張　博，南淑萍，孟利軍

(1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 阜陽 236037；

3.北京同仁堂(亳州)飲片有限公司，安徽 亳州 236800；)

RFID技術(shù)在道地中藥材質(zhì)量溯源中的應(yīng)用研究

張博1，南淑萍2，孟利軍3

(1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 阜陽 236037；

3.北京同仁堂(亳州)飲片有限公司，安徽 亳州 236800；)

摘要：在亳州道地中藥材的種植和流通加工過程中，使用無線射頻技術(shù)(RFID),可以實(shí)現(xiàn)對中藥材的質(zhì)量監(jiān)控和溯源.使用改進(jìn)的內(nèi)存索引結(jié)構(gòu)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對RFID原始數(shù)據(jù)的批量處理，不斷完善統(tǒng)一讀寫設(shè)備的實(shí)現(xiàn)架構(gòu).同時利用非對稱密鑰的加密算法，避免中藥材重要數(shù)據(jù)在生產(chǎn)和流通過程中泄露和被篡改，提高電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)安全性.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；道地藥材

亳州地處安徽北部，中藥材種植和加工具有悠久歷史，目前建有全國最大的中藥材交易中心，交易輻射全國及海內(nèi)外，中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接影響到亳州整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度.亳州的自然條件和生態(tài)環(huán)境，適宜種植中藥材，地產(chǎn)藥材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已經(jīng)被《中國藥典》收錄，具有很高的藥用價值和療效.

近年來，由于中藥材價格不斷攀升，亳州當(dāng)?shù)睾芏噢r(nóng)民紛紛放棄傳統(tǒng)的地產(chǎn)藥材種植，轉(zhuǎn)而種植“短、平、快”的中藥材.由于缺乏種植經(jīng)驗(yàn)，同時部分藥農(nóng)受利益驅(qū)動,出現(xiàn)了藥材質(zhì)量下降、農(nóng)藥殘留超標(biāo)等問題，大量非道地產(chǎn)區(qū)的偽劣藥材冒充道地藥材的名義進(jìn)入市場，造成了“道地藥材不道地”的現(xiàn)象.由于偽劣藥材的沖擊，使得一些種植規(guī)模較小、市場占有率低的地產(chǎn)藥材品種，亟待得到保護(hù)性種植與開發(fā).如純正的亳菊，近年來種植面積大幅度萎縮而面臨滅絕危險.同時在藥材交易過程中，不發(fā)商販采用硫磺熏制、添入加重粉、以假充真等手段，致使藥材市場充斥大量假冒偽劣中藥材，直接影響到人民群眾的用藥安全.

物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的新一代信息技術(shù).在物聯(lián)網(wǎng)中，物品可以通過射頻信號，自主加入傳感器網(wǎng)絡(luò)，彼此之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化的組網(wǎng)過程[1].在藥材的種植與栽培過程中，利用RFID技術(shù)，監(jiān)控藥材生長環(huán)境中的溫度、濕度、土壤墑情等因素[2]，更好保護(hù)地產(chǎn)藥材的品質(zhì).在藥材流通和加工過程中，將中藥材的品種、產(chǎn)地、種植、藥性等信息，寫入無線射頻標(biāo)簽，通過讀取設(shè)備，隨時獲得藥材所帶電子標(biāo)簽中的信息，從而實(shí)現(xiàn)對藥材質(zhì)量的監(jiān)控.

本文通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，提煉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在亳州道地藥材保護(hù)中的應(yīng)用研究模式，探討采用RFID技術(shù)后藥材生產(chǎn)全過程的改進(jìn)情況，從而為保護(hù)亳州中藥產(chǎn)業(yè)有序健康的發(fā)展提供現(xiàn)代技術(shù)支持.

1追溯體系在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在近年得到快速普及，經(jīng)過信息技術(shù)人員的努力，RFID技術(shù)在蔬菜、食品、農(nóng)作物種植等方面的追溯應(yīng)用上取得了很大的進(jìn)展.

(1)中國科學(xué)院院士陳俊亮率領(lǐng)的研究團(tuán)隊，開展在棉花種植與流通過程中加入RFID芯片，用于追查制作衣服的棉花質(zhì)量.

(2)廣東省出入境檢驗(yàn)檢疫局信息中心與香港大學(xué)、香港食品與環(huán)境署聯(lián)合開發(fā)基于RFID技術(shù)的供港活豬全程溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了供港活豬檢疫查驗(yàn)電子化和全程溯源，廣東省內(nèi)93家定點(diǎn)飼養(yǎng)場全部實(shí)現(xiàn)電子化耳標(biāo)管理.

(3)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院承擔(dān)的國家“十二五”科技支撐計劃——“新疆特色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)示范基地建設(shè)”，開發(fā)基于RFID與WebGIS的阿克蘇蘋果質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)[3]，取得了較好的推廣效果.

(4)美國2004年啟動國家動物標(biāo)識系統(tǒng)(NAIS)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對養(yǎng)殖場動物個體進(jìn)行標(biāo)識，在發(fā)現(xiàn)外來疫情的情況下，可以在48小時內(nèi)確定所有與其直接接觸的企業(yè).

(5)澳大利亞通過實(shí)行國家牲畜標(biāo)識計劃(NLIS)，建立永久性身份系統(tǒng)[4]，能夠全程追蹤家畜的養(yǎng)殖到屠宰，從而保證出口歐盟的牛肉產(chǎn)品安全性.

(6)歐盟2002年出臺《食品安全法規(guī)》，立法規(guī)定從2005年開始，在歐盟市場銷售的食品都必須攜帶可追溯標(biāo)簽，當(dāng)食品出現(xiàn)安全問題時，可以快速查找問題來源.

(7)世界各國對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都非常重視，相繼出臺了相關(guān)發(fā)展政策.

1)2004年日本總務(wù)省提出U-Japan計劃，準(zhǔn)備利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將日本建設(shè)成一個隨時隨地、人與物體都能夠智能連接的網(wǎng)絡(luò)社會.

2)2009年1月28日，奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，與美國工商界舉行了一次“圓桌會議”，會議上首次提出“智慧地球”概念，會后美國將新能源和物聯(lián)網(wǎng)列為振興經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn).

3)2009年8月，溫家寶總理發(fā)表了“感知中國”的講話，進(jìn)一步推動了我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展.

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展產(chǎn)品質(zhì)量追溯工作已受到社會各界的廣泛重視，提到議事日程上來，并己獲得一些初步的結(jié)果.目前建立的追溯系統(tǒng)，主要還是集中在食品、農(nóng)作物、家畜等傳統(tǒng)行業(yè)中，并沒有針對中藥材的特性，開展有效的溯源研究工作.將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在中藥材的種植、流通、生產(chǎn)的全過程溯源中，為我國中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供了新的思路和方法.

2RFID技術(shù)在亳州道地藥材溯源中的應(yīng)用

2.1　應(yīng)用背景

亳州地處安徽北部，黃淮沖積平原，氣候和土壤適宜中藥材的生長，中藥材的種植和銷售具有悠久歷史，亳州地產(chǎn)藥材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已經(jīng)被《中國藥典》收錄，在亳州當(dāng)?shù)胤N植面積廣，具有很高的藥用價值和療效.

當(dāng)前, 困擾中藥產(chǎn)業(yè)的瓶頸問題主要是中藥材和中藥飲片的質(zhì)量問題, 不同于西藥相對固定的生產(chǎn)加工模式, 中藥由于來源的特殊性, 生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)較長，對其內(nèi)在質(zhì)量影響的環(huán)節(jié)多.從產(chǎn)地到種植, 從采收到炮制, 從運(yùn)輸?shù)戒N售, 每一步稍有不同, 生產(chǎn)出的藥品質(zhì)量就會相差很大.中藥材種植、炮制過程中的質(zhì)量控制，過去多采用人工辨識的方法，導(dǎo)致中藥材的質(zhì)量相差很大，直接影響到最終中藥產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性.

2.2　總體研究思路

物品追溯體系是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的重要領(lǐng)域，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的主要監(jiān)控手段.隨著信息技術(shù)普及，現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物種植、豬肉檢驗(yàn)檢疫、食品安全等領(lǐng)域的溯源應(yīng)用.利用物聯(lián)網(wǎng)建立道地中藥材的追溯系統(tǒng)，能夠更好的保護(hù)各地寶貴的地產(chǎn)藥材資源，使中國傳統(tǒng)的中藥產(chǎn)業(yè)得到健康發(fā)展，在國際市場上重新煥發(fā)更強(qiáng)大的活力.

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，選擇什么作為道地藥材追溯系統(tǒng)研究的切入點(diǎn)值得我們深思.根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的趨勢和中藥材的特點(diǎn)，本文選取RFID技術(shù)作為藥材溯源的切入點(diǎn).

利用物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器技術(shù)，可以對中藥種植與加工的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控.在藥材生成和流通的過程中，使用RFID技術(shù)，將中藥材的品種、產(chǎn)地、藥性等信息，寫入RFID標(biāo)簽，可以隨時通過讀取設(shè)備，獲得藥材所帶電子標(biāo)簽中信息；在藥材的種植過程中，利用RFID技術(shù)，可以監(jiān)控藥材生長環(huán)境中的溫度、濕度、墑情等因素[5]，更好確保地產(chǎn)藥材的品質(zhì).使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立中藥材追溯系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高地產(chǎn)藥材的質(zhì)量和穩(wěn)定性.

實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一讀寫設(shè)備管理和提高電子標(biāo)簽訪問安全是目前RFID技術(shù)中需要解決的兩個重要問題，由于目前市場上的各種讀寫設(shè)備沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如何實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致的通信協(xié)議接口，打破廠商之間的技術(shù)瓶頸是亟待解決的問題，只有這些問題得到解決，才可以實(shí)現(xiàn)RFID讀取設(shè)備的即插即用.同時，對RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行安全性加密，可以有效防止藥材流通與生產(chǎn)過程中的上下游企業(yè)非法篡改標(biāo)簽中的信息[6]，保證藥材的品質(zhì).

2.3　主要技術(shù)路線

本文的主要工作是改進(jìn)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)溯源系統(tǒng)，并應(yīng)用在亳州道地藥材的質(zhì)量監(jiān)控和保護(hù)過程中.針對中藥材數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在提出改進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究設(shè)備統(tǒng)一讀寫服務(wù)器的開發(fā)方法，使用基于橢圓曲線密碼機(jī)制的線路提高電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)安全性，將RFID技術(shù)和藥材的質(zhì)量追溯結(jié)合起來進(jìn)行研究.

在RFID應(yīng)用中，對于大數(shù)據(jù)的處理，會導(dǎo)致系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)負(fù)荷迅速加大.同時，又要兼顧各種讀寫器底層的協(xié)議，數(shù)據(jù)集成與處理算法對于RFID系統(tǒng)至關(guān)重要.為了建立有效的溯源系統(tǒng)，將研究重點(diǎn)放在以下幾個方面：

(1)使用改進(jìn)的內(nèi)存索引結(jié)構(gòu)算法對RFID原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

本文主要采用一種改進(jìn)的T樹的數(shù)據(jù)優(yōu)化算法.內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是大規(guī)模RFID應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)處理的場所[7]，如何提高數(shù)據(jù)篩選、分類、統(tǒng)計等功能，關(guān)鍵是找到一種適合RFID應(yīng)用特點(diǎn)的算法.目前應(yīng)用比較廣泛的是B樹和T樹兩種結(jié)構(gòu)，其中T樹更適合于處理內(nèi)存數(shù)據(jù).根據(jù)對傳統(tǒng)T樹特點(diǎn)的分析，本項(xiàng)目提出了在T樹的基礎(chǔ)上，增加兩個指針，從而使相互分散的標(biāo)簽數(shù)據(jù)間建立有機(jī)聯(lián)系，形成健壯的改進(jìn)型T樹.通過對RFID數(shù)據(jù)集成的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在改進(jìn)T樹中設(shè)置四個頭節(jié)點(diǎn)，分別代表處于前置發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的標(biāo)簽指針、前置已保存標(biāo)簽指針、后置發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的標(biāo)簽指針、后置已保存標(biāo)簽指針.這種改進(jìn)T樹可以實(shí)現(xiàn)快速的查詢、添加、刪除等操作，大大提高了數(shù)據(jù)的處理效率.

在上面的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對T樹鏈表的查找、插入、刪除等操作.由于在數(shù)據(jù)插入時利用了T樹的查找，在數(shù)據(jù)檢索時利用鏈表遍歷，因此改進(jìn)型T樹對于大規(guī)模RFID數(shù)據(jù)處理具有較高的效率.為了處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算時的任務(wù)分配不均現(xiàn)象，針對系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)化算法，采用實(shí)時調(diào)整策略，同時過濾重復(fù)數(shù)據(jù)以降低系統(tǒng)負(fù)荷.優(yōu)化后的T樹算法克服了傳統(tǒng)T樹算法的缺點(diǎn)，減少了掃描數(shù)據(jù)次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)處理速度和效率.

(2)對統(tǒng)一讀寫設(shè)備服務(wù)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)進(jìn)行研究.

在RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，由于各個廠家的讀寫設(shè)備協(xié)議的不兼容性，造成了讀取數(shù)據(jù)后期處理的復(fù)雜度[8].建立一種通用獨(dú)立RFID中間件設(shè)備管理協(xié)議機(jī)制，使用協(xié)議轉(zhuǎn)換腳本來記錄具體設(shè)備與設(shè)備接口直接的映射關(guān)系，可以很好地驅(qū)動各種讀寫設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中對不同廠家設(shè)備的即插即用.

結(jié)合RFID技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出了獨(dú)立設(shè)備管理服務(wù)器的架構(gòu)，通過建立一個通用的讀寫設(shè)備接口，然后使用協(xié)議轉(zhuǎn)換腳本來記錄具體設(shè)備與設(shè)備接口直接的映射關(guān)系.邊緣服務(wù)器中的協(xié)議轉(zhuǎn)換層負(fù)責(zé)解釋腳本信息，從而將這種映射關(guān)系最終轉(zhuǎn)換為驅(qū)動某個具體設(shè)備的指令，達(dá)到數(shù)據(jù)讀寫設(shè)備即插即用的目的.

(3)使用非對稱式的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)加密算法的研究.

使用非對稱式算法的密鑰機(jī)制，更好提高了電子標(biāo)簽訪問的安全性，避免藥材在流通過程中第三方在非授權(quán)的狀態(tài)下讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，具有很好的實(shí)踐應(yīng)用價值.

對于藥材溯源系統(tǒng)，RFID標(biāo)簽的安全性是至關(guān)重要的問題.由于采用無線射頻技術(shù)通信，非授權(quán)讀寫電子標(biāo)簽的操作變得更加容易[9].不法廠商可以通過讀取電子標(biāo)簽，獲得藥材的產(chǎn)地、日期、物流路線等商業(yè)隱私信息，并且通過特殊設(shè)備改寫其中的信息，將偽劣藥材冒充為道地藥材.

目前RFID技術(shù)中常用的安全解決方案包括物理和密碼兩種.物理方案主要有破壞標(biāo)簽、屏蔽讀寫器信號、干擾標(biāo)簽等方法，安全效果常常受限于硬件設(shè)備.密碼方案主要通過算法來實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的安全訪問，具有更好的靈活性，現(xiàn)在研究的重點(diǎn)在于加密技術(shù)的使用及身份驗(yàn)證上[10].在開放RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，因藥材的流通時間較長，使用對稱式加密算法在密鑰交換上操作比較困難，并且一旦發(fā)生泄漏，整個供應(yīng)鏈的標(biāo)簽都會受到攻擊.使用非對稱式算法的密鑰機(jī)制可以很好地解決以上問題，將公鑰發(fā)給合作廠商，讓合作方在標(biāo)簽中寫入公鑰加密的數(shù)據(jù)，確保只有本企業(yè)和合作伙伴才能夠?qū)?biāo)簽信息進(jìn)行解密[11].

3總結(jié)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在中藥材追溯研究上，將對道地藥材的保護(hù)提供技術(shù)保證，標(biāo)志著我國中醫(yī)藥領(lǐng)域利用現(xiàn)代信息處理技術(shù)己經(jīng)跨上一個新臺階，必將促使中藥產(chǎn)業(yè)的信息化工作在原有基礎(chǔ)上獲得進(jìn)一步發(fā)展.

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(責(zé)任編校：晴川)

Applied Research on Traceability of Authentic Chinese Herb Based on RFID

ZHANG Bo1，NAN Shuping2，MENG Lijun3

(1.Department of Information Engineering，Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou Anhui 236800，China；

2.College of Computer and Information，F(xiàn)uyang Teachers College，F(xiàn)uyang Anhui 236037，China;

3. Beijing Tong Ren Tang (Bozhou) Herbal Decoction Pieces Ltd，Bozhou Anhui 236800，China)

Abstract：In the authentic Chinese herbal cultivation and distribution process in Bozhou, we can realize medicine trace and quality control by using RFID, radio frequency technology. Improved memory index structure algorithms is employed for achieving the batch processing speed of RFID raw data, and constantly improving the unified architecture of reading and writing equipments. At the same time, asymmetric key encryption algorithm is utilized to avoid the loss and change of important medicine data in the production and distribution process, so as to improve the security of electronic tag data.

Key Words：internet of things；RFID；authentic Chinese herb

作者簡介：張博(1975— )，男，安徽界首人，亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系副教授，碩士.研究方向：系統(tǒng)分析與集成、軟件中間件.

基金項(xiàng)目：2014年度安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：KJ2014A171)；2013年度安徽省教育廳青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：2013SQRL129ZD)；2013年度安徽省教育廳自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：KJ2013Z261)資助項(xiàng)目；2014年度亳州市政府科技創(chuàng)新團(tuán)隊項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：亳組2014(21)號).

收稿日期：2015-03-02

中圖分類號:TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-4681(2015)02-0064-03