基于物联网感知技术的农产品QR码循迹系统

张祥林 解丹丹 张晓峰 史舟

摘  要：经济全球化背景下，农产品进出口贸易繁荣。以往采用的RFID技术溯源追踪无论是在价格上，还是在信息时效性和可获取性上都存在较大的弊端。文章对物联网感知技术进行研究，在农产品加工流通销售全过程获取数据，并通过云端大数据计算处理后以QR码为载体展示信息，最终形成一套快速、高效、动态更新的进口农产品溯源系统，真正实现物人之间的互联，为进口农产品追踪管理提供可行范本。

关键词：物联网;感知技术;QR码;农产品;溯源追踪

中图分类号：TN929.5;S126      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0147-06

QR Code of Agricultural Products Tracking System Based on Internet

of Things Sensation Technology

ZHANG Xianglin1，XIE Dandan1，ZHANG Xiaofeng2，SHI Zhou1

（1.College of Environment and Resource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou  310058，China;

2.Zhejiang Academy of Science & Technology for Inspection & Quarantine，Hangzhou  311215，China）

Abstract：Under the background of economic globalization，the import and export trade of agricultural products is flourishing. In the past，the RFID technology used for traceability tracking has great disadvantages in both price and information timeliness and accessibility. IoT perception technology，the circulation of agricultural products processing sales process to get the data，and through the cloud after the big data processing to QR codes as the carrier to show information，eventually form a rapid，efficient and dynamic update of imported agricultural products traceability system，interconnection between real implementation content，provide a feasible model for imports tracking management.

Keywords：internet of things;sensation technology;qr code;agricultural products;traceability tracking

0  引  言

我国人口众多，农副产品需求量大，食品安全问题一直是关系到国计民生的大事。据国家统计局最新的文件显示，截止到2018年底，全国年人均食品消费支出达5 631.1元，占人均消费总支出的28.4%[1]。在保证吃得饱的前提下，普通消费者也越来越关注食品的质量安全问题。经济全球化条件下，农业进出口贸易繁荣，因此对于农副产品进行准确的溯源追踪是保证食品安全的关键。

上世纪八十年代英国出现疯牛病以来，世界各国开始重视对农产品的溯源追踪[2]。欧盟自2004年起全面禁止销售产地不明确的食品[3]。美国药品与食品管理局也对国内外从事动物食品加工售卖所有环节的人员及部门进行登记，以便进行食品安全追溯[4]。我国借鉴欧盟经验，相继制定出台各项法律规章，建设农产品全程监管体系[5]。但登记核查式的传统溯源监管存在信息不对称、操作效率低、责任可追溯性差、准确度低等弊端，无法在产品生产流通的全环节给出及时准确的分析结果。而网络具有时效性强、存储数据量大等特点，因此将信息技术融入食品质量安全追溯系统建设尤为重要[6]。

自2003年起，我国启动中国条码推进工程，对国内部分农副产统一编码，以便于追溯食品质量安全[7]。国内部分大中型农副生产企业主要采用射频识别（RFID）技术建设食品质量安全追溯系统。

RFID技术需要昂贵的硬件，并且条形码识别需要专用的仪器，易造成企业及监管部门资源浪费[8]。同时由于各国技术标准不统一，通过RFID技术对于进口农副产品进行溯源监察十分困难。

伴随智能手机的广泛使用，多终端信息采集获取流行，传统的RFID技術已越来越不能满足人们的需要，低成本、快速、精确的信息捕捉成为研究重点。

基于物联网感知技术建设QR（Quick Response）码循迹追踪系统方案，在农产品进口业务各节点进行分析，获取数据流通全环节的转存与关联关系。进而多途径地采集图像文件信息，转换融合多源数据进行进口食用农产品生产流通信息采集汇交规范研究。最终完成产品身份甄别与QR码编程设计，使QR码在不同介质上得以表征实现，完成进口农产品QR码循迹追踪系统研发，以便精确快速高效地追溯进口农产品质量安全。

1  物联网感知技术与QR码

1.1  物联网与物联网感知技术

物联网，即建立在互联网基础上，连接独立运行物体，实现多者之间交流的信息载体[9]。物联网的整体体系架构分为三层[10]：第一层为感知延伸层，它由各种传感器构成，主要功能为采集信息并识别物体;第二层为网络连接层，它由网络及管理系统构成，主要功能为信息的传达和输送;第三层为业务应用层，它由为各种终端设备提供信息的应用服务构成，主要功能为储存信息、深入挖掘数据并提供各种服务。物联网的建设主要围绕感知技术、传输技术、支撑技术和应用技术。

物联网感知技术，即物联网用于感知信息的技术，包括RFID技术、GPS定位技术、传感器技术、二维码技术及多媒体信息采集技术等[11]。感知技术就如人体的皮肤和五官，通过二维码标签及识读器、RFID标签及各识别器，以及M2M终端等各种传感器识别物体并获取信息，为物联网架构提供基础数据。

1.2  二维码与QR码

二维码，又称二维条码，指将特定的几何图形按一定规律在二维平面上排列组成黑白相间、记录特定数据信息的图像[12]。二维码在编制上利用构成计算机内部逻辑结构基础的“0”“1”比特流概念，具有信息容量大、编码范围广、容错能力强、解译精度高、保密防伪好及制作成本低等优势[13]。根据编码原理可分为堆叠式二维码和矩阵式二维码[14]。堆叠式二维码由多行短截的一维条码堆叠而成，如Code 16K码及PDF417码等。矩阵式二维码以“点”和“空”矩阵形式组成，在相应元素位置“空”表示二进制“0”，如Code One码、QR码等。

QR码为二维码的一种，又称快速反应条形码，由日本Denso Wave公司发明[12]。与其他二维码相比，QR码在读取速度、空间占用及数据密度等方面具有独特优势。QR码三个角有三个寻常图形，并使用CCD识读设备解码，可实现全角度高速识读，每秒可识读30个含有100个字符的QR码，读取速度更快[14]。1个QR码可分割成16个QR码，多个分割码可同时识读，单位面积数据量储存更大，占用空间更少。同时微型QR码每厘米空间内可储存35个数字或9个汉字或21个字母，数据密度更大[14]。因此QR码广泛应用于商务、金融、公共安全及交通运输等领域。

1.3  物联网感知技术与QR码

物联网感知技术作为物联网感知延伸层的核心技术，在采集实体信息、建设完整数据库系统过程中发挥着至关重要的作用，是整个物联网的“眼睛”。QR码则可以将复杂多源的信息数字化，成为信息的储存载体。两者核心技术的深度结合是物联网体系发展的基础和关键。本文中QR码主要储存农产品生产流通各节点信息，将手机等便携式电子产品作为感知设备，针对牛肉及牛奶、水产品、粮油产品等浙江省进口的大宗高附加值食用农产品开展精准识别和产地识别技术体系研究，开发基于物联网的质量安全溯源技术并开展示范应用，实现移动终端和二维标识的精准追溯，有效保障进口农产品质量安全。

2  基于物联网感知技术的农产品QR码循迹追踪系统设计

进口农产品溯源识别系统数据量大、结构层次复杂，因此需要架構一个统一的平台体系，规范信息采集处理输出模式。溯源系统采用B/S系统架构设计三个层级，分别为数据层、处理层及应用层，如图1所示。数据层包括农产品、文档、空间区位、地理环境、同位素、舆情经济及用户反馈七个专题数据库。处理层是平台的核心层，起着归档原始数据、逻辑化运算并可视化输出的作用，主要包括QR码子系统、生产流通节点子系统、云计算子系统及溯源追踪子系统。应用层则通过手机、电脑等电子设备向执法部门、监察部门、消费者及生产企业提供溯源查询服务。

2.1  数据层数据来源

进口农产品溯源追踪系统数据层主要包括七大专题数据库。数据信息涵盖进口农产品生产加工销售的各个环节，包含自然社会经济各个方面，如表1所示。系统构建的基础数据中农产品专题数据、文档专题数据、同位素专题数据、用户反馈数据由浙江省检验检疫科学技术研究院检测整理后提供，空间区位专题数据、地理环境专题数据、舆情经济专题数据在原数据的基础上结合互联网信息补充完善。

2.2  QR码子系统设计

QR码子系统主要作用是将处理过的数据信息编写成码，具体又可分为数据分析、数据编码、加密组码和生成编码四个部分，如图2所示。

具体而言，首先将分析处理过的数据输入编码系统，根据数据属性格式等确定所使用QR码的版本、容错级别和编码模式。进而根据所选编码模式，将字符串转化为比特流，插入模式标识码和终止标识码，并计算比特流的容错码。最后加入加密信息，并对数据有序切割，填充图像形成可供使用的QR码。溯源系统以数字和字母构建进口农产品109位溯源编码，其中产地编码长度为27位，记录农产品产地信息;种类编码长度为11位，记录海关编码和产品信息;流通编码长度为71位，记录农产品生产加工流通销售各环节信息。

2.3  生产流通节点子系统设计

生产流通节点子系统贯穿农产品加工销售的全环节，具体包括生产环节节点、包装加工节点、物流运输节点及销售流通节点四个方面的内容，如图3所示。

生产环节节点和包装加工节点分析主要针对农产品生产企业。通过对农产品相关数据、空间区位数据及地理环境数据等农产品本身及产销地区数据收集运算，产生初代QR码，详细记录生产企业的名称、联系方式及地理位置等信息。同时，在此节点采集的环境信息及包装加工信息，进一步完善系统数据库建设，为下一步计算农产品安全等级、检测产品质量状况等提供基础数据。

物流运输节点分析主要针对物流运输企业。系统详细记录运输方式、时间、起止地点及海关检疫部门到岸检疫报告等信息，准确获取农产品时空运输状态，保证在运输全过程中掌握农产品安全质量状况。

销售流通节点分析针对于消费者，同时也服务于农产品相关的执法监管部门。通过智能手机，平板电脑等终端进行QR扫码、NFC读取，可快速获得农产品在前几个环节中的具体信息，如生产日期、生产区域、质量状况及安全等级等。同时扫码情况、产品质量反馈情况也会录入数据库，反馈到监管部门及农产品生产商，为下一步生产管理提供依据。

2.4  云计算子系统设计

云计算子系统是整个进口农产品溯源识别系统的技术核心层，如图4所示。云计算子系统将收集到的数据信息集中到大数据云计算终端综合处理，生成QR码所包含展示的各部分信息，并对可能发生的农产品质量安全问题及时预警。

溯源系统中云计算子系统以阿里云MaxCompute大数据计算和农产品信息链数据库为依托，通过稳定同位素与产地耦合关系模型、矿质元素指纹图谱、Genebank模糊匹配查询算法及常用统计分析等模型算法，计算出农产品溯源结果，根据补充的信息不断优化模型，更新QR码中的信息，最终形成稳定的农产品溯源查询系统，实现农产品溯源系统秒级查询。

2.5  溯源追踪子系统设计

溯源追踪子系统是进口农产品溯源识别系统中面向客户层最主要的部分，主要作用是提供溯源查询服务，并完善数据库信息，如图5所示。

前三个子系统运算生成的QR码已基本包含了农产品从生产到售卖的相关信息，普通消费者通过扫码了解农产品质量，并在线反馈举报。主管部门拥有该子系统的最高权限，对溯源追踪系统日常报检，及时监控市场情况，处理消费者投诉并做好信息发布工作。同时，主管部门根据系统提供的预警信息，及时发现进口农产品安全质量隐患，做好与相关第三国的沟通工作，制定合理的市场拒入规则。执法部门根据Google Map举报频次热度及主管部门的指示，确定产生质量问题的农产品生产售卖区域，及时排除安全隐患。农产品生产企业根据反馈信息解决问题，并将最新发现的信息进行补码，完善数据库建设，最终形成动态更新的溯源监管查询系统。

3  基于物联网感知技术的QR码循迹追踪系统实现

3.1  系统运行逻辑及关键技术

四个子系统既相互独立又相互联系，有机融合成完整的进口农产品溯源识别系统，如图6所示。

具体而言，生产流通节点子系统为整个系统提供基础数据，云计算子系统将数据处理整合，溯源追踪子系统则为客户层提供服务。而图7所示的QR码则是所有子系统的纽带和信息储存传递的载体，贯穿整个系统的各个环节。

QR码和云计算是本系统开发最为关键的两个技术。通过QR码可以从农产品生产到销售全环节获取信息并为客户层提供农产品质量、安全预警等服务。云计算则是将复杂繁琐的数据归档整合，分析数据并做可视化处理，是将数据中信息分析获取的核心环节。

系统开发过程中，由浙江省海关检疫部门提供基础数据，并作为主要用户和监管部门及时查阅更新相关信息，传入预先建立的云计算服务器，实现整个系统动态持续可更新，最终形成完善的溯源技术平台。现阶段已实现车厘子、三文鱼、猫粮三类进口农产品的示范应用，系统中详细记录各项农产品的产品信息、企业信息、检疫检测信息、证书信息及追溯信息，如图8～图12。

3.2  系统实现环境

该系统运用Internet环境，架构在阿里云平台上，采用B/S模式进行开发，系统开发工具为Eclipse及PyCharm，主要技术为Java及Python编程语言。数据库选用SQL系统，并通过HTML 5、CSS3、ECharts、ArcGIS API for JS、AJAX、Vue.js、ES6、Node.js、Element等进行可视化处理。移动终端广泛适配于Windows、Android及iOS等系统环境。

4  结  论

基于感知技術搭建QR码循迹追踪系统，意在解决传统记录溯源查询效率低和RFID技术价格高的问题，以物联网为依托设计出大数据支撑下进口农产品溯源识别系统可行模式。系统实现的关键在于QR码信息采集展示与云计算处理数据。通过手机等便携式电子设备扫码，系统为各客户层提供信息的同时，也完成自我的数据更新。与RFID技术搭建的农产品溯源系统相比，无论是在数据多样性，还是在时效性、可利用性上，该系统都具有较大的优势，因此将互联网引入食品监督管理领域将是未来的研究热点。

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作者简介：张祥林（1997—），男，汉族，山东日照人，硕士研究生，研究方向：农业信息化;通讯作者：史舟（1970—），男，汉族，浙江舟山人，教授，博士生导师，博士研究生，研究方向：农业遥感与信息技术。