加密二维码在海产品质量溯源系统中的应用.pdf

现代食品XIANDAISHIPIN92/食品科技Food Science and Technologydoi:10.16736/41-1434/ts.2023.19.024加密二维码在海产品质量溯源系统中的应用Application of Encrypted Two-Dimensional Code in Seafood Quality Traceability System 邵佳莉1，张建科2，吴远红2（1.舟山市市场监督管理局普陀分局，浙江 舟山 316100；2.浙江海洋大学信息工程学院，浙江 舟山 316100）SHAO Jiali1,ZHANG Jianke2,WU Yuanhong2(1.Putuo Branch of Zhoushan Market Supervision and Administration Bureau,Zhoushan 316100,China;2.Zhejiang Ocean University School of Information Engineering,Zhoushan 316100,China)摘 要：海产品作为人们日常生活的主要食物来源之一，其质量安全受到消费者高度重视。“全球二维码迁移计划”（Global Migration to 2D，GM2D）是国际物品编码组织在 2020 年底提出的一项全球倡议，推动物品编码由一维条码转向二维码。以二维码迁移为小切口，拓展深化应用场景，打造一码集采、一码溯源等用码场景，利用现代计算机、通信及人工智能技术，基于二维码和非对称加密技术设计了海产品质量溯源系统，重点分析了 RSA 加密算法的设计和实现，确保了溯源信息的可靠性和安全性。关键词：溯源；二维码；RSA 算法；密钥Abstract：As one of the main food sources in peoples daily life,the quality and safety of seafood are highly valued by consumers.The“Global Migration to 2D”(GM2D)is a global initiative launched by the international article coding organization at the end of 2020 to promote the shift from one-dimensional barcode to quick response(QR)code.With QR code migration as a small incision,we expand and deepen the application scenarios,and create one-code collection,one-code traceability and other code scenarios.A seafood quality traceability system based on two-dimensional code and asymmetric encryption technology was designed by using modern developed computer,communication and artificial intelligence technology,the design and implementation of RSA encryption algorithm are analyzed to ensure the reliability and security of traceability information.Keywords：trace to the source;two-dimensional code;RSA algorithm;secret key中图分类号：TP391随着社会经济发展以及生活水平的提高，人们对食品质量的重视程度也越来越高。海产品是重要的食品来源，我国是世界上海鲜消费量最大的国家之一。海产品味道自然鲜美、无添加剂的特点使其深受人们欢迎。目前市面上的海产品来源主要分为近海捕捞、远洋作业和海水养殖 3 种。受各种因素影响，海水养殖的产量占比越来越大。影响海产品质量的因素有很多，包括产地、存储方式、运输时长等，养殖水产还需考虑用水、苗种质量、饲料兽药、药物残留量等因素。不同质量的海产品鲜度、营养成分和价格差异都很大。例如，野生大黄鱼的价格是养殖大黄鱼的一百多倍。近年来，市场上部分商家为追求高额利润，或把远洋作者简介：邵佳莉（1996），女，本科，科员，研究方向为食品安全监管与 GM2D 应用。通信作者：吴远红（1979），女，硕士，副教授，研究方向为计算机应用。E-mail：wu-。现代食品XIANDAISHIPIN93/食品科技FoodScienceandTechnology水产品的产地标注为近海，或把养殖水产标注为野生水产，还有些把冷冻水产解冻后充当鲜活水产销售，有些商家利用信息不对称性，把低档鱼类充当高档鱼类出售。为维护消费者利益，同时保护合法商家的声誉，海产品质量溯源已经成为大势所趋的行业需求。海产品质量溯源的方法较多，菜市场的管理部门会通过化学分析、超微分析等手段实现质量监管。存储运输环节商家会使用无线射频技术，在海产品包装上加贴带芯片的标识1，自动采集和读取相关信息，海产品流向也记录存储在芯片上，为海产品追溯提供防伪、防窜货及信息追溯功能。海水养殖领域则较多应用信息采集法，利用无线传感网直接采集环境信息、智能化视频监控记录状况、电子门禁系统记录养殖人员、产品检测报告自动数字化等手段，把海产品追溯的重要关联信息上传至质量监管部门2。消费者一般使用网站查询、电话问询、条形码识别、微信公众号查询进行信息溯源。随着机器视觉技术的发展，二维码技术的应用在社会各个方面得到推广。手机的普及使消费者只需扫描二维码即可得到商品的相关信息。当前，利用二维码技术结合数据库技术、网络或云服务技术，实现商品在生产、存储、销售等全领域的数字化信息记载，不仅让消费者了解商品的质量信息，还能让监管部门实时监控商品的生产过程，提高消费者的知情权和商家的公信力。纵观国内外，二维码技术已经被广泛应用到各类商品质量溯源中，但是溯源对象大部分为非鲜活产品，鱼、虾蟹等海产品溯源系统的研究很少。本研究在充分了解海产品产业链中货物标识方式的情况下，结合企业与消费者的需求，采用时间戳编码技术唯一标记海产品群体，使用 RSA 加密二维码技术，构建了一个面向渔业公司、养殖企业及公众用户的海产品质量溯源平台，保障消费者快捷精准地查询到海产品在生产各环节的质量信息，确保海产品全过程安全控制，为消费者提供新鲜、安全、优质的放心产品。1 二维码技术与 RSA 加密1.1 二维码技术传统的一维条形码技术存在信息量少、无错误纠正能力、保密防伪性能差、可靠性低、可述信息种类少等缺点。基于以上缺点，国际物品编码组织在 2020 年 底提出了“全球二维码迁移计划”（Global Migration to 2D，GM2D）全球倡议，预计于 2027 年实现所有商品从一维条形码到二维码的转换。二维码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。二维码以特定的几何图形按一定规律在平面上分布黑白相间的图形来记录数据信息。在代码编制上巧妙地利用计算机二进制构成比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示数值、文字信息，通过图像扫描设备自动识读出并自动处理。二维码具有储存信息量大、内容丰富多样、保密性强、追踪性强、纠错能力强、识别率高和成本便宜等特性3。特别是即使有一部分图形缺损或形态扭曲还是可供识别辨认的特点，使二维码逐渐取代一维条形码。二维码溯源有两种方案，第 1 种方案是在二维码的编码中直接描述海产品的相关信息；第 2 种方案是先对海产品进行商品编码，且具有唯一性，在二维码中记录此编码，存储于数据库服务器上的相关信息与此编码一一对应。方案二相比方案一具有以下优势。可追溯的信息量大。不仅包括数字、文字信息，还包括记录生产过程的相关视频信息。追溯的信息动态化。海产品存储、运输的方式和时长是影响质量的重要因素，服务器中的数据库可实时更新海产品的此类信息，使消费者掌握最新的信息。本研究采用方案二，利用网络、数据库服务器和 Web 服务实现基于二维码的海产品质量溯源 系统。1.2 RSA 加密算法RSA 算法是被广泛研究的公钥算法，从出现至今，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们所接受，被普遍认为是目前最优秀的加密方案之一。RSA 算法属于非对称加密技术，它使用一对密钥，即公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。私钥只能由一方安全保管，不能对外泄露，而公钥则可以直接对外公开。如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密。相反，如果用私有密钥对数据进行加密，则只有用对应的公开密钥才能进行解密4。RSA 算法的安全性依赖于大数分解的困难性，密钥的长度通常达到千位，产生密钥的过程比较复杂，运算速度相较于对称密码算法较慢5。但本研究中加解密过程都是在服务端实现，借助现代计算机强大的运算能力，RSA算法的这一缺点并不影响系统的整体性能。2 溯源系统设计海产品质量溯源系统的总体设计分为信息采集和现代食品XIANDAISHIPIN94/食品科技Food Science and Technology入库、RSA 加密和二维码生成、数据库查询和 RSA解密。系统采用 MVC 三层架构6，如图 1 所示。视图层数据层控制层溯源查询溯源信息采集RSA 加密解密视频信息养殖信息基本信息二维码生成海产品编码后台管理图 1溯源系统框架图数据层（模型）的开发，使用MySQL数据库设计，数据库中主要为海产品信息表和用户信息表。此外为提高系统的可操作性和健壮性，减少信息冗余度，增加了鱼类名称表、海域名称表、企业名称表、饲料信息表等辅助表。控制层与数据层之间的接口采用 Web Service 模式，控制层只能通过向 Web 服务器提交数据写入或查询请求才能获得数据库中的记录，不直接访问数据库，从而有效提高数据的安全性。后台管理由桌面系统和移动终端 App 两个子系统构成。桌面系统负责用户管理、信息采集 UI、数据库维护等功能；移动终端实现单件海产品的信息录入、更新和查询等功能。整个质量溯源流程如图 2 所示。图 2海产品质量溯源流程图2.1 溯源信息采集该模块又分为捕捞海产品信息采集和养殖海产品信息采集 2 个子模块。捕捞模块信息由入库人员人工输入，主要采集海产品的基本信息、产地及存储运输状况，包括鱼类名称、大小条、重量、渔获时间、渔捞海域、生产单位、储藏信息和物流信息等。养殖模块采集的信息除基本信息外，增加了养殖户信息、养殖环境信息、投入饲料和用药信息、检测结果信息以及养殖加工过程监控的视频信息。系统对海产品从离岸到面向消费者阶段共记录和管理了养殖、捕捞、加工、存储、运输等所有环节的数据，每个阶段都会有专人负责自己阶段的记录，在系统的相应位置存入信息保存到数据库中。为每个海产品赋予唯一的产品ID，当一个产品的全部数据录入完成，此产品 ID 经RSA 加密后与此海产品的信息一起存储于数据库中。养殖和加工过程的监控视频保存于养殖户和加工厂本地的服务器上，数据库中存储视频的地址源信息和访问权限，监管者扫描二维码后获得数据库中的监控视频地址和权限，通过移动终端即可查看视频。2.2 编码和加密按照一物一码的原则，编码时无须对海产品分类。利用系统运行的即时性，设计编码格式为 14 位时间序列+10 位随机数。考虑到系统运行时的并发性，可能会导致同号ID，因此在编码模块上加入了synchronized属性，使一个用户正在生成 ID 时，其他用户的线程处于等待状态，从而保证了 ID 的唯一性。生成二维码之前，先对 ID 进行 RSA 加密，保证其安全性。RSA 加密算法及具体实现如下。（1）密钥生成。RSA 加密首先要自动生成公钥和私钥，算法流程如图 3 所示。密匙生成后 d、p、q 作为私钥存储于本地，用于加密；n和e作为公钥发布，用于 解密。开始e 与 fn 互素NoYes结束计算 n=p*q，fn=(p-1)*(q-1)生成随机数 e，且 1efn生成随机大素数p 和 q计算 e 在模 fn 下的乘法逆元 d图 3密匙生成算法图现代食品XIANDAISHIPIN95/食品科技FoodScienceandTechnology（2）加密。选择私钥对海产品 ID 加密，公式为C=md(mod n)（1）式中：m 是明文，即待加密的编号；C 是加密以后的密文。（3）解密。使用公钥对密文解密，公式为m=Ce(mod n)（2）从公式上看，解密和加密算法的实现完全一样，只是参数不同。公式中幂的计算是关键，以加密为例，m是 24 位的数字串，经过 d 次幂运算后，长度达到系统无法处理的大，并且其运算时间长，影响整个系统的响应速度。为降低运算复杂度，幂运算采用了快速取模指数算法，其原理为积的取余等于取余的积的取余，在此基础上，对指数型的数据进行拆解合并，实现过程如下。步骤 1：设 m1=m mod n；初始化 c=1。步骤 2：如果 d 为奇数，则 c=(cm1)mod n。步骤 3：递推 m1=(m1m1)mod n。步骤 4：d=d/2。步骤 5：如果 d 不等于 0 转步骤 2 循环，否则结束循环。因为明文过长，所以加密前先将明文数字串分组，使得每个分组对应的十进制数小于 n，即分组长度小于 log2n，然后对每个明文进行分组，做上述公式（1）的加密运算。2.3 二维码生成和识别系统采用 B/S 模式，选择 JAVA 做开发工具，为了提高纠错的等级，系统中调用了第三方库：com.google.zxing。先设置二维码的属性，再调用 Zxing 中 的QRCodeUtil.createImage 方 法 直 接 生 成 二 维 码。二维码的编码由海产品 ID 经加密形成，宽度和高度由打印纸的大小自适应设定，纠错等级设定为ErrorCorrectionLevel.H。输出方式有两种，一种是以ResponseEntity 的形式直接在页面上显示二维码，可以直接打印输出到包装纸的指定位置；另一种是形成图形文件存储于服务器的特定位置，可延后打印或查询。消费者和质量监管人员通过移动终端上的 App 扫描外包装上的二维码，获得密文、服务器地址，以此密文为参数向 Web 服务器提交请求。服务器先读取加密系统中的私钥，运用公式（2）对二维码中的密文进行解密运算，得到明文，即海产品的唯一 ID。用此ID 对数据库做多表链接查询，获得对应记录的海产品所有数据，并回传至移动终端，消费者可由 App 阅读相关信息，监管员还可以查看相关视频。2.4 系统测试系统在 Eclipse 平台上开发，移动终端在 Android系统上实现，所做测试主要是功能测试。笔者选择东海某水产品交易市场上的一单现货交易做测试，采集信息如表 1 所示。表 1 溯源信息表鱼类 名称渔获 海域渔获 时间大小捕捞 单位经销人存储养殖户养殖 环境饲料 种类用药 名称东海带鱼 大陈岛海域 2023 年 8 月 23 日 中条浙普渔 3237X张兴海无冷冻NULLNULLNULLNULL输入表 1 信息后数据库海产品信息表中形成一条记录。该海产品 ID 码的前 14 位由录入时间生成，得“20230825092813”，后 10 位随机产生，组合后得 ID为“202308250928131978106880”，添加此ID到记录中。经测试，RSA 加密中若 p、q 取 6 位数以上，普通计算机上运行的时间需几十分钟，严重影响系统效率；取 5 位数，系统运行顺畅，本次测试计算 p 得 32 353，q得 22 807。计算私钥和公钥，测试结果 n=737 874 871，e=26 064。对上述 ID 按 4 位一组分组加密，加密后生成的密文为“662771623339365048430871894599543275554055474556525738”，用此密文生成的二维码如图 4所示。测试结果表明，RSA 算法虽然运算时间较长，但较难破解，可有效保护信息的安全性，确保只有授权用户才能够访问相关数据。图 4 对应的二维码图现代食品XIANDAISHIPIN96/食品科技Food Science and Technology3 结论本文针对我国海产品质量溯源措施尚存不足这一现象，提出并建立了基于二维码技术的海产品质量溯源系统。针对信息安全问题，重点分析、验证了加密技术中 RSA 算法的原理及实现，解决了消费者和监管者对掌握海产品质量信息的需求。通过实地运行测试，系统总体上取得如期的效果。下一步可通过两方面提升系统性能。改进加密算法，将 RSA 与 DES 算法结合起来加密，用 DES 对明文加密，RSA 对 DES 的密钥加密，可以解决 RSA 加密速度慢问题。将系统与微信、小程序、淘宝等当前主流互联网应用结合，让终端用户使用更方便。参考文献1 焦玉聪，张立新，黄庆林，等.基于 RFID 及二维码的肉制品质量安全溯源系统 J.江苏农业科学，2017，45（5）：215-218.2 王华，李卫卫，吴怀广，等.基于二维码的禽类肉产品安全溯源系统设计与实现 J.计算机应用与软件，2020，37（10）：1-5.3 平伟，贾文丽，孙月驰，等.基于 DES 算法与 RSA算法的数据加密技术在电子商务中的应用 J.软件导刊，2018，17（5）：198-200.4 唐蓉，周瑜平，叶小莺，等.基于 RSA 算法特性的安全性研究 J.电子设计工程，2023，31（4）：164-168.5 陈靖雯，夏诗文，林勇.RSA 加密二维码在防伪溯源系统中的应用 J.宁波工程学院学报，2016，28（4）：31-36.6 郑诗琳，霍耀超.基于二维码标识的林下产品溯源系统研究 J.贵阳学院学报（自然科学版），2022，17（1）：90-94.植物甾醇含量提升 6.86%，角鲨烯含量提升 10.08%。表 5不同加工工艺对营养伴随物的影响表项目维生素 E/（mg/100 g）植物甾醇/（mg/100 g）角鲨烯/（mgkg-1）常规一级豆油100.52216.5277.2精准脱臭一级豆油113.42231.3884.983 结论优化一级大豆油的脱臭加工参数可以明显提高维生素 E、植物甾醇、角鲨烯等营养伴随物的保留率，可为工厂生产提升一级大豆油质量提供重要的理论基础和实践指导。但精准脱臭是油脂精准适度加工中的一环，后续还需对精炼过程中脱酸、脱色等其他环节进行精准适度加工技术研究，以期推动油脂精炼行业的发展。参考文献1金青哲，王兴国，厉秋岳.直面油脂营养认识误区，大力发展“健康”食用油 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