基于NFC的新疆牛羊肉质量安全可追溯系统的设计与开发

张京京，李志刚(石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832000)

基于NFC的新疆牛羊肉质量安全可追溯系统的设计与开发

张京京，李志刚*
(石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832000)

分析NFC技术及其在可追溯系统中的应用，并与其他主流的标识技术进行对比分析，针对新疆特色牛羊肉从养殖到销售过程中出现的质量安全问题，利用Web技术构建基于B/S结构的可追溯系统框架，分析系统层次结构和业务流程,并对可追溯系统的功能模块进行设计。通过可追溯系统实现监管部门对牛羊肉质量的监控和企业对产品的管理，同时解决消费者进行食品安全溯源“最后一公里”的问题。

新疆牛羊肉； NFC； 可追溯系统； 质量安全

食品安全问题一直以来都是人们关注的问题，如何利用互联网技术在食品生产、加工等环节上进行预警、发现、追踪、溯源，以有效保障食品的质量安全,是近年来国内外学者重要的研究方向。新疆是中国畜牧业主要产区，主要以牛羊养殖为主，排酸牛羊肉更是畅销全国。但近年来由于食品安全问题频繁出现，严重影响到消费者的信任和购买力，阻碍新疆特色牛羊肉产业的发展，且危害消费者的健康。因此，急需建立牛羊肉产品可追溯系统，以提高产品来源信息的透明度[1]，也为新疆特色牛羊肉的推广提供保障。

目前，在农产品可追溯系统上应用的技术主要包括一维码技术、二维码技术、RFID、NFC、无线传感网络、全球定位系统、地理信息系统等。就可追溯系统来说，李丹等[2]研究了利用一维码技术在果品上构建可追溯系统；郭建宏等[3]、刘艳朋[4]研究了二维码在农产品溯源上的应用；谢菊芳[5]、陆昌华等[6]、施亮等[7]、焦光源等[8]、Jakkhupan等[9]研究了RFID在农产品溯源系统上的应用；孙旭等[10]、张友桥等[11]、黄叶钰[12]研究了基于NFC的农产品可追溯系统；Mainetti等[13]研究了将RFID与NFC结合的大棚蔬菜的可追溯系统。在农产品可追溯系统建立和应用方面，国外已经有完善的体系结构[14]，欧盟、美国、日本等发达国家均已建立可追溯系统并实施启用，其相关法律法规、技术标准和规范也较为健全[15-16]。目前，国内尚未建立完善的可追溯体系，研究主要集中在食品安全个体的标识方法，以及综合利用条码、RFID、计算机技术等实现部分食品安全生产监控和追溯，并且在个体标识上也未与国际接轨，编码存在局限性[17]。近年来，国内已重视对可追溯系统的研究，但由于缺乏便捷的消费者参与方式，增加了可追溯系统发展的阻力，随着NFC手机的日益普及，用户通过NFC手机可以方便快捷地访问NFC标签中的内容，可以解决可追溯系统市场推广困难的问题。鉴于此，本研究基于NFC的质量安全信息可追溯系统，对产品的质量进行监管和正向跟踪，对产品的信息进行采集和溯源，实现企业、监管部门、消费者三方参与的功能。

1 NFC技术概述

NFC技术是一种短距离、低功耗、高带宽的双向近距离非接触通讯技术，其工作频率在13.56 MHz，工作距离介于1～10 cm。NFC是由RFID演变而来，NFC的通信模式有2种：(1)主动通信模式，指双方带有电源，均可以产生射频场，传输的距离也会较长；(2)被动通信模式，指只有一方有电源而另外一方不带电源，传输距离较短[18]。

NFC具有3种工作模式：(1)点对点模式，在主动通信模式下应用，有2个具有电源的设备进行双向通讯，实现信息的交互；(2)卡模式，在被动通信模式下应用，将内置NFC的卡片、手机或者贴有NFC标签的任何物体当作标签来使用，其中存储用户需要的各种信息，需要读写器来读写其中的信息；(3)阅读器模式，在主动通信模式下应用，也可在被动通信模式下应用，其将设备当成阅读器读取标签上的信息。

与条码技术、RFID技术相比，NFC技术读取速度快、容量大，方便NFC手机用户随时随地查询溯源信息，且无需联网，简单可靠(表1)。

表1 条码、RFID及NFC技术在溯源系统上应用优劣势的比较

2 质量安全可追溯系统的设计与实现

2.1 系统功能需求及实施方案

从监管部门的角度出发，质量安全可追溯系统需要对整个供应链流程进行监控，能够实时上传溯源数据，根据这些数据快速找到问题发生的节点、发生的企业以及原因，处理投诉并进行产品的召回。从供应链节点企业的角度出发，系统需要完成信息采集功能，通过NFC系统及时采集数据，并根据危害分析与关键控制点(hazard analysis critical control point,HACCP)的原理来确定溯源信息，将溯源信息上传至数据库，系统对其进行存储、优化和管理；从消费者的角度出发，消费者可以通过输入NFC标签内存储的追溯码进行产品溯源，也可以通过NFC手机读取NFC标签获取信息，一旦发现问题，可以在线进行投诉。

实施方案：一方面，养殖企业、屠宰加工企业、流通企业和销售企业通过专用读写器将产品信息写入NFC标签，写入的信息中包括唯一的追溯编码、企业信息等，通过HACCP体系获取关键溯源控制点，同时将信息上传到中央数据库，同步到可追溯系统。另一方面，消费者通过内置NFC的手机，或者其他集成了NFC功能的移动设备，识别标签并读取标签内的主要溯源信息，NFC标签可以存储一定量的信息，用户无需通过移动网络便可访问标签中的内容。在获取的溯源信息中，都设有溯源码，消费者若要获取更加详细的内容，或者增加对企业标签的信任，可以通过溯源码在可追溯平台上输入溯源码查询详细信息(图1)。

图1 质量安全可追溯系统实施过程

2.2 系统体系结构设计

2.2.1 系统架构 养殖企业、屠宰加工企业、流通企业和销售企业利用读写器将信息写入并读取NFC标签信息，同时将数据上传至Savant中间件，数据经过Savant处理后，传送到互联网。在互联网中利用对象命名解析服务ONS找到牛羊肉产品信息存储的位置，实体标记语言PML记录产品的具体名称、性质等信息，系统经过ONS找到产品的PML，即在数据库中找到或存储对应的产品。上游企业记录的产品信息随着供应链条传给下游企业，同时将写入NFC标签的信息上传到可追溯系统(图2)。

图2 质量安全可追溯系统架构

2.2.2 系统层次结构 质量安全可追溯系统以牛羊肉质量信息采集为核心展开分析，包括对数据的采集、存储、分析和应用。系统分为物理层、数据层、表现层和用户层。物理层包括系统所需的各种资源，如服务器、存储器、NFC标签及读写器等(图3)。通过GPRS、3G、4G、Wifi等对采集的信息进行及时传输。当数据由网络上传到平台数据库时，数据层负责将数据进行存储、分析和处理。表现层为系统实现的基本功能，包括登录、各节点企业对牛羊肉的数据采集、消费者投诉、监管部门对企业的管理等。用户通过电脑、手机等设备进行信息查询，手机端通过APP即可通过手机内置的NFC模块读取NFC标签里的内容。已经有学者进行开发在手机端拥有射频识别功能溯源的APP，如“我验验”。集成NFC功能的手机均可使用此APP，故无需另行开发，同时公用APP便于市场推广。

图3 质量安全可追溯系统层次结构

2.3 系统业务流程

在质量安全可追溯系统中输入追溯码，即可获得溯源结果。监管部门、养殖企业、屠宰加工企业、流通企业和销售企业通过选择不同的角色进行登录，后台数据库验证登录信息并返回结果，为保证封闭供应链的可控性，系统仅登录不能注册，相关企业可以向监管部门申请账户加入。各节点企业登录进入相应的子系统，一方面将牛羊信息与NFC标签进行交互，读取信息和写入新的信息；另一方面将写入NFC标签的信息发送至服务器进行数据入库。系统业务流程如图4所示。

图4 质量安全可追溯系统业务流程

2.4 系统主要功能模块设计

可追溯系统运行于封闭供应链的各个主要环节，封闭供应链对其成员有严格的准入管理制度，具有统一的操作规范和技术标准[19]，本研究构建的可追溯系统只考虑在封闭供应链内的应用，不考虑散户。监管部门为超级管理员，并负责平台的维护和管理。各节点企业可以登录并使用相关子系统进行信息采集，消费者、企业、监管部门均可通过输入追溯码的方式进行产品信息的获取。

采用国际通用的EPC编码[20]，企业向中国物品编码中心(ANCC)申请注册 EPC 厂商识别代码，标头和厂商识别代码确定后，企业可自行设计对象分类代码和序列号。2006年中华人民共和国农业部颁布的《畜禽标识和养殖档案管理办法》中，牛、羊的畜禽种类代码分别为2、3。养殖阶段为每个牛羊佩戴唯一编号的NFC耳标，屠宰分割阶段时根据NFC耳标制作分割肉NFC标签，并形成最终的产品追溯码。

2.4.1 企业管理模块 监管部门为这些企业进行编码管理，企业编码参照EPC厂商识别代码。对加入封闭供应链的节点企业进行增、删、改处理，监管部门为新加入的企业分配用户名，对已不符合封闭供应链要求的企业删除用户名，对违法乱纪、食品出现问题的企业进行记录，情节严重的通知企业进行产品召回。建立数据库视图，实现监管部门对企业的查询功能，方便监管部门对企业的管理。

2.4.2 数据采集模块 数据采集模块分为养殖管理模块、屠宰加工管理模块、流通管理模块和销售管理模块，主要由各节点企业通过登录的方式进入相应的系统，进行各节点信息的录入。

(1)养殖管理模块 养殖环节是整个供应链的初始环节，负责牛羊耳标的编码和标签的初始化，为每头牛羊佩戴NFC标签，养殖企业根据具体要求将可追溯信息写入NFC标签，并将信息上传至中央数据库。主要采集的信息有企业信息、耳标号、入栏信息、免疫信息和出栏信息。

(2)屠宰加工管理模块 屠宰加工企业从供应链上游接收到带有NFC耳标的牛羊，读取NFC标签中的内容，并将分割肉编码写入标签，形成最终的产品追溯码，同时将信息上传至中央数据库，牛羊屠宰加工过程复杂，流程较多，做好胴体与分割肉体的信息关联是重要任务。主要采集的信息有屠宰加工企业信息、转入信息、加工信息、产品信息、产品追溯码和转出信息。

(3)流通管理模块 流通企业从供应链上游获取贴有NFC标签的产品，主要录入的信息有流通企业信息、转入信息、温湿度记录、产品信息和转出信息。

(4)销售管理模块 销售企业作为供应链中最后一环，需要对销售信息进行记录，首先将销售信息，如销售商、部门等信息写入NFC标签，将写有供应链全程可追溯信息的牛羊肉进行销售，同时将销售信息写入中央数据库。主要写入的信息有销售企业信息、转入信息和销售信息。

在各个数据库表上利用外键建立连接，建立查询视图，消费者、企业、监管部门通过查询视图可以追溯到产品的信息。在上述各个环节中如果出现标签损坏或者污染而无法读写信息，需要各环节企业及时与养殖或屠宰加工企业取得联系并补办标签重新编号。可追溯系统功能模块如图5所示。

图5 质量安全可追溯系统功能模块

2.5 系统开发环境

利用类的方法将各个业务逻辑操作拆分成各个模块，避免了加载模块带来的不必要的副作用。系统采用策略模式，将所有行为函数封装到接口中，并为某些模块特有的行为封装到抽象类中。接口不同的实现类是按照系统的需要将接口中的行为函数进行实现。该方式把行为和环境分开，当系统模块需要更改时，只需要调用不同策略实现类中的方法，不必对系统整体进行重构，不仅提高了开发的效率，而且有利于系统的迭代开发。

本系统选择.NET集成开发环境进行系统开发，使用SQL数据库。基于B/S的体系结构，运用SCA服务组件架构进行WEB服务配置。以中心数据库为基础，方便数据共享和数据查询服务。系统主页界面如图6所示。

图6 质量安全可追溯系统主页

3 结论与讨论

本研究分析了NFC技术的原理及其应用在可追溯系统上的优劣势，相对于目前研究较为广泛的RFID可追溯系统来说，本系统更加方便消费者对产品质量的溯源，并针对新疆牛羊肉设计了基于B/S架构的可追溯平台，对系统架构、系统层次结构以及系统的功能模块进行了详细的设计。NFC技术日益普及，为本系统的研究提供了优势，本研究能够解决可追溯系统一直以来无法普及、质量难以监控的难题，这种由政府监督、企业运营、消费者参与的方式体现了可追溯系统可控、全面的特点，并且可以与NFC防伪技术相结合，达到安全、高效的目的，为新疆牛羊肉优良可持续的发展体系打下了基础。

目前，可追溯系统缺乏统一的标准和规范，这也给可追溯系统的建立造成了一定的阻碍。供应链系统是一个极为复杂的系统，在本系统设计时只考虑到各节点企业需实现的主要功能和溯源项，还需要对其进行更加深入的调研，详细并且个性化设计供应链各节点企业功能模块，满足各节点企业的不同需求以及个性化需要。同时，虽然目前NFC标签单价日益降低，但是其单价仍然高于条码，这也是加入企业所要考虑的问题之一。最后，NFC的读取距离理论上只有20 cm，在产品出入库等方面若实现高自动化，还需与高频甚至超高频RFID搭配使用，才能达到理想的效果。因此，在后续研究中，将着重研究如何使NFC与RFID相结合使用，并且使成本降至最低。

[1] 孙旭,杨印生,郭鸿鹏.近场通信物联网技术在农产品供应链信息系统中应用[J].农业工程学报,2014,30(19):325-331.

[2] 李丹,李国,王霓虹,等.基于条码的林下经济产品质量可追溯管理系统[J].北京林业大学学报,2013,35(1):144-148.

[3] 郭建宏,钱莲文.二维条码在蔬菜产品质量追溯中的应用[J].武汉理工大学学报,2010,32(21):110-114.

[4] 刘艳朋.基于二维码的农产品溯源安全管理平台的实现[D].北京:首都师范大学,2013.

[5] 谢菊芳.猪肉安全生产全程可追溯系统的研究[D]. 北京:中国农业大学,2005.

[6] 陆昌华,谢菊芳,王立方,等.工厂化猪肉安全生产溯源数字系统的实现[J].江苏农业学报,2006,22(1):51-54.

[7] 施亮,傅泽田,张领先.基于RFID技术的肉牛养殖质量安全可追溯系统研究[J].计算机应用与软件,2010,27(1):40-43.

[8] 焦光源,李志刚.新疆生鲜农产品质量安全溯源系统的设计——基于.NET技术[J].农机化研究,2013(12):74-77.

[9] Jakkhupan W,Archint S,Li Y E.An RFID-based traceability system[J].Telecommunication Systems,2015,58(3):243-258.

[10] 孙旭,杨印生,刘春霞,等.生鲜农产品供应链近场通信智能数据采集终端系统设计与开发[J].农业工程学报,2015,31(8):200-206.

[11] 张友桥,吕昂,邵鹏飞. 一种基于NFC的农产品溯源系统[J].中国农机化学报,2015,36(2):145-149.

[12] 黄叶珏.基于NFC的茶叶防伪验证可追溯系统的设计与研究[J].农村经济与科技,2013,24 (3):151-152,99.

[13] Mainetti L,Mele F,Patrono L.An RFID-based tracing and tracking system for the fresh vegetables supply chain[J].International Journal of Antennas and Propagation,2013,12(8):761-764.

[14] Costa C,Antonucci F,Pallottino F,etal.A review on agri-food supply chain traceability by means of RFID technology[J].Food and Bioprocess Technology,2013,6(2):353-366.

[15] 王东亭,饶秀勤,应义斌.世界主要农业发达地区农产品追溯体系发展现状[J].农业工程学报,2014,30 (8):236-250.

[16] 杨信廷,钱建平,孙传恒,等.农产品及食品质量安全追溯系统关键技术研究进展[J].农业机械学报,2014,45(11):212-222.

[17] 熊本海,杨振刚,杨亮,等.中国畜牧业物联网技术应用研究进展[J].农业工程学报,2015,31(z1):237-246.

[18] 王淼.NFC技术原理与应用[M].北京:化学工业出版社,2014: 1-9.

[19] 焦志伦.我国城市食品封闭供应链运行模式及其政策研究[D].天津:南开大学,2009.

[20] 刘尧,高峰,徐幸莲,等.基于RFID/EPC物联网的猪肉跟踪追溯系统开发[J].食品工业科技,2012,33(16):49-52.

Design and Development of Beef and Mutton Quality Safety Traceability System Based on NFC in Xinjiang

ZHANG Jingjing,LI Zhigang*
(College of Information Science and Technology,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Analyzing NFC (near field communication)technology and its application in the traceability system,comparing with other mainstream identification technology,in view of the feature red meat in Xinjiang,especially for their quality and safety from farming to sales problems appeared in the process,built a traceability system based on B/S structure framework by using technology of web,analyzed the hierarchy and system flowchart of the traceability system,and designed the function module.Finally,realized the beef and mutton quality monitoring,enterprise management of the product,and resolving consumer food safety traceability “the last kilometer” problem by traceability system.

beef and mutton; NFC; the traceability system; the quality and safety

2015-11-10

国家自然科学基金项目(71261021)

张京京(1990-)，女，河南郑州人，在读硕士研究生，研究方向：农产品可追溯系统。 E-mail:1234sandy1234@sina.com

*通讯作者：李志刚(1970-)，男，河北饶阳人，教授，博士，主要从事农业信息技术及系统开发工作。 E-mail:lzg_inf@shzu.edu.cn

S126；TP391

A

1004-3268(2016)04-0155-06