基于物联网的肉鸡可追溯与监管平台设计与应用

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-01-07 09:34 热度：

　　摘 要：为了能实现农产品及食品生产过程数据自动采集、传输、存储并体现在可追溯环节之中，该文以肉鸡为例自主研发了基于物联网包含环境采集终端、中继器、监控服务器与环境控制器的肉鸡养殖环境监控预警系统。环境采集终端集成了温度、湿度、光照、氨气传感器;中继器可根据需求灵活使用串口、有线或无线等多种通信方式;环境控制器能够对风机转速、通风方向、灯光、加湿器、加热器进行控制;实现了生产环境的全自动现场或远程监控与预警，并将其集成于包含企业管理、政府管理、追溯管理 3 个子平台的肉鸡可追溯与监管平台。该平台采用 B/S 与 C/S 架构相结合方式开发，B/S 架构采用 Microsoft C#语言在 ASP.NET 框架上开发，数据库采用 SQL Server 2014，Web 服务器为 IIS7。以物联网 RFID(radio frequency identification)标签作为载体实现肉鸡产业链上信息传递及人员的快速登录。不同类型的企业及政府用户，具有不同权限，实现了肉鸡饲料、用药、疫苗、死淘数、屠宰、加工、储运、销售等信息全程可追溯与监管;政府管理部门全程参与肉鸡生产到销售的全过程，能进行出栏检疫、产品检疫、各项抽检与统计查询，并能实现肉鸡疫情预警与质量安全预警。C/S 架构主要解决养殖基地 Internet 接入困难问题。在同一数据库结构下用 Java Web 技术开发了基于微信的追溯。该平台已应用于天津市 189 家肉鸡企业与各级政府管理部门。该平台兼顾了企业、政府、消费者三方的利益，可扩展至其他农产品与食品的可追溯与监管。

　　关键词：农产品;加工设计;肉鸡追溯;肉鸡监管;物联网追溯;微信追溯

　　0 引 言

　　笔者认为国内外农产品及食品溯源体系与可追溯系统(平台)的研究大体分为 3 个阶段：第一阶段(199x-2005 年)是针对系列农产品及食品安全事件，在生产、加工、贮藏、运输、消费等环节规范统一标识，制定一系列的标准体系(如 ISO900x、GAP、GMP、SSOP、HACCP)，在此基础上提出了农产品及食品的溯源理念[1-2]并构建了较为先进的农产品追溯系统[3-14];第二阶段(2005-2010 年)是利用快速发展的信息技术(如计算机语言及数据库技术、3S 技术等)在农产品及食品的深度、广度、追溯粒度等方面开展了广泛、深入、系统地研究，构建了多种溯源体系与可追溯系统[15-30];第三阶段(2010 年至今)是利用新兴的物联网相关技术开发的追溯系统，如 Voulodimos[31]与 Karlsen[32]采用物联网核心技术 RFID 实现动物特定识别，任守纲等[33]、赵颖文等[34]、钱建平等[35] 分别用 RFID 与 GIS(geographical information system)实现了畜禽与蔬菜的跟踪与追溯;齐林等[36]、Abhijith 等[37]， Balachander 等[38]采用 WSN(wireless sensor networks)实现水产品与种植产品的监测与控制。颜波等[39]采用 EPC (electronic product code)与 RFID 相结合实现了水产品的追溯。赵春江等[40]、齐林[41]、刘寿春等[42]、王东亭[43] 采用模拟与分析方法实现了可跟踪与追溯。可以说在农产品及食品溯源体系与可追溯系统(平台)研究方面，国内、外专家学者已取得了良好的研究成果，但也存在着如下 4 方面需要改进：1)消费者追溯查询时得到的追溯信息尤其是生产环境信息大多采用人工录入，会不可避免地带来人为干扰而降低追溯信息可信度。2)现可追溯系统大部分集中在某一个或几个企业的产品追溯，对于某单一农产品多个平行企业，甚至整个城市所有企业的单一农产品追溯与全程监管是需要解决的问题。3)农产品的生产一般集中在较为偏僻的农村或郊外，网络接入较为困难，对没有网络接入地区的农产品追溯也是亟待解决问题。4)当前，微信已成为国内移动社交领域的主要媒介，但现有可追溯系统大多采用一维码、二维码与短信追溯等追溯方式，开发基于微信的追溯是提高追溯效率、降低追溯成本的重要途径。

　　本文参考国际标准编制唯一标识码，以物联网 RFID作为肉鸡产业链传递媒介，自主研发基于物联网的肉鸡生产环境监测控制预警系统，将自动采集的肉鸡生产环境信息自动记录到应用于天津市放心肉鸡工程的可追溯平台。天津市各肉鸡生产企业，市、区、乡镇各级监管部门均在一个追溯平台下使用。平台采用 B/S 与 C/S 混合架构开发，追溯方式上除采用一维码网络追溯、二维 QR 码扫描追溯外，还实现了基于微信的追溯。

　　1 系统总体设计

　　1.1 总体框架

　　肉鸡可追溯与监管平台企业以养殖生产与屠宰企业为管理单位，以“公司+农户”生产流程作为主要流程，政府管理人员全程监管，自动采集生产环境数据与日养殖信息集成到追溯信息之中。整个平台的框架如图 1 所示。

　　平台操作始于肉鸡企业认证申请[44]，管理部门审核成功后通过预先创建的模板数据库，平台自动创建该企业的数据库并通过 E-mail 告知企业认证申请人该企业管理子平台及追溯管理子平台的账户及密码，以便于企业登录及操作。在企业管理平台中，企业管理员需要初始化包括部门、岗位、员工、来往企业、肉鸡品种、饲料、药品、疫苗、肉鸡品牌、肉鸡产品等企业基本信息。通过签订养殖合同给肉鸡养殖户放雏。养殖户的养殖管理阶段，每日需要录入肉鸡饲料、饮水、死淘数、用药信息、防疫、异常情况等信息，为疫情预警、政府平台的各项统计工作做好数据基础。养殖环节研发物联网设备监控肉鸡养殖温度、湿度、光照、氨气等养殖环境，自动控制风机、湿帘、进风口等操作。当养殖近出栏日，由企业进行出栏质量检测并出具畜禽质量安全合格证明，之后出栏上报，在政府管理子平台官方兽医进行出栏检疫，检疫成功后方可进入屠宰环节。肉鸡屠宰企业屠宰的肉鸡划分为平台追溯体系内肉鸡与外埠肉鸡 2 种，进入 2 种不同的流程。对于体系内肉鸡通过在养殖环节发放的 RFID 标签读写肉鸡养殖环节基本信息。对于外埠肉鸡根据其动物检疫证开具的信息录入其宰前信息。肉鸡产品销售时，官方兽医进行产品检疫。不论是出栏检疫还是产品检疫，若生产或监管信息某一环节信息缺失或不完善则无法打印检疫证，也无法进入下一环节。为了方便政府管理部门对全天津市肉鸡生产的监管，平台通过数据分析实现了肉鸡的疫情预警及质量安全预警;赋予天津市、区、乡镇各级管理部门不同权限，使得不同权限用户能够对所辖区域肉鸡生产企业、出栏量、存栏量、屠宰量、销售网点等信息进行按时间、按所辖地域及按其他特定需求的多维统计、查询与报表输出。肉鸡养殖、屠宰、加工、检疫信息形成产品追溯码，打印于 80 mm×50 mm 的追溯标签并贴于肉鸡产品包装上。消费者购买肉鸡产品后，根据标签上追溯码信息，通过手机二维码扫描即可扫描肉鸡从养殖、屠宰、加工、检测、检疫等基本信息;或通过 Internet 网络或微信录入一维码信息能够追溯到肉鸡的所有养殖、用药、防疫、出栏检检疫、屠宰加工、产品检疫等详细信息并可对产品进行评价。

　　1.2 平台组成

　　肉鸡可追溯与监管平台包括 3 个子平台：即肉鸡养殖基地与屠宰厂各项操作的企业管理子平台;实现政府检验检疫、统计、抽检与各项管理功能的政府管理子平台;消费者追溯查询评价、各子平台登录入口、各种有关肉鸡政策、新闻及具有电子商务功能追溯管理子平台。

　　1.3 标识方案

　　1.3.1 企业编码标识

　　包括肉鸡产业链环节企业标识、肉鸡标识、人员标识等。为了与国际接轨，参考 EAN/UCC-13 编码中 7-10 位为厂商标识的规定，定义肉鸡企业编码为 10 位。若肉鸡产业链企业具有国家物品编码中心给具的编码，取前 10 位作为其厂商编码，否则，自定义企业的编码为区县行政区划编码 6 位+4 位顺序号作为企业标识编码。

　　1.3.2 员工编码

　　当前在中国境内肉鸡企业最多的员工人数均少于 10 万人，故员工编码采用 5 位编码。因为不同的部门、不同岗位的员工登录后的权限与操作菜单均不同，故 5 位员工编码定义如下：

　　员工编号(5 位)=企业部门号(1 位)+岗位号(3 位)+员工序号(栋舍号)(1 位)。当某位为 0 时，代表管理员，即若部门号为 0，即 0****，代表企业管理部门，岗位号为 000 代表其是岗位的管理员，员工序号为 0，代表其是岗位下养殖栋舍的管理员。这样既区分了权限又 保证了权限不同人员登录后操作菜单不相同。

　　1.3.3 肉鸡编码

　　由于肉鸡采用全进全出的形式进行生产并且肉鸡个体较小且批量较大，故以肉鸡批次作为唯一编码，采用 25 位编码，其定义如下：

　　肉鸡编码(25 位)=企业编码(10 位)+员工编码(5 位)+栋舍号(2 位)+放雏日期(8 位)

　　1.3.4 标识载体与传递

　　企业编码从企业认证申请即开始赋予，员工编码与肉鸡编码在产业链传递时以 RFID 标签作为载体，通过 RFID 读写器，员工不用输入用户名与密码即可实现登录。若追溯码以 25 位的肉鸡编码追溯不便于消费者查询输入，采自定义映射算法将 25 位肉鸡编码映射成 10 位的追溯码，便于消费者通过 Internet 网络追溯或微信追溯。

　　1.4 开发架构

　　采用 B/S 与 C/S 混合开发架构，对于直接能够接入 Internet 的农户采用 B/S 架构;C/S 架构主要用于没有 Internet 接入的养殖户。B/S 构架系统采用 3 层模式[45-46] 开发：

　　1.4.1 表示层(Web 层)

　　表示层，主要接受用户请求，以及返回数据，同时提供应用程序的访问客户端，其主要表示为 WEB 方式，也可以表示成 WINFORM 方式。

　　1.4.2 业务逻辑层(BLL 层)

　　主要操作业务流程的实现、业务规则的制定等具体问题，它处于数据访问层与表示层中间，而且系统对数据库服务器的所有调用都是通过业务逻辑层程序集进行的，起着承上启下的作用。

　　1.4.3 数据访问层(DAL 层)

　　主要是对包括文本、图像文件或者数据库原始数据库访问操作层，实现对数据表的选择、插入、更新、删除等操作。

　　C/S 架构的客户端程序采用 C#.NET 语言开发，打包成.NET Framework 的 Setup 安装文件，养殖用户直接安装即可使用。与 B/S 架构数据传递采用 XML。

　　2 系统详细设计

　　2.1 基于物联网的肉鸡养殖环境监控系统设计

　　要实现肉鸡养殖环境追溯信息的自动采集及肉鸡养殖过程的自动控制与预警需研发养殖环境监测控制系统。其包括养殖环境采集终端、中继器、监控服务器及环境控制器 4 个部分。环境采集终端采用 PIC8F45J10 芯片组，通过接口集成温度、湿度、光照、氨气传感器，具有 4 位 8 段数码 LED 显示;各肉鸡养殖栋舍环境采集信息通过无线通信协议 SI443-2 与中继器进行通信;监控服务器通过有线或无线方式与分布在各个养殖大棚内的嵌入式中继器相连接;通过动态设定阈值的环境控制器对肉鸡养殖现场环境进行控制，可控制加热量、补光、调整进风口角度、控制风机转速、控制湿帘等。为了扩展应用监控服务器与嵌入式中继器通信可自定义设定 RS232、RS485、USB、Ethernet、3G/4G、Wifi、SI443 或 ZigBee 多种方式进行通讯。环境采集终端的电路如图 2 所示。嵌入式中继器的电路框图如图 3 所示。环境控制器的电路框图如图 4 所示[47-50]。

　　监控预警系统监控肉鸡养殖小区每个养殖栋舍的养殖环境，通过 NVR 可在现场进行集成监控。现场采用C/S 架构设置;为了能够在具有 Internet 的 PC 端或移动端监控，还需要将采集到的信息以 B/S 架构上传至远程服务器。远程监控可通过设定各采集参数的阈值，通过短信猫给设定的管理员发送预警短信信息。

　　2.2 基于物联网 RFID 的肉鸡信息传递

　　可追溯监管平台信息流包括人的信息的传递与记录以及肉鸡在产业链上信息传递与记录。因为 RFID 标签存储信息量大并且读写较为快捷，故采用 RFID 标签作为信息的载体。如在人员登录 RFID 标签上存储企业号、员工号、员工姓名等信息。RFID 读写器的频率采用 13.56 MHz，要让其能够在 B/S 架构下读写 RFID 标签，需用 JavaScript 脚本编程，通过 RFID 读写器驱动程序进行发卡、读卡、登录操作。在客户端，不同操作系统，不同的浏览器对 RFID 读写器影响较大，采用脚本检测浏览器类型、版本、平台等信息，在本地下载安装 RFID 读写器的驱动程序。

　　2.3 B/S 与 C/S 架构程序追溯一致关联设计

　　B/S 架构平台操作在企业放雏时，设计“导出单机版放雏信息”。将每一批放雏基本信息导出至如下格式的 XML 文件：

　　C/S 结构程序通过设置读取此 XML 文件，养殖户录入养殖信息，最后也以 XML 文件的形式导入至 B/S 架构的文件，此文件通过出栏报检环节将信息导入至 B/S 架构数据库，以便于养殖信息的传递与追溯。

　　2.4 微信追溯设计

　　首先申请了“天津市放心畜禽产品工程”微信公众号，设置微信公众号账户详情及各项功能菜单设置如图 5 所示。

　　课题组采用 Java Web 开发微信服务器端程序，消费者通过微信查询的数据库也应该与一维码、二维码取得的数据库相一致，但微信查询不应该修改原始数据库的信息，故微信查询数据库表采用追溯平台数据库表的视图来实现。微信开发过程中设置了 action 包、bean 包、 encryption 包、utils 包与 wechart 包。

　　2.5 子平台的数据联动

　　考虑到肉鸡企业、政府管理部门、消费者均会并发操作，涉及数据库并行连接数，故将数据库划分为政府平台数据库、追溯平台数据库，每个认证企业各自独立一个数据库。首先创建一个企业数据库的模板，每个企业在认证申请并审核通过时，通过数据库模板创建基于企业自行设定参数的数据库。并以“RJ”+企业编码作为数据库的名字。

　　为提高分布在不同数据库中的企业操作、政府平台检疫、追溯平台追溯等子平台的操作效率，在数据库管理系统中编写了 583 个存储过程、函数与触发器。在 DAL 层操作数据库中调用数据库存储过程或函数既解决了效率问题，也解决了代码复用问题。

　　2.6 疫情与质量安全预警

　　疫情与质量安全预警采用层次分析法建立指标体系，形成层次结构，构造预警判断矩阵，经一致校验后形成预警信息。以质量安全预警为例：判断表如表 1 所示。

　　重要性判断值越大说明其对肉鸡质量安全预警信息影响越重要。通过判断表构造预警判断矩阵，得出预警信息。

　　3 系统实现

　　平台首页及认证申请界面如图 6 所示。

　　企业认证申请时添加相关企业信息，系统自动向认证用户以 Email 形式发送验证码及账户信息。基于物联网传感器和养殖环境监控实现界面如图 7 所示。

　　图 7a 为研发的数据采集终端，图 7b 为通过网络显示的温度、湿度、光照、氨气监测界面。

　　4. 系统部署与应用

　　4.1 硬件部署

　　为了保证追溯监管平台的可靠、稳定运行， 采用双物理 Web 服务器，双数据库服务器设置。用 Rose 管理软件实现双机的动态心跳切换。

　　4.2 软件部署

　　追溯监管平台在Windows Server2012操作系统平台， Microsoft SQL Server2014 标准版下运行，Web 服务器采用 IIS7。微信追溯 Web 服务器用 Tomcat7.0。

　　4.3 平台应用

　　课题组转化科研成果，投标并中标于天津市畜牧兽医局招标的天津市放心肉鸡工程(放心肉鸡工程是天津市委、市政府实施的放心食品系列工程之一)。自 2015 年 9 月开始在天津市 10 个区县培训与试运行，现该平台已经平稳运行应用于 189 个肉鸡养殖与屠宰企业与天津市各级畜牧政府管理部门。基于物联网的肉鸡生产环境监测控制预警系统能够节本增效，以 1 栋 1 万只肉鸡养殖舍为例，原需要至少 2 名养殖人员管理，现在只需要 1 名人员即可实现管理，使得肉鸡生产企业人工成本降低 50%。天津市辉来旺禽业有限公司、天津市大海实业发展有限公司、天津新农肉鸡专业合作社等大型“公司+农户” 型带动了 1 600 余户肉鸡养殖户从事肉鸡养殖，189 家企业年增利润 3 409 万元，每养殖户年增加收入 0.9 万元。

　　应用过程中遇到了使用者尤其是肉鸡养殖屠宰人员年龄偏大、信息化程度低，对平台操作使用困难等问题，课题组采取了除修改系统，尽量让用户少输入、多选择，在系统易用性上下功夫外，还设立咨询电话、QQ 群、编写印制操作使用说明书，采取集中培训及面对面咨询培训结合，以及在网站上发布操作视频，让用户一步一步跟着视频操作。现在全天津市养殖屠宰及政府操作人员均能较为熟练操作使用，该平台受到了农业部、天津市委、市政府、天津市农村工作委员会、天津市畜牧兽医局及广大消费者的好评。

　　5 特色、创新分析与比较

　　1)自主研发了基于物联网的畜禽养殖环境监控系统，能够将养殖环境参数(温度、湿度、氨气、光照)自动记录到追溯系统平台，并实现企业肉鸡环境实时控制及预警是本研究主要特色。

　　2)单一肉鸡品种在整个城市肉鸡养殖与屠宰企业应用，政府管理部门全程监管肉鸡从生产、屠宰、加工、储运、销售全过程，集成检疫、抽检与各项统计分析并且能够进行疫情预警与质量安全预警是较其他畜禽产品追溯较为突出的优势。

　　3)利用 B/S 与 C/S 混合架构解决养殖户接入 Internet 困难问题，数据库模板技术创建单独企业数据库，并基于同一系列数据库，分别用 IIS 与 Tomcat 两个 Web 服务器实现基于网络与微信的产品追溯也是本文的创新之处。

　　4)基于物联网核心技术 RFID 的信息传递机制与一维条码、二维条码相结合，参照国际标准制定企业码、员工码、肉鸡产业链传递码、消费者追溯码并在肉鸡从生产到销售全过程转换与传递。实现了包括微信追溯在内的多种追溯方式。在追溯平台消费者追溯、评价及肉鸡产品电子商务的全面结合。

　　可用测试追溯码(8APX3FM205)在 http://www. rjzspt.cn 网站或“天津市放心畜禽产品工程”微信公众号进行追溯查询。

　　6 结 论

　　本文将物联网技术应用于肉鸡产品追溯提高了肉鸡产业链追溯信息传递效率，实现了养殖环境全自动控制与预警，提升了产业链企业的信息化管理水平，提高了生产效率。基于物联网的肉鸡可追溯与监管平台现已应用于天津市 189 家企业，使得肉鸡生产企业人工成本降低 50%，可追溯肉鸡产品提升了品牌优势。通过示范合作社、大型屠宰、加工企业新增带动了天津市 1 600 余户肉鸡养殖农户从事肉鸡养殖，使得示范合作社、大型屠宰、加工企业年增利润 3 409 万元，养殖户年增加收入 0.9 万元。兼顾了企业、政府与消费者三方权益的肉鸡追溯平台还增强了政府管理部门的监管手段与效率，保障了消费者的知情权，经济与社会效益巨大。该平台可扩展至其他畜禽产品追溯。鉴于当前养殖户投料方式绝大多数为人工投料方式，未能将肉鸡养殖过程投入品如饲料、水等实现非手工的自动记录追溯平台，此为本平台的不足。下一步加强这方面的研究并扩展该项技术于其他农产品的追溯。——论文作者：陈长喜，许晓华

　　[参 考 文 献]

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文章名称：基于物联网的肉鸡可追溯与监管平台设计与应用

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