基于云计算的蔬菜产品质量安全追溯系统

袁 艺桂 敏李石开*鲍 锐

汪 骞1，2陶 婧1，2孔令明1，2陶 祥1，2

（1云南省农业科学院园艺作物研究所，云南昆明 650205；2云南省蔬菜种质创新与配套产业技术工程研究中心，云南昆明 650205）

蔬菜产品的质量安全长期受到社会各界的广泛关注与重视，可追溯系统的建设与应用是解决蔬菜产品从生产到消费过程质量安全问题的重要技术措施，对保障产品质量安全、应急处理安全事故、提振消费信心、促进企业品牌建设等具有重要的意义和作用。目前，我国农产品质量安全追溯系统主要由政府主导建设，企业可注册使用（涂传清和王爱虎，2011；张弛 等，2017）。随着我国食品安全制度的日趋完善和中小企业质量安全意识的不断提高，企业结合自身实际自主建设实施产品质量安全追溯的意愿日趋强烈，但实施追溯的软硬件设备尤其是数据中心服务器的投入与运行维护成本较高，极大地限制了中小企业追溯系统的建设与应用（欧杨虹和徐秀银，2017）。基于云计算技术的蔬菜产品质量安全追溯系统使用云计算服务器、云存储、网络带宽等资源及自动备份与维护等服务，免去了系统平台搭建中服务器、组网等硬件设施的一次性投入以及后期的运行维护烦恼，极大地降低了实施追溯的成本门槛，为中小企业建设应用追溯系统提供了便利。

在系统软件方面，基于“源头可追溯、生产（加工）有记录、流向可跟踪、信息可查询、产品可召回、责任可追究”的食品安全可追溯系统目标（郑火国，2012），杨信廷等（2008）从信息技术的角度构建了一个以实现质量追溯为目的的蔬菜安全生产管理及质量追溯系统；郑业鲁等（2016）通过对“基地+配送中心+专营店”供应链模式的深入剖析，设计了标准化溯源生产档案，提出了蔬菜供应链全程溯源模型，融合物联网技术、二维码技术、WEB技术搭建了蔬菜产品质量安全溯源系统。李友水等（2016）、宋启祥和芮凯（2016）、赵璐莹等（2016）研发了基于物联网的蔬菜质量安全溯源系统，可实时采集温度、湿度等环境信息。现有溯源系统广泛使用二维码或RFID电子标签作为信息载体（蒲皎月和张海辉，2015；於文刚，2016），可实现WEB以及手机、触摸屏、溯源秤等一种或多种方式查询（阎世江 等，2016），但是信息采集多数仍需依靠人工后台录入上传数据中心，使用并不是很方便。

云计算是以虚拟化技术为基础，以网络为载体提供基础架构、平台、软件等服务为形式，整合大规模可扩展的计算、存储、数据、应用等分布式计算资源进行协同工作的超级计算模式（吴吉义 等，2009）。由于云计算是一种方便的使用方式和服务模式，通过互联网按需访问资源池模型（例如网络、服务器、存储、应用程序和服务），可以快速和最少的管理工作为用户提供服务（方巍 等，2012）。本文对基于阿里云服务器ECS（elastic compute service）的蔬菜产品质量安全追溯系统的设计与实现进行报道。

1 系统设计

1.1 蔬菜产品生产流程分析

以云南省姚安佳祎云菜产业科技发展有限公司为例，蔬菜产品生产流程包括：基地选择，根据种植计划安排具体品种的播种育苗、整地施肥、定植，蔬菜生长过程中进行肥水管理、病虫草害管理，达到成熟时进行采收，由基地运输至冷库进行分拣、包装，同时取样进行农残检测，之后进入冷库预冷，预冷完成后装车运输至销售地，销售渠道分为自营连锁超市、批发市场和客户直供等，其中批发市场再经由零售商进入消费者。追溯系统需要对蔬菜自基地生产至销售的各个环节的质量安全信息进行采集，经规范化处理后以多种方式向外发布，供消费者查询和监管部门监管（图1）。

图1 蔬菜产品生产流程

1.2 系统架构设计

B/S系统架构无需在客户端安装软件，所有的操作在客户端层面都是通过网页浏览器基于WEB服务来完成，具有更方便、快捷的使用效果，在当前各种跨平台面向对象的开发语言出现的情况下，采用基于B/S的管理软件将使开发变得更为方便、快捷、高效（林凡森，2014）。

本系统采用基于B/S的多层分布式体系架构设计，分为设备层、数据层、应用层和展示层。其中，S端基于云计算服务提供商提供的云服务器，用于部署系统网站、应用和数据中心。云服务器ECS是阿里云提供的一种简单高效、处理能力可弹性伸缩的基础云计算服务，无需提前采购硬件设备，根据业务需要创建所需数量的云服务器ECS实例即可建立网站和数据中心，实现数据的存储和灵活访问（胡亚敏 等，2016），涉及的云计算资源包括实例规格、块存储、镜像、快照、带宽和安全组。

设备层主要包括PC、手持智能终端（PDA）、二维码标签打印机、视频监控、网络等本地物理设备。数据层为系统数据库，负责企业、用户、终端、基地、产品、认证、批次、溯源信息等数据的计算与存储。应用层为系统平台集成的管理和应用模块，包括生产基地管理、产品管理、追溯信息管理、二维码管理、终端管理、系统管理。展示层主要为系统追溯平台网站，提供溯源信息的WEB查询和手机扫码查询、企业信息及产品展示等（图2）。

1.3 系统应用模块设计

图2 系统总体架构

1.3.1 生产基地管理 下设基地管理、地块管理和农资管理3个子模块，基地管理对企业所属生产基地进行编号，录入基地名称、所属部门、土壤及水质检测报告等基础信息；地块管理包括地块编号、所属基地、地理坐标等信息；农资管理可对各基地农药、肥料、农膜等农资的采购、出入库及供货商等情况进行管理。

1.3.2 产品管理 下设产品类型、产品信息、产品批次和认证信息4个子模块，对企业蔬菜产品的类型、包装产品基本信息（名称、品牌、包装规格、产地等）、产品认证情况进行管理。产品批次模块对产品进行批次编码，并可执行批次二维码打印，居于以产品批次为单位的信息追溯设计；批次管理内置追溯信息录入入口，用于客户端PC录入追溯信息。

1.3.3 追溯信息管理 下设追溯事件管理和追溯信息管理2个子模块，追溯事件管理包括对事件类型及具体事件的管理，系统将追溯事件分为生长与采后两类，生长事件主要包括育苗、播种、定植、施肥、浇水、打药、采收等田间农事操作信息，并可自定义添加事件，采集信息包括操作地块、时间、责任人、工具等，备注栏记录肥料、农药、品种等的具体信息；采后事件包括分级、加工、预冷、检验、包装、运输、销售等具体事件的时间、地点、责任人等信息，备注栏可附加加工方法、预冷时间及温度、包装规格、车辆号牌及驾驶员、销售对象数量及电话等信息。所有事件信息均可录入文字、图片和视频信息。追溯信息管理可查询和管理所有批次产品的已录入信息。

1.3.4 二维码管理 下设批次码管理和产品召回管理2个子模块，批次码管理主要执行各批次产品追溯二维码标签的打印功能，打印的溯源标签粘贴于产品包装上，供用户溯源查询；产品召回管理模块执行问题产品的批次查询与召回功能。

1.3.5 终端管理 执行终端设备（PDA、监控摄像头等）及其用户和权限的管理功能。

1.3.6 系统管理 执行企业部门及系统用户的角色和权限管理功能。

1.3.7 移动数据采集系统 安装于手持智能终端实现追溯信息数据采集的应用系统，执行产品管理模块下产品批次管理子模块内追溯信息录入的相同功能，并具备追溯查询、追溯事件以及个人信息、密码修改等功能。

2 关键技术

2.1 追溯编码体系

追溯编码是产品唯一性的身份标识，也是追溯信息附着的主体，根据《NY/T 1761农产品质量安全追溯操作规程通则》的要求，结合企业易用性特点，本系统采用基于产品批次码的追溯编码方法，并以快速响应矩阵二维条码（郭建宏和钱莲文，2010）作为信息载体。产品批次码在播种/定植时录入生成，由2位产品编码、4位年码和2位批号共8位组成，如05201801代表XX蔬菜2018年第1批次，批次码生成时实际已经关联了部门、基地和地块信息，为方便记忆此处仅选取了产品代码和批号组成批次编码，批次码及其生成的二维码作为内部流通码使用，可粘贴于地块标识牌、采收容器等流通介质上，使用手持智能终端扫描批次二维码即可进入该批次产品相应环节的追溯信息录入。在批次码基础上，增加2位部门编码和2位基地编码组成12位的产品追溯码，如图3示例，代表公司XX部门XX基地XXXX年第XX批XX蔬菜产品，该追溯码生成的二维码打印在追溯标签粘贴于产品包装上供消费者查询。批次码标签和追溯标签如图4示例。

图3 追溯码编码示例

图4 批次码标签（左）和追溯标签（右）示例

2.2 数据库技术

数据库是系统运行的核心，是长期存储在服务器内有组织的、大量的、可共享的数据集合，可供各种用户共享且具有最小冗余度和较高的数据与程序独立性。在多用户同时使用数据库时，能进行并发控制，及时有效地处理数据，提供安全性和完整性保护，并在发生故障后能够对系统进行恢复。本系统以SQL Server 2012作为数据库管理工具，构建了部门、用户、基地与地块、蔬菜种类与品种、设备、追溯事件与类型、图文与视频等数据库。Microsoft SQL Server 2012是微软发布的新一代关系型数据库平台产品，运行性能增强，并且支持云计算和云管理（石爱好，2017）；具备可伸缩性、可靠性以及前所未有的高性能。Power View为用户对数据的转换和勘探提供强大的交互操作能力，并协助做出正确的决策，有着开放、可伸缩性、安全性、可扩展性、高性能、操作简单等优势。

2.3 移动数据采集技术

追溯信息数据的采集与实时上传一方面影响系统效率；另一方面影响系统的易用性，移动数据采集技术利用手持智能终端（PDA）设备，通过移动互联网（文军 等，2014）可实现追溯信息数据的实时采集与上传，提高了系统的运行效率，降低了追溯系统的使用难度。该技术涉及软件和硬件，本系统选用基于Android系统具备二维条码扫描、拍照和视频录制、3G/4G/WLAN互联网接入等功能的PE900S安卓工业手持机，软件方面在系统主程序开发完成后掘取产品管理模块下批次管理子模块内追溯信息录入的相应代码，以Android Studio为开发环境开发完成，并在云服务器端开通与数据库的API接口，系统开机运行即接入云端主系统。在田间或加工等环节场所，打开APP扫描批次二维码即可进入相应批次产品的数据录入界面进行数据录入，系统采用下拉选择式菜单界面设计，使用十分方便（图5）。

2.4 远程视频监控技术

图5 移动数据采集设备及界面示例

消费者对追溯信息信任度低是我国建立食品安全可追溯系统面临的重大障碍（王爱虎，2011），将远程视频监控技术集成到质量安全追溯系统能够有效提升追溯信息的真实性和信任度。视频监控系统经过多年的发展已经形成了一套独立的技术体系，监控视频的远程控制、录制、压缩、存储、格式转换等技术都已相对成熟，将其集成到农产品质量安全追溯系统中，并不需要对其原有的技术体系做根本性调整，只需要增加相应的数据通讯接口，以解决统一数据格式、协调数据调用过程等技术问题（徐健宁 等，2012）。本系统将监控中心远程访问端口开放给云服务器调用，通过Socket通信方式与监控系统进行数据通讯，当移动数据采集设备从信息采集菜单发出视频采集请求后，服务器将远程调用该批次产品田间或采后处理场所绑定的摄像头进行视频录制，点击停止录制后，视频数据压缩转换为MP4格式文件存储至视频数据库相应目录下供查询调用。本系统同时支持手机现场录制小视频后通过后台上传至云服务器数据库。如果某批次产品为客户预订，客户则可以通过分配的用户名及密码查看该批次产品的实时监控画面。

3 系统编程实现与应用

3.1 系统编程实现

系统以C#、JAVA、JavaScript、SQL等编程语言，使用BootStrap、HTML 5、CSS 3等技术作为前端支持，使用WebAPI等技术作为后端支持，采用Ajax异步交互技术实现前后端交互，以SQL Server 2012为数据库管理工具。

系统编程测试完成后，安装部署于阿里云服务器ECS进行试运行，选用的云服务器实例规格具体配置为，dev/xvda高效云盘40 GB、华东1可用区随机分配地域、2核CPU、8 GB内存、8 Mbps带宽专有网络，Windows Server 2012 R2数据中心64位中文版操作系统、管家服务。系统网站及平台界面示例如图6所示。

3.2 应用实例

图6 系统网站及平台界面示例

图7 应用实例部分界面

以云南省姚安佳祎云菜产业科技发展有限公司应用为例，管理人员使用联网PC登陆系统平台http：//120.55.41.143：8083/，录入部门、基地、地块编号、产品等基础信息，点击产品管理—产品批次进行批次添加，形成1条批次记录，点击二维码打印，打印该产品批次二维码标签，标签在种植阶段粘贴于所属地块标志牌上，采收、加工、包装阶段粘贴于相应容器上，使用手持终端扫描该产品批次二维码即可进行相应环节追溯信息的数据采集录入。消费者使用智能手机扫描产品包装溯源标签上的二维码即可查询该产品的所有信息，除标签上已有的基本信息外，还可点击链接进一步查看产品的生产基地信息、生产管理信息、采后加工、包装、预冷及运输信息，也可查看该批次产品的相关认证、质量检验与检测结果报告等文件信息。相关信息也可登陆系统网站http：//120.55.41.143：8082/，输入溯源标签上的追溯码进行查询。应用实例部分界面见图7。

4 结论

蔬菜产品质量安全追溯系统的建设与应用是解决蔬菜产品从生产到消费过程质量安全问题的重要技术措施，对保障产品质量安全、应急处理安全事故、提振消费信心、促进企业品牌建设等具有重要的意义和作用。针对现有系统存在的追溯信息的实时采集与上传、追溯信息可信度低、系统易用性差、建设运维成本高等不利于中小企业独立建设应用追溯系统的问题，采用基于云计算服务器的B/S多层分布式体系架构和模块化设计，在追溯编码及二维码运用、数据库管理、移动数据采集、远程视频监控、追溯信息查询等方面整合应用了云计算技术，开发出基于云计算技术的蔬菜产品质量安全追溯系统，利用阿里云提供的ECS云服务器环境予以部署实现，系统提供手持终端、PC管理后台、PC网站、智能手机等多渠道录入/查询通道，方便快捷。该系统经企业运行试用获得了良好的效果。

利用云计算提供的服务器、存储、网络带宽、应用程序和服务等计算资源搭建蔬菜质量安全追溯系统平台，具有资源选择高弹性、系统上线及运行维护低投入、数据访问稳定安全等特点，为中小企业独立建设应用追溯系统提供了便利。基于云计算技术的蔬菜产品质量安全追溯系统较易在中小企业普及和推广应用，有利于企业以追溯体系建设带动品牌创建和商业模式创新，为蔬菜产品实现全程可追溯、保障质量安全提供了新的解决方案。