苏中滨，郭媛媛

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

基于物联网的乳制品溯源系统编码技术研究

苏中滨，郭媛媛

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

基于物联网，以乳制品质量安全溯源为研究对象，以全球统一标识系统（GS1）为基础，应用无线射频识别（RFID）、产品电子代码（EPC）、一维条码、二维条码QR等关键技术，设计应用于乳制品各生产阶段外部溯源的编码标识，将奶牛个体标识和乳制品采集、运输、生产、加工、销售过程进行统一编码。编制溯源码信息包含奶牛养殖场、奶缸、原料奶保温槽车物流信息、乳产品加工厂名称、乳产品生产加工检测、乳产品加工日期、乳产品加工批次等关键信息。该文构建的溯源系统编码技术，是制定实施我国追溯编码标准的有益探索。

编码标准；溯源系统；乳制品；GS1；EPC；QR

食品质量安全可追溯系统是指在食物链的各个阶段或环节中由鉴别产品身份、资料准备、资料收集与保存以及资料验证等一系列溯源机制组成的整体。乳品可追溯系统已成为保障乳品安全的重要措施之一[1-2]。国内外针对乳制品生产、流通与销售过程已开展基于物联网的可追溯系统研究[3-7]，瑞士对干酪实行地理位置信息追溯与预警[6]；意大利结合危害分析和关键控制点（Hazard Analysis and Critical Control Point，HACCP）体系建立针对超高温瞬时处理（Ultra High Temperature treated，UHT）乳的全程可追溯系统[7-8]。

食品安全有效追溯必须建立电子信息化的追溯系统，物品编码技术是食品安全追溯的关键技术[9-11]。目前，乳品可溯源系统多数是基于流通、销售过程进行分析，整个乳品供应链被分割成多个系统，各系统间编码标准不统一，接口不开放，没有统一追溯编码标准，不便于信息互换与共享。由于国内终端乳产品包装物条码仅是商品销售代码无法代表乳产品追溯身份，各乳品溯源系统为终端乳产品提供一维溯源条码，该溯源条码必须在特定检索设备和系统中获取各类溯源信息，使用不方便。一维溯源码仅是提供给消费者终端乳产品生产厂家和生产日期。因此制定实施我国乳产品追溯编码标准和技术规程，是我国乳品质量安全追溯工作科学化、规范化发展的基础。科学、适用的乳制品溯源编码系统是实现乳制品整个供应链自动化、电子化管理及从“牧场到餐桌”全程信息追溯的关键支撑技术。

本文以乳制品整个生产流程（奶牛养殖、原料奶收集及运输、乳产品生产加工、乳产品配送及销售）为研究对象，以全球统一标识（Globe standard 1，GS1）系统标准[12-14]为基础，结合物联网技术使用RFID（Radio Frequency IDentification）电子标签[15-17]及印刷包装，应用EPC（Electronic Product Code）编码技术[18]、一维条码及二维QR（Quick Response）条码技术[19-20]，提出乳制品各生产阶段外部溯源编码技术标准与方法。该编码体系将为乳制品消费者便捷查询乳产品溯源信息提供技术支撑。

1 基于物联网的乳制品溯源系统整体架构

基于物联网的乳制品溯源系统从信息采集、信息处理、信息服务三个层面对整体架构进行分解。信息采集层次主要包括影响乳品质量安全关键因素指标筛选，原材料生产、产品加工、质检、物流的信息获取，为实现乳品的最终溯源提供数据支持；信息处理层面主要通过信息编码技术、信息采集、信息交换、数字化技术以及硬件研发技术，实现乳品质量安全可追溯信息门户研发；信息服务层则通过网络平台、移动溯源终端等多种方式为消费者、监管者提供质量安全信息查询服务。基于物联网的乳制品溯源系统整体架构网络拓扑见图1。

图1 基于物联网的乳制品溯源系统整体架构网络拓扑Fig.1 Overall network topology architecture based on IOT for dairy traceability system

2 标签选择及编码设计

2.1 标签选择

为实现乳制品溯源系统编码技术的规范性和乳制品安全质量的可追溯性，本系统采用RFID结合一维条码和二维条码混合标签模式作为乳制品溯源信息载体。RFID标签是射频识别技术中基于GS1系统EPC编码规则电子标签，遵循EPCglobal制定无接触空中通信规则。本系统将RFID电子标签用于标识奶牛个体，奶牛个体唯一标识信息由RFID标签中EPC编号设定，该奶牛个体唯一标识信息与奶牛养殖数据库中奶牛养殖信息和挤奶信息相关联，该记录信息为乳制品生产者及最终消费者提供溯源信息依据。一维条码由于价格低廉使用方便，在国内广泛应用于零售商品、非零售商品、物流单元、位置、资产及服务领域中。储存原料奶的奶缸及运输车，通过一维条码进行标识，利用一维条码中批号信息对奶缸及运输车中存储的原料奶进行唯一标识；乳制品最终的零售包装也由一维条码标识，包含产品的批号信息。二维条码技术具有信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图像等多种信息、保密防伪性强等优点。国内现已将二维条码技术广泛应用于火车票中。目前常用二维条码技术有QR码，Data Matrix码和PDF417码等。相比较其他编码方式而言，QR码具有超高速和全方位（360°）识读特点及高效的中国汉字表示能力，本系统采用二维QR条码作为终端乳制品的产品溯源码[21-22]。

2.2 乳制品生产流程编码设计

2.2.1 奶牛个体标识编码

图2 奶牛个体标识的GID-96编码结构Fig.2 GID-96 coding structure identified individual cows

本系统利用RFID标签技术对奶牛进行唯一标识，并能将每头奶牛与奶牛养殖系统数据库中所存储的奶牛来源、饲养、健康状况等信息对应。RFID标签利用二进制数据存储个体标识信息，包括三部分：96位的EPC码、24位的Kill码（出于安全的考虑用于破坏RFID卡内信息）和16位的CRC（循环冗余）校验码。EPC码用来标识奶牛个体信息，本系统采用的是符合国际技术标准ISO/ 18000-6C的EPC标签，利用EPC编码信息规范中的通用识别码（General Identifier，GID-96）编码格式，具体编码结构如图2所示。

GID-96编码格式由四部分构成，分别是标头（Header），通用管理者代码（General Manager Number），对象分类代码（Object Class）和序列号（Serial Number）。标头包含8位二进制编码，用于标识EPC的长度、类型、结构、版本，根据GID-96编码格式标头的要求，本系统使用的标头为00110101。通用管理者代码（General Manager Number）包含28位二进制编码，是用来标识组织实体，一般而言是公司或管理者，并负责维持后继字段的编码。EPCglobal给组织实体分配一个唯一的通用管理者代码。本系统将七位十六进制的厂商识别代码转化为28位的二进制编码，作为通用管理者代码。厂商识别代码是国际通用的商品标识系统中表示厂商的唯一代码，由中国物品编码中心统一分配。对象分类代码（Object Class）包含24位二进制编码，用来识别物品的种类或“类型”。本系统将利用对象分类代码存储奶牛的品种信息，在使用时将标识品种信息的6位十六进制转化为二进制代码。序列号（Serial Number）包含36位二进制编码，用于标识具体的单个实体信息，要求在每一个对象分类之内该实体是唯一标识。本系统将奶牛出生日期及序号作为牛场每头某品种奶牛唯一标识，并利用9位十六进制代码进行编码，将该代码转化为36位二进制编码，利用序列号存储这些编码信息。

2.2.2 原料奶收集编码

原料奶信息采集是乳制品追溯系统核心环节之一。本系统整合厂商识别代码、项目代码和批号LOT（line-of-travel）信息对每天生产的原料奶进行唯一标识。该编码通过批号信息确保原料奶与奶牛个体标识间的关联，关联信息通过奶牛自动挤奶装置存储于奶牛养殖服务器中，在标签上能够查询到奶源的准确信息。上述信息采用一维条码标识，将条码张贴到奶缸固定位置上。本系统原料奶收集编码采用非零售商品（GTIN-14）编码结构结合应用标识符（AI）对原料奶进行编码，采用GS1-128条码标准打印，具体编码结构见图3。

图3 原料奶收集编码结构Fig.3 Raw milk collection coding structure

本编码结构主要包括非零售商品（GTIN-14），和批号（LOT）。根据国家标准GB/T 16986-2003《EAN·UCC系统应用标识符》要求在非零售商品（GTIN-14）编码前应用标识符为01，在批号（LOT）编码前应用标识符为10。非零售商品（GTIN-14）编码包含14位十进制代码，其中第一位数字是包装指示符，本系统将此值取为9，表示所编码物品为非零售商品，且以基本计量单位计价，数量随机包装形式；第二位到第八位数字为厂商识别代码，本系统采用奶牛养殖场向中国物品编码中心申请到的七位厂商识别代码；第九位到第十三位为项目代码，本系统规定由厂商根据项目自行分配，并要求厂商将项目注释信息存储到奶牛养殖服务器中；第十四位为校验码，是由本系统根据校验规则自动生成。批号（LOT）编码包含12位十六进制代码，根据当天的流水号由生产管理者自行定义，且需要厂商将流水号注释信息存储到奶牛养殖服务器中。

2.2.3 原料奶运输编码

图4 原料奶运输编码结构Fig.4 Raw milk transport coding structure

我国奶牛养殖场规模和集中程度差异大，无法全面实现从奶牛饲养到乳制品加工都在牧场进行，这就要求有足够的原料奶运输到加工厂。奶牛饲养与乳制品加工脱节是乳制品质量安全隐患。原料奶储运过程中，从挤出到乳制品加工车间，原料奶运输车辆的保温隔热功能以及储运设备的卫生状况是技术上的关键控制点。运输过程中要低温储藏，可使用温度传感器进行温度监控，并把原料奶保温槽车的标识和温度数据传输到乳制品生产商服务器中。本系统在原料奶装车运输时，提供系列货运包装箱代码（Serial Shipping Container Code，SSCC）物流标签，用于对每一个物流单元（原料奶保温槽车）进行唯一标识。通过乳制品生产商服务器，将存储原料奶的奶缸编码与原料奶保温槽车的物流标签对应，并把原料奶运输过程中的温度数据信息存入该数据库中。乳制品生产厂商可访问奶牛养殖服务器，通过查询奶缸的编码获得所需信息。

本系统原料奶运输编码采用系列货运包装箱代码（SSCC-18）编码和应用标识符（AI）结构，并采用GS1-128条码标准打印。原料奶运输编码结构如图4所示。根据国家标准GB/T 16986-2003《EAN· UCC系统应用标识符》要求在系列货运包装箱代码（SSCC-18）编码前的应用标识符为00，系列货运包装箱代码（SSCC-18）编码结构包含18位十进制编码，其中第一位为扩展位，表示包装类型，由建立SSCC的厂商分配，取值范围为0～9；第二位到第八位数字为厂商识别代码，采用乳制品生产商向中国物品编码中心申请到的七位厂商识别代码；第九位到第十七位为系列号，由生产商根据当天的流水号分配唯一编码；最后一位为校验位，由系统根据校验规则自动生成。

原奶运送途中，原奶供应商可采用全球可回收资产标识符（Global Returnable Asset Identifier，GRAI）编码对原奶保温槽车进行标识，对标签初始化，便将GRAI编码顺利转换为EPC编码。RFID电子标签中储存有EPC编码，结合GPS全球定位系统，实现运输过程的实时跟踪定位。

原料奶、牛奶、奶产品在生产、加工、检测及运输过程中需处于一定低温状态，所以对奶产品加工过程中的温度监控，使用有源电子标签，选择UHF频段、带延长线的RFID标签，可采取固定温度探头在采集点或伸入温度探头到采集点两种方式；在运输车辆内也装有内部带有温度传感器的有源射频标签，温度传感器能够实时获取温度数据，传送给相连接的EPC电子标签储存，实时记录车厢内温度。

2.2.4 乳制品生产加工环节编码管理

在供奶商向生产商发货前，利用电子数据交换（EDI）将该批原材料的物流单元编码（SSCC-18）及奶牛与贮奶缸、原料奶保温槽车的对应关系及基本信息上传至乳制品生产商数据库中。原料奶保温槽车到达奶产品加工工厂时，生产者通过其SSCC物流标签可查询到奶罐中原料奶的来源、批次、产奶时间等信息，对原料奶量等信息进行验证，并记录到后台数据库系统中。对原料奶进行理化、微生物等质量检验，合格的原奶进入生产加工环节；不合格的原料奶应及时处理，并将检验结果写到标签上，传到后台乳制品生产商数据库信息系统中。

原料奶加工至奶产品生产流程，属于“整入零出”类型，本研究把源自同一奶罐车加工而成的牛奶或奶产品定为同一批次。具体界定“同一批次产品”的方法为：在生产开始，向储罐中放置感应器记录奶罐中原料奶的容量，传到后台管理信息系统，以此标记生产开始时间T1，和原料奶耗尽时间T2。设定将原料奶加工成奶产品的平均时间为t，则规定T1+t至T2+t时间内生产的牛奶或奶产品视为同一批次。

经过加工的奶产品由生产加工企业分配唯一的零售商品GTIN编码标识给零售贸易单元，根据不同的产品种类分配不同批号，采用零售商品GTIN-13编码结构对每盒/袋奶产品进行分类标识，乳制品生产编码结构见图5。在此编码结构中，第一位到第七位为乳制品生产商的厂商识别代码，由中国物品编码中心统一向申请厂商分配；第八到第十二位为商品项目代码，由生产厂商遵循无含义性的编码原则，即商品项目代码中的每一个数字既不表示分类，也不表示任何特定信息，以流水号形式为每个贸易项目编码。最后一位为校验码，由系统根据校验规则自动生成。

图5 乳制品生产GTIN-13编码结构Fig.5 Dairy production GTIN-13 coding structure

2.2.5 乳制品溯源编码

终端乳产品的溯源码是面向消费者对乳制品进行溯源信息追踪的需求开发的编码规则。编制溯源码信息包含奶牛养殖场、奶缸、原料奶保温槽车物流信息、乳产品加工厂名称、乳产品生产加工检测、乳产品加工日期、乳产品加工批次等关键信息。在乳产品销售包装上使用该溯源码。

本系统使用QR Code二维条形码作为乳产品溯源码，乳产品生产厂商为每批出厂乳品分配具有惟一性的二维编码，并利用乳产品溯源数据管理系统存储、共享出厂乳品的相关信息。消费者购买到乳产品时，利用安装二维码识读软件的智能手机扫描包装上的二维码，可通过运营商通信网络触发溯源数据管理平台“二维码验证服务器”响应，二维码验证服务器对二维码进行解码、验证后，将在数据管理平台的溯源信息数据库中查询到的产品相关数据，回传到消费者手机上。

3 生产实现

3.1 整体编码结构

本系统基于当前国际通用的物品编码技术GS1系统，在乳制品生产、存储、运输、加工销售整个流程中实施系统编码设计（见图6）。该乳制品溯源系统，在奶牛养殖阶段使用RFID电子标签标识奶牛个体，以EPC-96编码结构中的通用识别码GID-96编码结构存储奶牛信息。奶牛经过自动挤奶装置时，装置记录奶牛标识后，结合该奶牛所挤牛奶的重量等信息传回奶牛养殖数据库。奶牛饲养或其他人员可使用PDA等手持设备扫描RFID耳标，通过无线网络获取奶牛养殖数据库中该奶牛的饲养及挤奶等信息。在原料奶收集阶段，贮奶缸编码采用GTIN-14编码结构并结合应用标识符AI表示，该编码中的批号可唯一标识该奶缸中的原料奶。原料奶运输过程中，奶罐车采用SSCC-18编码结构结合应用标识符AI表示，该编码中的系列号可唯一标识该奶罐车。本系统使用GS1-128—维条码技术对系统中的贮奶缸编码及奶罐车编码进行标识打印；乳制品生产阶段使用GTIN-13编码结构作为产品的销售编码；利用二维QR编码技术实现乳制品的溯源码编制，并最终将产品的销售码和溯源码打印在乳产品零售包装单元上。对于直接影响到乳产品质量安全的环境信息、奶牛个体信息、生产与运输过程中的温度信息，使用RFID标签进行记录。在溯源实施过程中，从养殖、存储、运输及终端销售四个环节具体研究信息标识方法。对原料奶与乳产品加工操作设备设施的监控，采用超高频无源电子标签进行信息记录，可贴在加工设备上或用螺丝固定在设备上。该系统编码网络结构图见图7。

图6 乳制品生产整体流程编码Fig.6 Dairy production overall encoding process

图7 系统编码网络结构Fig.7 Coding system network structure

3.2 数据采集技术标准

本系统采用国际动物食品安全追溯标准IS011784/5的134.2 KHz电子耳标，作为乳牛养殖的数据标识；采用国际物流行业一致认同的EPC标准，作为项目物流电子标签标准；以有源RFID温度标签、车载温度传感器作为冷链物流温度数据采集和储存设备，以3G技术作为数据传输通道，用户可自定义温度采集频率；系统整体平台符合国家电子政务相关标准与规范要求，同时参照政府相关政策法规，技术方面遵循业界标准包括XML标准、Web服务标准等。

3.3 应用实例

奶牛RFID耳标EPC-96（GID-96）编码见表1。通过PDA等手持设备扫描奶牛RFID耳标信息，通过无线网络将奶牛标识EPC编码等信息传入奶牛养殖信息数据库中，把对应标识信息的奶牛各种养殖及挤奶数据传回PDA等手持设备上，以供养殖人员及其他人员对奶牛养殖信息查询。

表1 奶牛耳标EPC-96的二进制编码构成Table 1 Constituting of binary coding standard EPC-96 for cow ear tag

该厂商识别代码6903434为奶牛养殖厂申请的唯一标识，奶牛品种十六进制600800表示荷斯坦奶牛；序列号由奶牛出生日期及序号组成，十六进制表示为10090832D，100908为奶牛出生日期，表示2010年09月08日出生。32D为序号，由奶牛养殖厂根据当日流水号编码。十六进制EPC：35690343460080010090832D。

在奶牛进入自动挤奶装置时，自动挤奶装置扫描奶牛RFID耳标，把奶牛的耳标信息及奶牛所生产牛奶的重量及质量等信息传入奶牛养殖管理数据库中保存记录。把奶牛标识编号与原料奶奶缸编码中的批号（牛奶的批号）相关联。

原料奶奶缸的编码如图8a所示，采用GTIN-14编码标准并结合应用标识符AI，采用GS1-128条码标准打印。应用标识符（01）表示其后的代码为GTIN，包括：厂商识别代码为6903434，项目代码为99125，验证码为8。应用标识符（10）表示其后的代码为批号，值为1036CA6DF156。原料奶奶罐车的编码如图8b所示，采用SSCC-18编码标准并结合应用标识符AI，采用GS1-128条码标准打印。应用标识符（00）表示其后的代码为SSCC，包括：扩展位为0，乳制品加工厂厂商识别代码为6950518，系列号为000009786，验证码为0。

图8 乳制品溯源编码应用实例Fig.8 Example of traceability coding application for dairy products

乳制品销售包装的编码包括GTIN-13及溯源编码QR，如图8c所示。GTIN-13编码用于产品的销售，包括乳制品加工厂厂商识别代码6950518及商品项目代码70111和一位校验码8。溯源编码QR包含产品加工日期：2012年8月6日；乳制品加工厂：A地（厂商识别代码为：6950518）；奶牛养殖厂：B地（厂商识别代码为：6903434）；奶缸；原料奶运输车；奶产品生产加工检测信息。

4 结论

本系统基于当前国际通用的物品编码技术GS1系统，采用物联网、信息编码等技术，在乳制品生产、存储、运输、加工销售整个流程中实现系统的编码设计；利用二维编码技术编制适合于我国乳品产业现状与需求的乳制品溯源码。当出现重大生产事件或发现奶产品质量问题时，生产商可对有害产品、次成品、由于生产失误、储存物流等原因造成损伤的奶产品进行回收。根据奶产品的溯源编码标识可快速定位问题奶产品，提高奶产品回收与处理效率。

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Application of coding based on IOT for dairy traceability system

SU Zhongbin,GUO Yuanyuan(School of Electric and Information,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

In this paper,based on IOT(Internet of Things)and GS1(Globe standard 1)to dairy quality and safety traceability as the research object,the application of RFID(Radio Frequency Identification),EPC(Electronic Product Code),one-dimensional codes,two-dimensional code QR and other key technologies used in the design of the various stages of production of dairy external traceable identification code,which will identify individual cows and dairy collection,transportation,production, processing and marketing process of a unified coding.Information prepared traceability code contains critical information dairy farms,milk tanks,raw milk holding tank logistics information,the name of dairy products processing plant,dairy production and processing to detect,milk products processing date, batch processing and other dairy products.This paper build traceability system for encoding technology developed and implemented in terms of traceability coding standard is a useful exploration.

coding standard;traceability system;dairy;GS1;EPC;QR

S932.4

A

1005-9369（2014）08-0110-08

苏中滨,郭媛媛.基于物联网的乳制品溯源系统编码技术研究[J].东北农业大学学报,2014,45(8):110-117.

Su Zhongbin,Guo Yuanyuan.Application of coding based on IOT for dairy traceability systemJ].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):110-117.(in Chinese with English abstract)

2013-11-18

国家科技支撑计划项目（2012BAK17B04）

苏中滨（1965-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为农业信息化、农业物联网。E-mail:suzb001@163.com

时间2014-7-18 15:02:53[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1502.010.html