物联网环境下农产品冷链监测与溯源平台的研究_追溯系统论文

物联网环境下农产品冷链监控与追溯平台研究，本文主要内容关键词为：农产品论文,环境论文,冷链论文,平台论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      中图分类号：F252.24 文献标识码：A 文章编号：1671-816X(2015)05-0485-06

      近年来，随着全社会对农产品保鲜度和质量安全等要求的不断提高，对加快发展农产品冷链物流提出了更高的要求。然而目前冷链市场存在经营规模小、冷链流通率低、产品损耗大、运作成本高、物流技术落后、基础设施薄弱，质量监管不力等问题。[1]农产品质量安全直接关系到人民群众的健康和生活质量，近期的顶新“黑心油”、麦当劳腐肉、昆明毒米线等事件，暴露出农产品安全监管还存在许多问题。另外，冷链流通率低直接影响了冷链运作的成本和产品的质量。因此，有必要建立农产品冷链流通环节的安全监控以及追溯体系，以保障冷链过程的安全、高效和透明。国家发改委2010年发布的《农产品冷链物流规划》也强调把冷链物流全程监控和追溯系统工程作为重点工程之一。[2]

      目前已有不少学者致力于冷链产品监控和追溯方面的研究，提出了很多有效的监控、追溯方案，设计实现了针对具体需求的监控或追溯系统。颜波等针对水产品流通过程的全程追溯需求，从供应链角度，以罗非鱼为研究对象，设计并开发了基于RFID和EPC物联网的水产品供应链可追溯平台。[3]齐林等以ZigBee协议为基础，围绕CC2530型无线传感片上系统，设计了基于无线传感网络(WSN)的水产品冷链物流实时监控系统。[4]赵丽等针对农产品质量安全追溯成本高、便携性差等问题，设计了基于手机二维条码识别的农产品质量安全追溯系统。[5]刁海亭等以蔬菜为研究对象，借助WebGIS、物联网、条码识别等多种现代信息技术，探索了基于现代信息技术的蔬菜安全预警与追溯平台建设。[6]

      可以看到，当前针对农产品冷链监控和追溯的研究主要集中在冷链技术应用以及借助现代信息技术如RFID、条码技术、WSN、GPS、WebGIS等构建监控和追溯系统方面，而这些技术应用大多是在物联网环境下的应用，因此本文主要从物联网环境下的农产品冷链物流监控与追溯平台的总体结构、主要功能和关键技术方面进行一些研究和探索，并提出一些关于平台建设和发展方面的建议。

      一、冷链监控与追溯平台构建

      (一)冷链监控与追溯方案设计

      农产品供应链一般包括生产者、产地批发市场、加工企业、物流服务商、销地批发市场、经销商或分销商以及消费者等主体，而冷链物流系统主要包括冷链加工、低温贮藏、低温运输和配送以及冷链销售四个环节。[7]图1为冷链物流的一般运作模式。

      

      图1 一般冷链运作模式

      要实现冷链的全程监控就必须对冷链各个流通环节进行实时信息采集和实时信息监控，保证冷链无缝对接，并上传冷链流通环节的重要信息至服务器，保证冷链追溯的有效性。而冷链监控与追溯的实现离不开现代信息技术的支撑，尤其是物联网技术。

      国际电信联盟(ITU)发布的ITU互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，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。[8]冷链物流流通环节存在多种不确定因素对农产品品质造成影响，而物联网及其技术的引入会有效地监控、稳定这些因素的变化，并使得溯源过程更加便捷和高效。

      该监控与追溯平台方案主要是结合RFID技术与EPC技术实现农产品的编码标识和信息存储，利用WSN技术实现产品及其环境的数据采集和监测，同时基于无线通信技术GPRS等进行数据的接收和发送，将温湿度等环境信息监控数据通过无线信号发送到监控中心，监控中心对传过来的数据进行分析，按照冷链专业标准设定监控数据范围，如果数据超过安全控制范围，则会发出警报或者发送相关指令给设备操作人员启动相关设备等。同时利用全球定位系统GPS对运输车辆进行定位和跟踪，利用网络地理信息系统WebGIS对运输工具的信息进行电子化显示和实时监控，从而实现对冷链产品的全程跟踪与监控。

      (二)冷链监控与追溯平台总体结构

      冷链平台依据物联网分层结构及冷链物流监控与追溯设计方案，分成感知层、网络层和应用层，如图2所示。

      感知层，也即具体的操作层，主要由无线传感器网络、RFID电子标签、阅读器和GPS卫星全球定位系统等构成，在不同流通环节，采用不同的技术完成对产品信息、产品状态信息、环境状况信息等数据的采集。在生产加工和仓储环节，通过部署的温度、湿度、

浓度等传感器进行采集；在运输配送环节，通过GPS车载终端实现车辆位置信息的采集；在冷链销售环节，通过RFID标签和嵌入式设备实现电子交易，消费者也可以通过手持设备追溯产品信息。

      

      图2 监控和追溯方案总体结构

      网络层主要由互联网、无线通信网和广电网等数据通信网、网络管理系统等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。

      应用层主要由监控中心、应用服务器和数据库服务器等组成，接收网络层上传的数据，实现对冷链全程各类数据高效、集中、智能化管理，对系统中各节点处温湿度等参数实时监控，提供方便的查询服务并提供产品的安全溯源信息。

      二、平台主要功能分析

      冷链物流监控与追溯平台是冷链物流整合集成各类资源，提供产品监控、信息查询和信息追溯等服务的基础，是将各方需求信息和实体冷链运作信息联系起来的桥梁。它需要冷链主体如生产加工企业、物流服务商、仓储企业和销售企业以及监督机构等为冷链平台提供数据访问接口，将各项业务应用系统有机融合到总体系统平台内，从而提供冷链物流基础运作数据。其次，平台应能够根据集成起来的数据，实时监控和预警，对异常数据进行处理，保障农产品全程冷链。另外，还需要为监管部门、生产加工企业、销售企业以及消费者提供产品追溯信息查询等服务。针对以上分析，设计平台功能结构如图3所示。

      

      图3 冷链平台功能结构图

      平台主要划分为平台信息管理、基础信息查询、安全监控和追溯查询四大功能模块。

      (一)平台信息管理模块

      主要包括用户基本信息管理、行业动态和通知公告。生产企业、物流服务商、加工企业、监管部门和消费者等平台用户通过认证进入平台，管理员赋予其相应权限，以保证信息的机密性。

      (二)基础信息查询模块

      主要提供信息查询服务，包括产品生产信息如产地、质量、规格等，加工信息如加工方法、加工人员、加工环境等，运输信息如运输工具、规格、时间等，销售信息如销地、距离生产加工时间等。这些数据来源于不同企业业务系统数据的集成，通过订单信息查询各方信息。

      (三)安全监控模块

      安全监控和追溯查询是平台核心功能模块，安全监控模块主要实现实时数据采集分析、异常预警设置、数据分析展示和应急方案处理等功能。监控员可以针对该产品类型，按照冷链政策法规等设置异常预警阀值，还可以对监控数据进行统计分析和图表展示，从而直观地发现流通过程中存在的问题，及时反馈给相应设备或仓库管理部门。针对冷链过程中的突发事件，可以根据已有的数据提供解决办法，如某运输车辆在路上出现问题，可以从最近的地方调用同类型的运输车辆完成运输任务，保证农产品时效性。

      (四)追溯查询模块

      企业用户或消费者可以通过批次号及条码标签或追溯码查询产品的原产地、品牌、规格、保质期等信息，也可以根据相应权限查询产品实时信息。另外，查询用户还可以针对查询结果进行评价打分，针对问题也可以到相关部门反馈和投诉。

      三、平台应用关键技术

      平台的实施离不开现代信息技术的支撑，在物联网环境下，该平台综合采用RFID技术、WSN、WebGIS技术、数据库技术等。[8]

      (一)RFID技术与EPC技术

      RFID(射频识别技术)是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。RFID系统由电子标签、读写器和应用软件系统组成，广泛应用于安全溯源方面。RFID技术的工作原理是当标签进入磁场后，被接收解读器发出的射频信号激活，产生电流获取能量后将存储在芯片中产品信息发出，解读器读取信息并解码后，送至系统后台进行有关数据处理。[9]

      在生产加工环节，应用RFID技术可以将生产线上的产品信息，如原料来源、加工信息、保质期、存储条件等记录到RFID标签中，带温度传感器RFID标签还可以实时收集产品和环境的温度数据，企业通过RFID阅读器可以对电子标签内原料信息和温度数据进行实时采集，上传至监控中心服务器，从而实现产品的监控和溯源。在冷藏和配送环节，在货物外包装上贴上记录有货物信息的RFID电子标签，配合仓库里的货架、货位RFID阅读器，可以实现货物的快速入库、实时监控货物库存以实现自动补货、快速分拣和出库等。

      EPC(产品电子代码)是国际条码组织推出的新一代产品编码体系，可以实现对所有实体对象(包括产品、物流单元、集装箱和货运包装等)唯一有效标识，它利用计算机自动地对产品的位置和状态进行管理，通过互联网平台，利用RFID、无线数据通信等技术，实现全球物品信息的互联共享。

      (二)WSN技术

      WSN(无线传感器网络)技术由部署在观测环境内大量的廉价微型传感器节点组成，这些节点以无线通信的方式形成一多极的自组织网络，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象信息，并发送到监控中心。[10]RFID主要用来记录目标对象的感知信息，自动识别方便快捷，而WSN用来识别目标对象的身份，具有较强抗干扰性和较长的通信距离，所以一般将WSN技术与RFID技术结合起来，利用各自的优点更好地感知温湿度等信息。

      无线传感器网络一般结构如图4所示。在冷链监控中，WSN在托盘、包装箱、冷藏车和冷库等部署多个传感器节点，每个节点配备一至多个传感器来采集温度、湿度等环境信息，传感器节点通过特定的网络协议如ZigBee协同工作，实现数据的采集和汇聚，并传输到协调器节点，继而通过网络传至监控中心，以此达到远程实时监控的目的。

      (三)数据库技术

      数据库技术是信息系统中的一个核心技术，是一种计算机辅助管理数据的方法，它研究如何组织和存储数据以及如何高效地获取和处理数据。目前普遍采用建立在关系模型基础上的关系型数据库。

      该监控和追溯平台采用关系型数据库管理各环节采集和处理的信息，如原产品信息、生产加工信息、仓储配送信息以及销售信息等。这些数据经过无线传感网络、RFID标签、GPS以及相关业务系统上传至数据库服务器，并以一张张二维表的形式存放到数据库中。数据库表之间通过追溯条形码关键字进行关联。

      (四)GPS和WebGIS技术

      GPS(全球卫星定位系统)是一种结合卫星及通讯发展的技术，利用导航卫星进行测时和测距，从而实现物体的精确定位。WebGIS是Internet技术应用于GIS(地理信息系统)开发的产物，是把Internet和GIS技术结合在一起，为各种地理信息应用提供GIS功能。平台开发过程中，充分利用WebGIS的图形和空间分析功能，丰富了农产品冷链中的预警和追溯功能，并辅助相关部分进行决策。

      在冷链物流运输配送环节，通过车载GPS采集车辆地理位置信息、运行状况，上传至监控中心，由监控中心进行后台分析，以监控货物地理位置和状况，并提供路径优化方案，在遇到突发事件能做出应急处理等。利用WebGIS监控车辆行进状态，处理车载GPS动态观测数据，结合电子地图数据库实现各种空间数据查询、车辆信息显示和路径导航等功能。

      四、平台建设和发展建议

      农产品冷链物流运作效率以及质量安全问题越来越受到全社会的重视，在物联网环境下建设农产品冷链物流监控和追溯平台无疑为冷链流通环节的监控和追溯提供了一个行之有效的解决方案。在平台建设和发展过程中，需要解决以下几个问题：

      (一)完善冷链运作体系和政策法规

      良好的冷链运作体系是保障农产品全程冷链，避免“断链”问题的前提和基础，各方在冷链中如何协同，做到利益共享、风险共担是需要考虑的问题。农产品冷链物流相关标准的缺失和政府政策法规的不完善是导致产品安全问题频发的重要原因，应加强冷链的整体规划，完善农产品质量安全和冷链流通环节法律法规，建立以HACCP为基础的全程质量控制体系，积极推行质量安全认证和市场准入制度。[11]

      

      图4 无线传感网络WSN一般结构

      (二)推动建立多种形式的农产品冷链平台建设

      农产品冷链具有参与主体众多、运作环节复杂等特点，直接建立全国统一的监控追溯平台不太现实，可以针对不同农产品种类，如水产品、蔬菜、乳制品，分别建立相应的冷链物流体系和监控与追溯平台。不同区域范围内，农产品冷链流通、运作方式复杂程度也不一样，可以先建立区域范围内的监控与追溯平台，然后将成熟的冷链运作平台集成到更大的冷链平台中，逐步建立统一的冷链监控与追溯平台。

      (三)完善平台功能

      在满足基本物流需求以及监控与追溯核心功能的前提下，丰富平台功能，如建立评价反馈机制，完善各方企业准入机制等。另外还可以在集成多方业务系统，共享数据资源的基础上引入第三方咨询和IT服务机构，提供决策支持和解决方案优化等服务。

      (四)加强现代物流信息技术的应用

      平台建设应综合使用多种现代信息技术，充分发挥各种技术的优势，从而更好地提高效率，降低成本。在平台设计开发过程中，可以考虑比较成熟的SOA面向服务架构技术，实现平台异构信息的集成与共享。[12]

      本文在总结农产品冷链监控与追溯技术研究与平台建设的基础上，在物联网环境下，对农产品冷链物流追溯与监控平台进行了从解决方案、总体结构设计，到平台功能分析以及关键技术的分析，最后提出了对该平台建设和发展的一些建议。

      虽然我国农产品冷链物流发展起步晚，规范化、系统化的冷链物流体系尚未形成，但随着政府和社会对冷链物流的重视和不断投入，现代冷链物流理念和技术的进一步推广，冷链物流标准体系的不断完善，冷链基础设施建设的不断加强以及冷链物流信息化水平的不断提高，农产品冷链物流监控与追溯平台也会得到规划和完善，建立从“田间到餐桌”的一体化冷链物流体系也定能实现。

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