冷链食品安全追溯系统的设计与实现.docx

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冷链食品安全追溯系统的设计与实现

硕士专业学位论文

冷链食品安全追溯系统的

设计与实现

TheDesignandImplementationofTheSafeTraceabilitySystemofColdChainFood

作者：

导师：

北京交通大学

2022年4月

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年月日

学校代码：

10004

密级：

北京交通大学

硕士专业学位论文

冷链食品安全追溯系统的

设计与实现

TheDesignandImplementationofTheSafeTraceabilitySystemofColdChainFood

作者姓名：

学号：

导师姓名：

职称：

工程硕士专业领域：

学位级别：

北京交通大学

2022年4月

致谢

本论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师***教授，从开题一直到论文完成，***教授给我提出了大量宝贵的意见，指导我逐步完善论文的各项工作，学习期间在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，他严谨的治学态度和科学的工作方法将激励我在将来的学习和工作中严格要求自己，精益求精。

还要感谢学习期间所有的任课老师，两年来他们不辞辛苦的教学使我增长了大量的知识和技能，在与老师交流和学习的过程中深化了我对各项课程的理解，这些宝贵的经历都将为我将来的学习和工作打下坚实的基础，再次对各位老师表示衷心的感谢。

另外还要感谢我的家人，是家人的理解和支持使我能够专心完成学业。

学业即将结束，在此期间的学习经历让我终身难忘，在此感谢所有曾经关心和帮助过我的老师、同学和朋友们！

摘要

进入21世纪，由于我国经济的迅猛发展，社会生活节奏的加快，人们对于冷链食品的需求量越来越大。

而且，人们在要求冷链食品种类丰富的同时，还要求冷链食品配送及时，冷链食品新鲜、安全、质量高等。

而在冷链物流中各个环节中，很容易造成大量细菌滋生导致食品变质的情况。

目前国内外很多的企业和专家都对该课题进行了研究，如2005年御香苑集团建立的牛肉食品安全追溯系统，对牛的出生、培育、育肥、生产和销售等所有的环节采用追溯体系进行跟踪、查询并监控；且大多数都使用了GPS导航系统对冷藏车的位置、行动轨迹、速度等信息进行实时监管；这些系统的开发从一定意义上对各自领域的冷链物流进行了安全控制；但是仍然存在冷链中断、监控不严格、软硬件设备落后、行业标准不完备等诸多问题。

为此，本文基于物联网相关技术进行了冷链食品安全追溯系统分析与设计研究，进一步推动问题的解决。

其中本文重点对本文作者参与设计的食品信息模块、报警模块、追溯模块等进行详细分析和设计。

本文的主要研究内容包括：

分析了我国基于物联网技术开展冷链食品产业发展的研究现状，选取了猪肉为研究对象；分析国外在物联网应用方面研究以及将其应用于食品冷链物流中的发展趋势；根据国内外的研究现状，总结了论文的技术路线和结构框架；总结分析了物联网关键技术，对其技术架构和技术分析进行了详细的阐述；同时进一步分析了我国冷链食品安全追溯研究中存在的问题，建构了影响追溯研究因素的静态和动态模型；

按照软件开发的流程，重点从业务流程和数据流程的角度来完成系统的需求分析，从政府监管部门、相关企业和消费者三个方面具体阐述了用户需求；详细阐述了冷链食品安全追溯系统的总体设计和详细设计，包括系统物理结构设计、系统逻辑结构设计；在详细设计部分，设计了系统的功能模块、接口和相关数据库；最后对系统进行了界面测试和功能安全性测试，测试结果显示，系统设计满足系统设计要求。

本文的研究从经济效益上可以能够保证猪肉冷链物流的顺利进行，降低企业物流成本和食品安全带来的损失，保障企业的经济利益；从社会层面上讲，有利于增强人们对食品安全的信息，规范冷链市场，提高企业信誉和政府形象，保障民生和社会和谐稳定。

关键词：

冷链、追溯、物联网、模块

ABSTRACT

Enteringthe21stcentury,withtherapiddevelopmentofourcountry'seconomy,thespeedinguprhythmofsociallife,peopledemandforcoldchainfoodisalsogrowing.Also,Peoplenotonlyneedthevarietycold-chainfood,atthesametime,butalsorequiresthetimelydistribution,thefresh,safeandhighqualityfood.But,theproblemisthatitiseasytoproductthelargenumberofbacterialgrowth,whichcanleadfoodspoilageinthestepofcoldchainlogistics.Now,alotofenterprisesandexpertsathomeandabroadarestudyingthissubject,suchastheroyalfragrancegardengroupsetsupthebeeffoodsafetytraceabilitysystemin2005,whichcanrack,queryandmonitoralllinks,includingbirth,breedingofcattle,fattened,productionandsale;AndmostofthemuseGPSnavigationsystemreal-timeregulatetheposition,actiontrack,speedandotherinformationofrefrigeratorcar;Fromasense,thesesystemimplementsthesafetycontrolintheirrespectivefieldsofcoldchainlogistics;Buttherestillexisttheproblems,includingtheinterruptioncoldchain,looselybackwardmonitoring,theoutdatedsoftwareandhardwareequipment,incompleteindustrystandards,andsoon.Therefore,basedonInternetofthingsrelatedtechnology,thisarticleanalyzesanddesignsthecold-chainfoodsafetytraceabilitysystem,furtherpromotesthesolutionoftheproblem.Thispaperdetailedanalyzesanddesignsthefoodinformationmodule,alarmmodule,tracingmodule,whichalltheauthorparticipatesin.

Themainresearchcontentofthispaperincludes:

BasedonInternetofthingstechnology,analyzestheresearchstatusofcoldchainfoodindustrydevelopment,selectstheporkastheresearchobject;Analyzestheforeignapplicationresearchandthedevelopmenttrend;Accordingtotheresearchstatus,summarizesthetechnicalrouteandstructureframework;Analyzesandsummarizesthekeytechnologies,detaileddescribesthetechnicalarchitectureandtechnicalanalysis;Atthesametime,furtheranalyzestheexistingproblems,constructsthestaticanddynamicmodelofthefactorsinfluencingtheretrospectivestudy;

Accordingtothesoftwaredevelopmentprocess,fromtheperspectiveofbusinessprocessanddataflow,mainlycompletesthesystemdemandanalysis,fromgovernmentregulators,relatedenterprisesandconsumersthreeaspects,elaboratestheuserrequirements;Indetailelaboratesthesystemoveralldesignanddetaileddesign,includingsystemphysicalstructuredesign,systemlogicstructuredesign;Inthedetaileddesignsection,designsthesystemfunctionmodule,interfaceandrelateddatabase;Finally,teststhesysteminterfaceandfunctionalsecurity,testresultsshowthatthissystemsatisfiestherequirementofsystemdesign.

Thispaperresearchcanensurethesmoothprogressofporkcold-chainlogisticsfromtheeconomicbenefits,reducesthelogisticscostandthelossoffoodsafety,guaranteestheenterpriseeconomicbenefits;Fromthesociallevel,thisresearchisbenefittostrengthenpeopleconfidenceforfoodsafetyinformation,standardizesthecoldchainmarket,improvestheenterpriseprestigeandgovernmentimage,safeguardsthesocialharmonyandstability.

KEYWORDS：

Coldchain;Traceability;Internetofthings;Module

1绪论

随着人们对健康的越来越关注，食品冷链安全问题已经逐渐成为人们关心的焦点，目前社会上频繁发生的关于冷链食品的安全问题又再次将该问题推向了前面，引起了国家相关部门的高度关注。

1.1研究背景

冷链食品产业需要通过冷链物流来实现，而冷链物流又是非常敏感的，一旦食品在贮存、运输和销售等环节中进行了规范操控失当，使产品受到外界的污染或在发生了变质，就会导致食品安全问题。

从新闻中，在近些年中，我国的食品安全事故一桩接一桩，其中冷链食品的安全也是频繁发生，“湾仔码头”被检测出了金黄色葡萄球菌，这是继“三全”、“思念”之后的又一起重大冷链食品安全事故，并且都发生在了同一年[1]。

同时，在冷链物流中的各个环节中，一旦发生了温度出现变化哪怕细微变化的情况，都会造成大量细菌滋生导致食品变质的情况。

对于此种情况，就要求我们企业在冷链物流的全过程中进行温度管控，既要记录更要做到控制温度。

只有这样，在冷链物流的各个流通环节中，针对异常情况，我们能够根据温度准确的定位问题点。

为了能够保证冷链食品的安全，应该对冷流物流中的各个流通环节进行规范、严格的监管。

对此，国家的职能部门针对频繁发生的冷链食品安全事故多次颁发了法律法规进行安全监管与规范，也取得了一定的效果，但是在实际的管理方式方面却缺乏甚多。

目前我们面临的最棘手的问题是如何将现代的科学技术运用到食品冷链物流的监管之中去。

总之，冷链食品安全问题是关系到民生的重大社会问题，是人们健康生活的前提，而之前的管理体系不能满足了现在人们的安全需求。

传统的管理体系，发生了食品安全问题，甚至有些管理者也无法准确定位出问题出现的地方。

现在引进了物联网的相关技术，能够对食品冷链物流中的每个环节进行有效的监控、数据采集、管理，有利于问题的追溯，这样，才能真正有效的改变目前冷链食品安全的现状。

人们能够清晰的知道自己所买食品的来源甚至更多的信息，而从政府角度来说，市场比较容易规范，便于有关部门对冷链食品进行安全监管，避免食品安全事故发生，给政府造成负面影响。

因此，目前形势对完善的冷链食品安全追溯系统需求显得更加迫切。

为了明确研究，本文对食品冷链物流进行初步的界定，认为食品冷链物流是指为了能够更好的保护食品的品质，降低在物流过程中的损耗速度，对易于变质的生鲜、易腐坏的食品在经历生产、加工、贮存、运输、销售以及配送到消费者手中的各个环节中进行低温处理。

它的整个过程主要技术其实就是制冷，但是需要重点把控在是在物流的全过程，确保他们尽量远离污染源、避免变质，尽最大的可能保护好食品的原有品质。

1.2国外研究现状

要对冷链食品安全追溯系统进行研究，首先需要在分析研究背景的基础上，对系统的相关研究现状进行具体的分析，找到当前系统的存在问题或者研究的主要内容。

1.2.1国外研究现状

早在1999年美国召开的移动计算和网络国际会议第一次提出了物联网技术这个概念，随着发展，逐渐成为一项比较重要的信息技术。

就在2003的时候，美国《技术评论》就提出，物联网技术在将来会是对人类生活影响最大的一项技术[2]。

而物联网真正被提出来是在2005年的国际电信联盟信息社会世界峰会上。

这份会议报告直接指出了物联网技术的普及，将会在人们的生活中植入了一种无线设备，将信息的发展又推向了一个高度，人们可以实现与系统进行沟通，人与人之间的沟通更加自然，甚至物物沟通，人物沟通也将成为现实。

在物联网的核心设备研究方面，传感器是一个感知领域的核心设备，它的高速发展推动了人物互通技术迅速了进入了人们的生活。

尤其在2008年的金融危机过后，各国对物联网这个即将成为下一代新型主流技术的发展更是给予了前所未有的重视[3]。

在物理网体系架构方面，虽然国内外进行了大量的研究，但是研究时间较短，尚未有认可度较高的体系。

其中较为突出的体系有，欧美研究的EPCGlobal体系、日本研究的UbiquitousID（UID）体系[4]。

EPCGlobal是UCC和EAN在2003联合成立的研究组织，1999美国麻省理工学院成立的Auto-ID中心是它的前身，而Auto-ID的目标是构建物联网，制定统一的物联网技术标准。

EPCGlobal和UID中心（UbiquitousIDcenter）的发展初衷都是为了射频识别技术服务的，我国也很积极地参与了该物联网体系的研究，并试图根据这种体系构建符合我国国情的体系、管理模式、技术标准等[5]；

M2M，即machinetomachine是作为目前物联网技术的核心技术，引起了许多企业的关注。

那些大型的运营商凭借雄厚的经济实力已经制定了长期发展的规划，为了企业以后的增长点确定了发展方向，如法国电信专注于医疗领域；Docomo（日本）则关注的是M2M协议；欧洲的运营商们关注M2M的国内市场应用；Orange（法国）关注M2M在车队管理中的应用[6]；T-Mobile（德国）关注M2M在整体方案中的应用；沃达丰则致力于结合自身的特点研发M2M全球服务平台；

欧美国家的经济水平发达，也是过早应用物联网技术为食品冷链物流服务的区域，尤其像活牛和牛肉制品这样的农产品作为欧洲的重要食物，优先运用了可追溯系统。

其中美国对此颁布了较多的追溯管理制度，要求所有涉及食品物流的环节都要有监控记录。

在物联网的技术研究方面，目前RFID系统及传感网络在全球均有较为广泛的应用，其中美国很多集成电路生产厂商已经投入较大的资金进行RFID芯片的研发和生产[7]；如Symbol等公司研发了条形码RFID扫描器，用于条形码的读取和识别；IBM、微软等公司致力于在软件方面研发与RFID应用相关的软件系统。

在这些企业的研发和生产推动下，美国已经将RFID这种物联网技术大量应用于仓储管理及物资跟踪等领域，应用的企业涉及到物流零售业、大型制造业、快递业等美国的各个层次。

于此同时，电子科技较为发达的日本也力争走到技术的前列，积极开发和应用物联网技术，已在贵重物品运送中构建了完善的追溯系统，并初步实现了温度监控，而且应用技术在医疗卫生领域的医疗垃圾追踪中，防止医疗废弃物的不良排放[8]。

到2014年为止，国外发达国家已经在物联网应用方面做出了巨大的尝试，不仅建立了药品冷链物流，而且逐步完善食品冷链物流，并追求对局部技术的改善，追求新技术的运用和改良，环保、节能、安全成为研究的重点：

（1）温度作为食品物流的一个重要指标，只有在有效期内进行全程的监控才行，尤其对那些极易腐蚀的食品，更是需要如此。

在这过程中，测量与监控设备大量的被运用在这过程中，比如利用标签技术储存食品整个生命周期的信息，让消费者更放心的消费。

（2）标准化管理得到执行。

冷链标准化获得了巨大的发展，冷链物流中的相关硬件设备、操作行为都进行了标准化规范，也推动了政府监管部门在冷链领域进行了标准化的管理。

由于欧美法治比较成熟，在食品的每个环节以及各个环节的温度都用法律进行了规范。

值得国内企业注意的是，国外发达国家不仅建立了食品物流追溯体系，而且在生产环节、生鲜食品方面也进行了体系构建，促使食品链和谐健康的发展。

在国外，总的来说，冷链物流的研究还是以企业特征为中心的，产品的生物特性和消费特性在研究中是一项重要的考量条件，针对不同企业的特征，研究的侧重点也不同。

1.2.2国内研究现状

社会问题的发生必然引起社会的关注，近期众多食品安全事件的发生，让人们静下心来开始对国内的食品安全进行了反省与讨论。

为了能够解决安全问题，研究人员研发出了众多解决问题的技术方案。

我们在研发中，借鉴了国外先进的经验，尤其西方在农产品方面的经验非常值得我们学习。

本文也有幸能够借鉴了国内外的研究成果与经验。

从整体上看，我国的物联网相关产业研究与西方发达国家相比，是发展初期阶段，一方面是由政府的重视程度有关，更重要的是科技领域的软件与硬件技术与互联网技术高速发展所需要的标准还有一定的差距[9]。

随着我国政府对物联网的高度重视，在许多政策上都给予扶持，同时也极大的推动了物联网技术在食品冷链物流中的应用。

而随着互联网技术的发展，已经在各行各业中获得了广泛的应用，并且取了非常好的市场反响。

互联网本身拥有监控、通信、自动处理等功能，而这些功能如果能够顺利的运用到食品冷链物流中去，能够比较实时的监控冷链物流中的各项数据，除此之外，还能通过智能手段实现调控冷链食品所处位置的温度，保证食品冷链物流的质量。

随着物联网技术的发展，所应用的领域越来越多，它在食品冷链物流中的作用逐渐受到了人们的关注，尤其在食品、医药、农产品企业等机构的冷链物流中更是成为必不可少的功能之一[10]。

随着技术的发展，每个企业的冷链能力有差异，对于如何去监控整个冷链物流的全称，已经成为人们非常关注的一个话题。

由于对整个冷链物流的研究是一项非常巨大的工程，因此研究人员在对食品冷链物流中的物联网技术问题进行研究时，会选择它的关键技术进行切入点。

比如我们在研究食品冷链物流中RFID识别技术的应用过程中，通过引用了RFID的技术，实现了对整个物流过程进行了重定，由此可以获取物流全程中的冷链食品各个环节的信息[11]，以及冷链食品自身的相关信息，以便及时的进行上货或者进货。

食品冷链物流中，首先在充分分析了冷链物品配送的流程以及相关问题基础上，然后对食品物流配送过程进行细致的剖析，再以食品冷链物流配送是否合理作为判断依据，结合目前的需求，对关于GIS（GeographicInformationSystem）的相关技术应用，从基于GIS的食品冷链物流配送调度的模型和有关智能配送的相关技术、方法等入手，完成质量冷链物流智能配送系统的设计与实现[12]。

为了能够适应物联网技术的快速发展，促使物联网技术在食品冷链物流领域中更规范、更具有可管理性的运用，企业成立了联盟，共同推进。

冷链企业联盟会议讨论结果认为，食品冷链物流的良性循环与可持续发展是根本，后续的发展中需要对冷链进行不断的改进，建立起相应的桥梁方便食品企业、物流企业以及政府之间的沟通交流，三者应该相互团结[13]，共同推进冷链物流产业的发展，维护良好的发展状态，严厉打击对食品冷链物流造成不良影响的行为，构建一个绿色发展的生态体系。

为了规范和促进我国冷链物流产业的发展，2011年中国冷链物流分布图由中国冷链物流联盟组织编撰，并于上海站举行了发布仪式。

该联盟通过联合众多企业，进行资源整合，团结一起，发挥出集体的力量对整个行业进行统筹规划，加强市场更加良性化的发展，为了促进行业更快的迈进一个新的水平，以便能够带动整个经济的发展[14]。

在相关的规范和法律法规研究方面，我国在10多年前就开始有步骤的制定了相关的标准与规范，对后来的研究具有了推动作用。

山东寿光在2004年联合相关部门开展了田苑蔬菜基地系统探索，探讨如何提高食品安全，保障人类健康饮食；此后，一系列冷链食品安全事件进一步刺激了国内对食品安全的关注，提升了对食品质量的需求。

面对市场需求，国内企业纷纷进行了传统体系的改革和新体系的构建，并试图建立完善的追溯体系，其中雨润集团在2012年率首先在可追查体系方面做了探索和尝试，对食品物流安全进行了质量追踪制度和管理的探索，为其他企业的体系建设提供经验和借鉴[15]；黑龙江省面对食品安全问题，做出了长远规划，力争在2015年以前对省内的食品企业进行合并重组，对不规范企业进行清查，不合格企业和违规企业强制破产，建立覆盖县市级的追溯体系[16]。