湿度、酸碱度等智能传感器通常由采集电路、ZigBee芯片CC2530为核心的控制传输电路、天线三部分组成。CC2530可将采集的数据通过ZigBee网络传输到汇聚节点,也称网关，就是前面所说的管理平台。最后由管理平台的客户端程序保存到后台数据库。图2所示为ZigBee组网示意图。

图2ZigBee网状网

在食品的生产阶段，将环境温度、湿度、氧气含量、压力等各种参数传感器节点与邻近的路由节点绑定，可将传感器数据通过路由器单跳或多跳传到协调器节点。路由器除了路由功能外，本身也具有传感器节点的数据采集功能。

ZigBee无线通信技术可以在中短距离实现网状自组网,以有效防止网络个别设备节点故障弓起的部分甚至全部通信中断，并且不产生任何数据通信费用。

2.3Web服务器技术

每一个食品加工企业都有一个唯一的固定网络IP地址,通过网络地址翻译可使得Internet用户和其他普通用户通过公网进入食品加工企业的局域网。在企业的管理平台上建立Web服务器，实现数据的远程访问，也可以授权相关管理部门下载历史数据的统计、报表，其他部门也可以查询相关数据。数据中心采用浏览器/服务器（B/S）工作模式，可使用户通过浏览器实时查看数据，而无需安装任何客户端软件。图3所示是客户端与服务器之间的通信流程。

3在食用动物食品加工中的应用

动物食品溯源一般分为五个阶段：牲畜家禽养殖阶段、屠宰阶段、分割初加工包装阶段、市场销售阶段和消费及管理者对于食品的信息回溯阶段。

牲畜家禽养殖阶段：每一头牲畜家禽均装有RFID耳钉或脚环，当牲畜家禽靠近养殖场安装的读写器时，读写器就会自动获取其生长状况、健康状况等信息，并及时将此生长环境信息更新到标签和本地服务器。养殖场管理员将防疫情况、饲料添加剂等信息对应个体的ID号录入到本地服务器。

屠宰阶段：自动将屠宰人员的个人信息、屠宰牲畜家禽的批次信息、屠宰环境和卫生防疫等信息更新到本地数据库。

分割初加工包装阶段：在此阶段，系统将产生一个新的ID号与每一个包装对应，同时生成产品名牌、商标、检疫等

信息并对应数据库中的相应信息。

市场销售阶段：食品溯源时，可打印一张纸质条码标签,上附产品的商标、生产日期、批次、生产厂家等信息。条码与前面几个阶段的产品电子标号相对应。

食品的信息回溯阶段：通过激光扫描器扫描食品条码标签上的条码，以查询和确证食品的各种信息。

图4所示为食用动物溯源系统结构图。

4物联网在食品溯源中的应用前景

4.1电子标签的成本高

实现电子标签对食品信息的全面跟踪，必须安装大量读写器并且要求分布式安装，从而建立庞大的信息数据处理管理系统，这必然导致大量的资金投入。在所有食品中嵌入电子标签将直接导致食品成本上升，这会在某种程度上限制物联网技术在食品工业中的应用。

4.2通信协议众多

目前可用于物联网的通信协议很多，比如GPS、ZigBee、短距离通信(NFC)、Wi-Fi、BlueTooth、6L0WPAN、EnOcean、ISA100、WirelessHART、超宽频(UltraWideBand)、WiMedia、DECT、无线1394和专用无线系统等等，如何有效整合各种协议或者进行有效兼容，是物联网技术在食品工业应用中不可避免的问题。

5结语

RFID、ZigBee以及Web服务器等物联网关键技术在食品溯源系统的应用为完善食品溯源体系提供了最佳的解决方案，同时也提高了管理人员的工作效率，保证了消费者购买食品的安全性和食品信息的真实性，因而具有广阔的应用前景。但是，作为一种新技术，利用物联网来构建食品溯源信息管理体系，同样面临着难得的机遇和不小的挑战。

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