基于物联网及DNA识别技术的牛肉溯源系统的研究

0引 言

进入 21 世纪以来，国内外越来越多的食品安全问题暴露在公众面前，例如瘦肉精、染色馒头、皮革酸奶、新西兰肉毒杆菌奶粉、马肉风波、三鹿奶粉、地沟油等事件。国外许多国家为应对食品安全问题，纷纷颁布了法律法规。欧盟管理法规 No.178 ／ 2002 要求从 2005 年 1 月起在欧盟范围内销售的所有肉类食品都能进行追踪和追溯，否则不能上市销售[1] ；美国农业部运用无线射频识别（RFID）、条码识别等电子标识，建立国家动物个体鉴别系统，能快速追溯到动物的源头 [2] ； 澳大利亚建立国家牲畜标识系统，该系统可以对动物个体从出生到最后屠宰的全过程进行追踪[3]。

为摆脱国内食品安全问题的困扰，提升国内食品安全管理，物联网技术开始被应用到食品溯源系统中。在物联网溯源系统中，将生物技术和现代信息技术相结合，对食品的生产、加工、运输、销售等过程加以识别、追踪，锁定食品在每个环节中的实时信息，避免食品出现问题时，不能明确追责和管理混乱的局面产生。鉴于物联网食品溯源系统的诸多优点，文中设计了基于物联网及DNA 识别技术的牛肉溯源系统，监管部门利用该系统对牛肉的生产、加工、运输、销售等环节进行管理和规范，从源头和细节上防范食品安全问题的出现。

1 安全溯源系统的关键技术 

DNA 作为遗传物质，具有较好的唯一性和不变性 [4]。在 溯源系统中，将牛的 DNA 经过特征处理后，将得到的 DNA 编码上传 DNA 中央编码数据库，同时将中央服务器中的牛的 溯源信息与其 DNA 编码关联到一起，并将 DNA 编码存储于 RFID 标签或二维码中，贴在分割肉块包装上，通过手机或扫 描器扫描 RFID 标签或二维码就能获得分割肉块与肉牛个体 的衔接信息，这样就能解决传统动物个体识别系统中信息被 篡改和个体识别缓慢的问题。基于 DNA 识别技术的牛肉溯源 系统可以划分为标识、感知、传送和信息处理四个环节，各 环节的关键技术分别为 DNA 识别、RFID 标签、智能传感器、 智能芯片和互联网网络等现代信息技术。

从物联网功能架构上来看，物联网可细分为五层，即感 知层、接入层、网络层、支撑层和应用层 [5]，如图 1 所示。 

（1）感知层负责采集外部数据，例如 RFID及其阅读器、 二维码及其扫描器、各种传感器等。 

（2）接入层主要将感知层采集到的信息上传到远程网络， 主要包括 WiFi、有线网、ZigBee 等短距离传输网络。 

（3）网络层负责数据远程传输，例如互联网、3G／4G 移动网络等远程网络。 

（4）支撑层主要对传输的数据进行储存和处理，为应用 层工作做准备。 

（5）应用层将上一层传输过来的数据经过各种应用软件 处理挖掘之后呈现给用户，这样可以对被控对象进行科学规 划和管理。

2 物联网牛肉溯源系统结构分析 

2.1 牛肉产业链结构 

在我国，牛肉产业链工序繁琐、检疫部门多重、产品品 种多样、销售渠道广泛，一般要经过育种养殖、屠宰加工、 批发零售等环节，因此，在复杂环境下完成肉牛的 DNA 采集 与编码设计、数据传输、物流追踪等环节是物联网牛肉溯源 系统实现的关键。 

产业链结构如图 2 所示，它主要由育种、养殖、屠宰加工、 销售等主要环节组成。根据市场需求选择优良品种是科学养 殖的第一步，也是企业创造价值的关键，所以育种信息也是溯 源的要求之一。在后续的养殖过程中，要把肉牛不同生长阶段 的基本体征、喂养的饲料、注射的疫苗、检疫等基本信息上 传中央服务器。当牛育肥之后，就要送到屠宰场宰杀，然后送 到肉类加工厂加工包装。在加工阶段，监管部门需要做好牛肉 的质量检疫，严格按照食品安全法规规范整条产业链。检疫 合格后进行包装，根据市场二维码或 RFID 的制作协议，制 作二维码或 RFID 电子标签，贴在包装好的产品上，直至销售 送到消费者手中。制作的二维码或 RFID 电子标签嵌入了牛的 DNA 编码信息，它将作为区分牛身份的唯一验证，也是能否 精确溯源的关键。

2.2 物联网牛肉溯源系统的结构 

牛肉安全溯源系统能自动识别肉牛个体及其关联信息，食 品监管部门利用它监控和记录养殖、加工、包装、检疫、运 输等关键环节的信息，并把这些信息通过互联网在电脑、手 机上呈现给消费者。

牛肉产业链溯源系统结构如图 3 所示。溯源系统的主要 环节包括养殖、屠宰加工、运输、销售四个环节。在牛的养 殖过程中，养殖户需要把每头牛的 DNA 编码、产地、品种、 体重、防疫措施、饲料供应等各种基本信息上传中央服务器。 加工过程也需要把牛的加工措施、检疫结果、各分割肉块与 所属肉牛的关联关系等信息上传到中央服务器。在运输过程中， 物流信息通过扫描车载 RFID 电子标签，把物流信息通过物 流服务器上传中央服务器。产品包装时，把每块牛肉所属肉牛 DNA 编码嵌入到二维码或电子标签中，并通过打印机打印出 来，贴在包装上，消费者扫描二维码或者电子标签就可以访问 中央服务器，了解购买的分割肉块所属的肉牛个体信息。

3 DNA 识别技术在牛肉溯源系统中的应用 

每头牛都有独一无二的 DNA 排序，将动物 DNA 识别技 术引入到牛肉溯源系统中，用牛的 DNA 编码信息代替传统的 耳标编码来识别牛的个体身份，从而构造了一个新的肉牛身份 识别模块 [6]。DNA 测序技术又称基因测序技术，即测定 DNA 分子中胸腺嘧啶 (T)、腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤的 (G) 与胞嘧啶 (C) 这些碱基的排列方式。碱基对之间因为有氢键作用，其配对 方式必须遵循碱基互补配对原则。

DNA 密码以一系列三联体形式存在于 DNA 分子中， DNA 分子中相邻排列的三个碱基就形成一个三联体密码，一 系列三联体密码构成 DNA 密码，DNA三联体密码如 4 图所示。 提取 DNA 的目的在于从动物细胞 DNA 中测出碱基对排列顺 序，得出一系列 DNA三联体密码，这样就可以通过 DNA 编 码的互异性来识别不同个体。

图5所示是DNA识别技术在牛肉溯源系统中应用流程图。 在养殖阶段，采集肉牛的 DNA 并将其处理，得到 DNA三联 体密码，然后将提取的一系列 DNA三联体密码做特征信息处 理，得到 DNA 编码，并将 DNA 编码上传数据库注册，同时 把 DNA 编码与中央服务器里每头肉牛的养殖、屠宰、加工、 包装、配送等环节的相关信息进行关联，并制作成二维码或 者电子标签，贴到产品包装上。当肉类食品出现安全问题时， 可以扫描牛肉产品包装上嵌有DNA编码的二维码或电子标签， 直接访问 DNA 编码中央数据库，找到发生食品安全问题的肉牛个体，然后与中央数据库的溯源信息衔接，此举可以通过 DNA 编码中央数据库和中央数据库快速查找到安全问题产生 的环节，节约了大量时间。

4 溯源系统中存在的主要问题 

提出基于物联网及 DNA 识别技术的牛肉溯源系统的解决 方案，希望通过研究能够提高牛肉类食品的安全性，发展物联 网与生物技术在食品安全方面的应用，提升出口肉类食品的国 际竞争力 [7]。但由于技术发展的瓶颈，还有诸多问题需要解决。

首先，DNA 识别技术是一项高成本投入技术，在现阶段 做一项基因测序往往要花费数千元，在养殖规模很大的情况下， 要求每头牛都做基因测序是一项不菲的投入，所以很难在现 阶段大规模推广应用 [8]。但随着科学技术的不断发展，DNA 测序技术的成本将不会是制约这项溯源系统应用的主要因素。

其次，整个产业链提供的溯源信息的可信性也是制约溯 源结果可靠与否的重要因素。因此，监管部门需要严格监督产 业链每个环节提供的信息是否可靠，只有这些关联信息真实 可靠才能保证溯源成功。

5 结 语

利用物联网技术可以实时可靠的将牛肉的溯源信息反馈 给消费者和市场管理部门，基于其诸多优点，构建基于物联 网及 DNA 识别技术的牛肉溯源系统。方案将 DNA 识别技术 与其他现代信息技术结合运用，使溯源可以从产业链源头开始， 让整个溯源过程变得更加快捷、透明，使牛肉市场得到更好 的管理和规范，从而提高了养殖企业的市场竞争力和自身价值， 增强了消费者的消费信心。因此，该系统的研究和使用，将会 给企业和社会带来巨大的经济效益和社会效益。