无线射频和云计算技术在原料乳收购和计价中的应用

2014-03-13李晰晖任国谱

食品工业科技 2014年9期

李晰晖，任国谱*

（1.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙 410004；2.湖南亚华乳业有限公司技术中心，湖南长沙 410200）

近年来，乳制品特别是婴幼儿奶粉安全事故频发，其中主要的原因是由于原料乳的品质得不到保证。我国目前奶牛的饲养方式主要是散养，奶牛养殖和管理水平不高，原料乳的质量水平较低。如何提高原料乳的质量安全，已经成为我国乳制品行业发展过程中迫切需要解决的问题[1,2]。目前，各种先进的信息技术正在研究和利用，近年来出现的无线射频溯源技术和云计算技术成为当前解决该问题的最佳选择。无线射频技术是一种非接触的自动射频识别和数据捕获技术[3]，它通过无线射频信号自动识别目标对象并且获得电子标签的数据，识别过程无须人工干预，可以在各种恶劣的环境下工作[4]。RFID技术可以同时识别多个电子标签并且可以识别高速运动的物体，操作简便快捷[5]。在澳大利亚，政府建立畜牧标示和追溯系统，使用统一的电子标签对牛和羊实施管理[6]。美国的 PurduePharma制药公司将无线射频电子标签贴在药品的包装瓶上，对药物的流向进行追踪及监控。北美最大的食品服务营销和分配组织SYSCO公司，已经完成低温储运系统的 RFID电子标签和传感系统集成测试，测试结果表明 RFID技术在食品运输过程中对食品温度和湿度等环境参数的监控能力很强，可有效的保证食品品质和质量安全[7]。在国内，基于RFID技术的“安全猪肉监控追溯系统”于2005年在上海投入使用，该系统将RFID电子标签打在猪的耳朵上，通过读写器实时获得生猪的饲料、病历、喂药、检疫等信息[8]。而对于原料乳的安全性的保证，是一个持续的监控过程，需要对从奶牛养殖到原料乳收购的整个过程进行监控。利用RFID标签实现原料乳来源的跟踪追溯，利用云服务端信息平台实现原料乳来源及其品质信息的保存和共享，是提高乳品企业收奶的效率和收奶的品质，保证原料乳的质量安全的有效措施。

1 云计算技术

云计算是一种基于互联网的超级计算模式，将分布于不同地点的电脑、服务器、移动设备等各种软硬件资源结合在一起，具有着强大的存储和计算能力[9]。把数据存储在云端，可以缓解乳品企业设备紧缺的状况，并且通过云计算服务提供商的保护措施，保护数据的安全。而且建立一个云端的信息管理系统，还可以分享数据资源，提高数据的利用率。采用云计算模式可以利用云平台强大的计算资源、存储能力、互联和无限拓展的能力，将原料乳信息档案系统建立在云端，按照乳品企业的需要及其实际情况来制定合适的软件服务，可以大大降低现阶段乳品企业在软件、平台搭建的费用，同时可以解决不同乳品企业信息化建设参差不齐的现状[10]。

基于云计算技术的原料乳质量控制系统是在RFID技术、云计算技术和互联网技术的基础上，实现原料乳品质的监控和原料乳的溯源管理。原料乳质量控制体系是由RFID系统、中继服务器、监控系统和云服务器端的数据库组成[11]。原料乳质量控制系统的组成如图1所示。

图1 原料乳质量管理信息系统的构成Fig.1 The composition of raw milk information management system

RFID系统：RFID系统即信息采集体统，由电子标签、PDA读写器组成，主要用于奶源信息和原料乳品质信息的读取和写入。

中继服务器：主服务器负责将原料乳的来源信息及其品质信息进行预处理，经过格式的转化和数据的编辑排版，制作成原料乳信息系统数据库所需的数据格式，然后通过互联网传到云服务器端的数据库中，以减少主服务器的读写频率，提高主服务器的响应速度。

监控系统：监控系统是由检测仪器和配套的计算机以及相应的软件组成，主要是原料乳收购过程中对原料乳的品质进行监控。

云服务端：云服务器端的数据库只要用于原料乳来源和品质信息的保存和共享，以及原料乳品质信息的数据分析、原料乳的定价和奶源品质查询等。

2 系统设计

2.1 系统结构

原料乳品质信息系统由信息采集、监控中心、信息服务三部分组成，其系统结构如图二所示。

图2 原料乳品质信息管理系统的组织结构图Fig.2 The organizational chart of raw milk information management system

信息采集：由电子标签、读写器以及天线等构成，主要完成原料乳来源信息、原料乳品质信息和奶牛场信誉等级等信息的识别和查看。

监控中心：由PDA读写器、乳品企业收奶站中的电脑及其相应的软件构成，对原料乳的收购过程进行监控。

信息服务：提供原料乳来源、原料乳品质信息和原料乳计价信息的存储和查询

工作过程：

当贮奶罐送入收奶站时，阅读器读取到贮奶罐上的电子标签中的EPC编码，基于读到的无线射频电子标签的唯一编码，PDA读写器通过无线网络从原料乳信息管理系统中下载该奶牛饲养场的数据到读写器，包括奶牛饲养场的基本信息、原料乳品质信息和奶牛养殖场信誉信息等。收奶前，根据该奶牛养殖厂所产原料乳的品质信息和信誉等级，确定是否收购及原料乳抽检的指标和频率。

原料乳的抽检指标主要包括原料乳理化指标和卫生指标[12,13]。理化指标通过乳成分自动检测仪进行检测，检测结果通过配套的计算机和互联网上传到中继服务器，中继服务器再把奶牛养殖场及其所产原料乳的品质信息打包后通过互联网上传至云服务器端。而卫生指标和有害成分的检测由于不能立即检测出结果，则由收奶员抽样，打印与贮奶罐上电子标签相同编码的条形码贴于样品上，送往中心实验室进行检测，检测结果由中心实验室的工作人员根据条形码在电脑上将实验的结果输入电脑，并通过因特网上传到中继服务器，中继服务器将信息封装后通过互联网将数据发送到云服务器端。云服务器端根据原料乳的理化指标和卫生指标以及具体的计价参数对原料乳定价[14]。RFID和云计算技术在原料乳收购和计价中的运用流程图如图三所示。

图3 RFID和云计算技术在原料乳收购和计价中的运用流程图Fig.3 The flowchart of the application of RFID and cloud computing technology in acquisition and pricing of raw milk

2.2 系统实现

2.2.1 信息采集原料乳品信息采集系统采用超高频的无线射频技术，该技术优点在于RFID电子标签是一种非接触式的自动识别的电子标签，RFID读写器通过射频信号自动识别目标对象并获取数据，识别的工作无需人工干预且可以在各种恶劣环境中工作[15]。超高频的RFID技术具有较远的读写距离，操作快捷方便。乳品企业给注册的奶户的贮奶罐配置RFID电子标签，每个贮奶罐都有唯一的EPC编码，电子标签卡中记录着奶牛养殖场的基本信息，并预留一部分的空间，供乳品企业设置其存储不同的内容，以满足不同乳品企业的需求。在云服务器端的数据库中都存放着该贮奶罐的相关信息，包括养牛养殖场地点、法人代表、原料乳的品质信息、历史送奶量和信誉等级等。当贮奶罐上的电子标签进入读写器的读写范围，读写器读出贮奶罐的EPC 编码，通过无线网络将贮奶罐的EPC编码和云服务器端的数据库建立联系，实现EPC编码到奶牛养殖场详细信息之间的映射，找到对应的文件，并将其显示出来，根据读取的贮奶罐的EPC编码完成奶源信息的确认。

2.2.2 监控中心原料乳的收购过程中，通过原料乳品质信息管理系统对奶牛场过去所产原料乳的品质进行综合评分和划分等级，根据结果读写器上显示不同颜色的指示灯，收奶员根据不同的指示灯进行操作，如红色表示该奶牛场所产的原料乳质量不合格，则拒收；黄色表示该奶牛场所产原料乳的质量指标合格但是具有改善的空间，则维持抽检的项目和频率；绿色表示该奶牛场所产原料乳的质量良好，可以适当的减少样品的抽检项目和频率[16]，同时系统会根据本次抽检样品的质量检测结果上调或者降低改奶牛场的综合评分和信誉等级。收奶过程中，计量器对原料乳进行计量，通过配套的电脑将收奶量通过中继服务器和奶牛养殖场信息打包后上传到云服务器端的数据库中保存和共享。

2.2.3 信息服务信息服务主要由云服务器端的数据库、各个客户端及其软件构成。通过信息服务平台可以实现对原料乳来源及其品质信息的保存和共享。信息服务系统主要包括原料乳来源及其品质信息数据库、原料乳品质分析系统和用户查询平台的构建与共享。

在云服务器数据库中，为每个奶牛场和贮奶罐建立档案，记录奶牛场的EPC编码、地址、法人、送奶量、所送牛奶的品质和信誉等级。奶牛产奶量和原料乳的品质信息通过计量器和检测仪器检测的计量和检测，通过配套的电脑和网络上传到云服务端的数据库中，而且历史送奶数据记录也不会被删除，它们对收奶员判断是否收奶和确定奶牛场原料乳样品的抽检项目和频率具有重要的指导意义。当云计算信息服务平台搭建起来后，原料乳来源及其品质信息可在不同的地方进行查询，实现了原料乳的溯源管理，当原料乳出现问题时，可迅速追踪问题的原因。

基于RFID和云计算的信息服务系统，其云服务端设有原料乳信息数据分析单元，分析单元根据奶牛产奶量及其产奶的品质分析判断出奶牛的健康状况以及饲养存在的问题并给出饲养的建议。基于云计算服务平台的专家诊断系统，以综合数据库系统、经验知识库为基础，实现原料乳品质的简单评估与分析。云服务平台对原料乳指标数据的管理不仅仅限于简单的搜集和整理，而是利用云平台提供的强大计算能力对大量原料乳品质信息数据进行有效的分析，将分析计算的结果作为计价参数的选择和计价方式的确定提供参考，同时将分析结果和计价方式提供给奶牛养殖人员，以促使奶牛养殖人员改善奶牛养殖技术。智能分析和系统采用统计、数学推断等方法对所测原料乳成分的各项指标进行科学的分析，结合专家设置的奶牛养殖信息知识库，推测出奶牛的健康情况，并给出推荐的解决办法。

原料乳品质控制信息系统运行在两个云服务中，乳品企业和质检机构使用的原料乳信息管理系统架设在私有云上，可对这些养殖数据有着更高的浏览和操作权限，云服务提供商会对私有云的数据进行加密和保护处理，防止的数据丢失或遭到更改。乳品企业对所购买的原料乳的来源、品质和定价进行管理，确保原料乳来源的安全性和可追溯性；食品安全监督部门对原料乳的质量参数进行统计分析，为相关限量标准的制定提供参考。奶牛饲养人员和消费者使用的原料乳信息查询系统架设在公共云上，奶牛场养殖人员可以登录系统查看自己的收入状况、原料乳的定价指标和专家提供的改善奶牛饲养技术的措施，消费者可以在系统上查找自己所食用的乳制品的原料乳的来源及奶源的品质。

3 结论

本文主要实现了采用RFID和云计算技术对原料乳收购和计价过程进行管理，提高原料乳收购的效率和所收原料乳的品质。在RFID和云计算技术的支持下，根据奶牛场的信誉等级和原料乳的品质信息确定抽样的指标和频率，同时系统自动根据原料乳的理化指标和卫生指标确定原料乳的收购价，从而提高乳品企业资源的利用效率。原料乳信息服务平台的构建可以方便奶农对奶场所产原料乳的质量、计价参数的选择及计价方式的进行了解，激励奶农提高奶牛养殖技术和原料乳的质量，乳品企业可以根据所收原料乳品质的数据统计调整收购标准和计价参数，质量管理部门根据原料乳分成的各项指标的数据统计调整其限量标准。RFID和与计算技术在原料乳收购和计价中的运用，将会提高乳品企业收奶的效率和收奶的品质，从而促进乳品行业的健康发展。

但是，文中只阐述了原料乳收购过程中对原料乳的质量控制，而贮奶罐上电子标签中的信息也只针对奶牛场，当原料乳出现质量问题时，并不能追溯到个体奶牛，也不能根据所收购的原料乳的品质得出个体奶牛的身体状况和产奶情况。因此,要对原料乳的质量进行全程控制和溯源管理，需要从奶牛的饲养和管理、挤奶、原料乳的贮存和运输以及原料乳的收购过程进行全程监控。在建立原料乳质量管理系统的同时，利用无线射频和云计算技术建立奶牛信息管理系统，对奶牛的饲养管理和挤奶过程进行监控，并将原料乳质量信息和个体奶牛管理相联系，当原料乳出现问题时，就可以追溯到具体的奶牛，从而实现原料乳的真正溯源。

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