物联网在食品安全中的应用.doc

物联网在食品安全中的应用 学 院： 基础与信息工程学院 姓 名： 茶字伟 专 业： 10计科 学 号： 2010312061 2013年 11月 25日 目录 （一 ) 物联网概念的综述1（二）物联网的关键技术22.1 RFID技术22.2 传感器与传感网技术22.3 中间件技术32.4 云计算技术3（三） 物联网在食品安全中的应用背景33.1 物联网与食品安全的关系33.2 物联网在食品安全领域应用的相关技术及研究现状4（四）在食品流通领域的应用及设计方案44.1 食品产品EPC 信息内容设计54.2 食品信息采集子系统54.3 食品物流跟踪子系统54.3.1 食品生产物流跟踪64.3.2 食品销售物流跟踪64.3.3 食品回收物流跟踪74.4 食品物流信息传输子系统74.5 食品物流信息发布子系统7（五）物联网技术在食品追溯领域的应用85.1 食品追溯物联网系统架构设计85.1 .1食品识别85.1.2信息处理/食品控制/跟踪95.1.3 PML 服务器95.1.4本地数据库服务器9（五）总结10物联网在食品安全中的应用 （一 ) 物联网概念的综述2009年8月，温家宝总理提出“感知中国”概念,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一,写入“政府工作报告”,物联网在中国受到了全社会极大的关注,其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。物联网(Internet of Things)这个词,国内外普遍公认的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究射频识别（RFID）时最早提出来的。在2005年国际电信联盟(ITU)发布的同名报告中, 物联网的定义和范围已经发生了变化,覆盖范围有了较大的拓展,不再只是指基于RFID技术的物联网。物联网的概念与其说是一个外来概念, 不如说它已经是一个“中国制造”的概念, 他的覆盖范围与时俱进, 已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围,物联网已被贴上“中国式”标签。目前比较常用的对物联网的定义, 是指通过RFID、红外感应器、全球定位系统、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连接起来,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。这种定义有两种含义,第一,物联网是互联网的延伸和扩展, 其核心和基础仍然是互联网, 第二, 其用户端不仅仅是个人,还包括任何物品。图 1（二）物联网的关键技术2.1 RFID技术物联网中非常重要的技术是RFID电子标签技术。RFID系统由三部分组成:电子标签、天线和读写器。其中, 电子标签芯片具有数据存储区, 用于存储待识别物品的标识信息;天线用于发射和接收射频信号;读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中。2.2 传感器与传感网技术传感器是能感知制定的被测量信息,并能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件,如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样,传感器网络可以用于数据收集(Data Collection)、目标跟踪(Object tracking)以及报警监控(Alarm monitoring)等。2.3 中间件技术中间件是一种独立的系统软件或服务程序, 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源, 中间件位于客户机服务器的操作系统之上, 管理计算资源和网络通信。在操作系统和数据库市场格局早已确定的情况下,中间件发展尤为重要。物联网产业的发展为物联网中间件的发展提供了新的机遇。物联网中间件处于物联网的集成服务器和感知层、传输层的嵌入设备中。2.4 云计算技术当前物联网数据处理中的一个重要技术就是云计算, 即通过互联网向用户提供分时的硬件服务和分空间的硬件服务技术, 实现为用户提供托管服务和配置的计算资源。云计算有三大优势,第一, 用户端不需购买计算机;第二,用户端不必购买昂贵的计算机软件;第三,计算机硬件和软件会不断升级。（三） 物联网在食品安全中的应用背景3.1 物联网与食品安全的关系 物联网作为新兴的物品信息网络，为实现供应链中物品自动化的跟踪和追溯提供了基础平台。在物流供应链中对物品进行跟踪和追溯对于实现高效的物流管理和商业运作具有重要的意义。随着物联网的发展，其技术也被广泛应用到食品生产、流通、监管、检测、回溯的各个环节中，目前大多食品生产企业一直打着绿色食品的旗号，但消费者并不能看到食品是否是真正的绿色食品。而利用物联网，消费者可以通过应用安装在厨房中的点菜机，把所需的食品信息发送给生产厂家，厂家会把最新鲜的食品送上门；食品送到家后，消费者可以通过上网查询食品包装上的条码，就能了解这件食品从种子到采摘的全过程。应用了物联网技术之后，可以提供绿色食品的网上在线订购，这样可以及时的将绿色食品送到消费者手中，保证了食品的新鲜程度，同时使消费者能上网通过商品条码查询，了解所购买的食品生产的全过程，保证绿色有机不掺假，让消费者买的放心。同时，应用基于物联网的追溯技术，每个食品上都贴上二维码，不管食品卖到哪里，消费者都可以查到食品的来源、施肥及用药情况，让消费者明明白白消费。食品生产企业可以实时监测食品生产馆内的空气及土地的温度、湿度以及气压、二氧化碳浓度等与种植息息相关的数据。不仅如此，厅内何时通风、食品何时浇水、遮阳网如何打开等这些此前很多需要管理人员完成的工作， 现在安装了物联网传感器和网络后，这些工作由可以自动由安装在网络中的相应设置来完成。3.2 物联网在食品安全领域应用的相关技术及研究现状物联网在食品安全领域应用的相关技术方面，国内目前在无线传感器网络的软件方面也取得了相应的突破，在基于国外的操作系统之上，开发自己的中间件软件。如南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动代理的无线传感器网络中间件平台，深圳联合科技有限公司开发的无线传感器网络开发套件。国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。在这方面，国内的南京邮电大学、清华大学、北京邮电大学等都取得了一些相关的理论研究成果。在国外， 美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校的CENS （Center for Embedded Networked Sensing）实验室、WINS（Wireless Integrated Network Sensors）实验室和IRL（Internet Research Lab）2等。（四）在食品流通领域的应用及设计方案食品流通物联网是一个先进的、综合性的和复杂的系统，其最终目标是为单个产品建立全国的、开放的标识标准，并实现基于全国网络连接的信息共享。笔者设想的食品流通物联网构架可以设定为主要由六方面组成：EPC 编码、EPC 标签、识读器、Savant (神经网络软件)、对象名解析服务（Object Naming Service：ONS）和实体标记语言（Physical Markup Language PML）。食品流通物联网的具体建设方案可以分为如下几个部分。4.1 食品产品EPC 信息内容设计对于食品流通物联网而言，食品产品的EPC 中包含的信息，是贯穿食品流通物联网运作的“线索”，食品产品EPC 中应该包含哪些信息是构建食品流通物联网首先需要解决的问题。食品产品信息可分为固定信息和可变信息两类。固定信息大部分是与食品产品交易项目相关联的信息。相同的食品产品交易项目描述相同的信息，包括确定该食品产品交易项目的基本特征信息（如食品产品的名称、剂型、规格、包装规格等）和相关的管理信息（如食品产品的制造商名称、价格、食品产品管理分类等）。可变信息是食品产品交易项目随具体单元不同而变化的信息，如：食品产品的有效期、批号、包装数量等。可变信息只与食品产品项目的具体单元有关。4.2 食品信息采集子系统食品信息采集子系统主要由EPC 射频识别系统和Savant系统组成。其中，EPC射频识别系统负责收集EPC编码数据，并将数据传给Savant系统。Savant系统是利用分布式的结构，层次化地进行组织、管理数据流。Savant终端软件需要安装在食品生产企业、食品批发企业、食品零售企业等各个物流结点、甚至运输设备、装卸搬运设备上。每一层次上的Savant系统将收集、存储和处理由EPC射频识别系统识别的信息，并与其它层次的Savant 系统进行交流。每当识读器扫描到一个EPC标签所承载的单位食品信息时，收集到的数据将传递到整个Savant系统。食品信息采集子系统在各个环节收集的动态食品信息，为食品物流跟踪系统提供数据来源，从而实现了物流作业的无纸化。4.3 食品物流跟踪子系统食品物流跟踪系统以Savant 系统作支撑，主要包括对象名解析服务和实体标记语言。食品物流跟踪子系统的跟踪过程包括食品生产物流跟踪、食品销售物流跟踪及食品回收物流跟踪。4.3.1 食品生产物流跟踪 食品生产企业在生产某种食品的同时，会设计包含对应EPC代码的射频识别标签。在食品正式入库前，质检部门会对每批产品进行质量检查。在入库和储存过程中发生装卸搬运操作、货位仓位变化等情况时，Savant 系统会将货物实际变化情况与对应PML文件信息相匹配。当食品以大包装的形式出库时，射频识读器将它收集到的该种食品的EPC 传递给本地服务器中的Savant软件。随后Savant进入工作状态，将射频识读器识别到的食品信息记录到本地EPC信息服务器，EPC 信息服务器将收集到的信息与研发、设计、生产阶段存储在数据库里具有相同序列号的食品信息相匹配，随后按照PML规格重新写入交易、出库记录，形成新的PML 文件并存入PML 服务器。在将食品交易、出库信息记录到本地PML服务器的同时，将该食品EPC编码和PML服务器IP一块注册到对象名解析服务器（ONS 服务器）使其在ONS 基础构架中产生对应关系。通过Internet 保障全国各地的Savant系统可以随时发出询问并读取该食品的相关信息。4.3.2 食品销售物流跟踪 当这批食品运送到食品批发企业时，射频识读器会根据到货检验、装卸搬运、入库等物流作业快速读取EPC 标签中的代码，并将数据传递给本地Savant系统。本地Savant系统将识读到的食品EPC 编码传送给本地对象名解析服务器。本地对象名解析服务器将该食品EPC 编码转换成EPC 域名，并把EPC 域名传递给ONS 基础构架，请求与EPC 域名相匹配的PML 服务器IP。ONS 基础构架中的Savant 系统负责将这一请求与食品生产企业的PML 服务器相匹配，并连接通讯。本地服务器通过Internet 与远程PML 服务器通讯，请求服务器中食品相关信息。食品生产企业的PML 服务器返回食品的质量管理文件及相关交易记录、物流纪录。本地服务器将远程PML 服务器返回的食品信息（食品品名、类型、规格、批准文号、有效期）与入库质检识读器收集到的生产厂商、购进数量、购货日期等项内容，生成验收记录，存入后台的PML服务器。同时本地Savant 系统将记录食品生产企业PML 服务器的IP 地址。在食品经过各级批发到达销售终端- - 食品零售企业和超市时，伴随入库、存储、出库产生的食品流通物联网工作流程是相类似的。在食品销售的整个过程中，食品流通物联网的每个节点一直在通过自己的识读器识别、确认食品货物的相关信息，并通过Savant系统与PML服务器和对象名解析服务器（ONS 服务器）建立连接，不断生成每个环节的食品跟踪PML文件。在食品销售物流流程的每个环节上，只要通过射频识读器就可检验货物，而不需要开包验收，这样，就能提高物流作业效率，还能够保证各环节准时地了解到食品仓位的详细情况。4.3.3 食品回收物流跟踪 超市和食品零售企业面对的是最终消费者，当超市里的消费者或售货员取走货架上的食品并最终付款时，货架上的射频识读器会通过食品包装上的EPC，辨认出食品的信息。然后，通过超市的Savant 系统更新本地的库存信息并在食品流通物联网中的EPC 信息服务器(EPC- IS)和对象名解析服务器（ONS）更新信息，如将信息数据库中对应的产品信息加入“处于消费阶段”一项。直到消费者消费完毕，原本装盛食品的食品包装容器进入回收领域时，回收中心的识读器和Savant 系统再次认出包装上的食品生产企业名称、地址等有用信息，通过EPC 网络反映到食品生产企业的本地EPC 信息服务器(Local EPC- IS)中，然后食品生产企业会注销已经消费掉的食品的信息，并通过回收中心提供的信息进行食品包装容器的回收。食品批发企业的情况相类似，不过对于批发商而言，消费周期可能更短，食品包装容器可以更快的进入回收环节。4.4 食品物流信息传输子系统食品物流信息传输子系统的功能是将食品信息采集子系统收集的数据通过无线或有线的通信方式传到Savant 系统。目前常用的无线通信方式有GSM、CDMA、GPRS、CDPD（蜂窝数字分组数据通信规程）以及Blue Tooth（蓝牙技术）等，有线通信方式有DDN（数字数据网络技术）、PSTN（电话网络）、ISDN（综合数字业务网络技术）、LAN（局域网）及宽带网等。4.5 食品物流信息发布子系统食品物流信息发布子系统提供的服务主要包括以下三方面：为每一食品单体提供身份认证，无论是食品批发企业、食品零售企业、超市还是消费者，都可以从食品物流信息发布子系统查明他们购入食品的真伪，防止假冒食品进入流通环节。食品生产企业可以通过查询食品物流信息发布子系统跟踪食品的流通全过程、食品的交易信息，防止窜货。食品零售企业、超市可以查询他们委托销毁的过期食品、食品包装容器是否已被处理，防止过期食品、食品包装容器流入非正当渠道。（五）物联网技术在食品追溯领域的应用5.1 食品追溯物联网系统架构设计本系统采用了无线射频身份识别和二维码技术，每件食品上都贴上二维码，不管食品卖到哪里，消费者都可以查到食品的来源。本系统的结构如图2 所示。它主要由食品识别、信息处理/控制/跟踪、PML 服务器、本地数据库服务器、业务系统五大模块组成。它们的作用分别如下：5.1 .1食品识别 食品识别系统的核心是食品的编码和识别。由于每件食品的条形码都有唯一编码，不管食品卖到哪儿，只要输入食品的编号，就可以对食品进行跟踪和监控。所以，在基于RFID 或二维码标签的食品可追溯系统采用EPC 码作为食品的唯一标识码，标签由芯片和天线（Antenna）组成，每个标签具有唯一的产品电子码。EPC 码（Electronic ProductCode）是Auto-ID 研究中心为每个物理目标分配的唯一的可查询的标识码，其内含的一串数字可代表食品