王 震，蘇恒強

（吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林 吉林 130117）

基于RFID食品溯源系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 震，蘇恒強

（吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林 吉林 130117）

文章從食品安全可追溯系統(tǒng)的基本內(nèi)容切入，從完善食品的安全可追溯體系實際性和緊急性出發(fā)，借助RFID技術(shù)以開發(fā)并實現(xiàn)一套食品溯源安全體系，以便為食品的安全追溯體系建設(shè)提供有力的幫助。

食品安全；RFID；可溯源系統(tǒng)

1 食品安全研究背景

隨著人民的生活水平不斷提高，食品安全問題也日漸凸顯，怎樣才能對食品的生產(chǎn)和銷售鏈條進行有效的追蹤和監(jiān)督，成為近些年來所研究的熱點問題。食品可追溯體系能夠?qū)崿F(xiàn)對食品的生產(chǎn)、加工、銷售等各個環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管，可全面掌握從生產(chǎn)到銷售的各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵信息[1]。當食品出現(xiàn)安全問題的時候，能夠快速地鎖定追責范圍，提高監(jiān)督效率，為人民的合法權(quán)益提供有力保障。借助當今數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及條碼技術(shù)等，食品的安全可追溯系統(tǒng)將整個食物生產(chǎn)加工鏈條的各個環(huán)節(jié)進行信息記錄和收集，如果有食品安全問題發(fā)生，可以通過該系統(tǒng)查詢追溯到出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)以及問題食品的去向，在最短的時間內(nèi)查清楚食品問題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，第一時間提供食品的安全預(yù)警信息[2]，及時將出現(xiàn)問題的食物召回，可有效控制事態(tài)的惡性發(fā)展，最大限度地減少和消除問題食品帶來的惡劣影響和危害。

2 食品安全可追溯系統(tǒng)設(shè)計

2.1 食品安全可追溯系統(tǒng)溯源編碼技術(shù)實施

溯源碼作為單體身份的唯一標識，用于關(guān)聯(lián)溯源信息流中單體標識信息和單體記錄數(shù)據(jù)在庫中信息，是溯源系統(tǒng)進行單體信息讀入讀出、追蹤溯源的關(guān)鍵[3]。系統(tǒng)針對食品及其制品在不同環(huán)節(jié)的特性，采用不同信息載體標識類型，并分別設(shè)計各類型信息載體的內(nèi)容表示規(guī)則。

2.1.1 編碼規(guī)則

在食品溯源系統(tǒng)中，進行溯源碼編碼需要滿足一下規(guī)則：（1）唯一性。一個編碼的對象有且僅有一個唯一的代碼，一個代碼僅能標注一個唯一的編碼對象[4]；（2）可擴充性。代碼應(yīng)適量保留備用容量，方便及時順應(yīng)不停擴充的需求；（3）簡明性。代碼構(gòu)造以及形式應(yīng)盡量簡明，以便手工輸入；（4）科學性。代碼的構(gòu)造設(shè)計應(yīng)對蔬菜、肉類等食材的各個流通環(huán)節(jié)進行充分考量，切合實際業(yè)務(wù)流程溯源碼應(yīng)由以下幾個部分組成：①主題碼。流通節(jié)點主題碼，主要指流通節(jié)點唯一的序列號編碼，此編碼代表流通節(jié)點的身份，其編制和發(fā)放由相關(guān)部門在流通節(jié)點進行備案時進行。②經(jīng)營者主體碼，主要指每個流通節(jié)點從事買賣的商家，集體消費單位和食物加工廠家、大型綜合市場、生產(chǎn)銷售對接關(guān)鍵企業(yè)運營者主題身份編碼。③追溯碼。追溯碼有20位數(shù)字，由運營者主題碼和交易流水號構(gòu)成。其中，運營者主題碼作為賣家的運營者的主題碼，有13位數(shù)字。計算機在交易時按交易順序逐次形成的唯一一段編碼為交易的流水號，由7位數(shù)字構(gòu)成。④批次碼，批次碼共有16位數(shù)字，批次碼由流水號和節(jié)點主題碼構(gòu)成。其中，流通節(jié)點主體碼指的是為一批食材第一次生成電子臺賬的流通節(jié)點的主體碼[5]；流水號指的是生成電子臺帳的順序號。⑤商品碼，品碼一般可以采用國家在不同商品制定標準中分類代碼。

2.1.2 RFID標識與條碼標識的轉(zhuǎn)化

一般可以選擇RFID或者二維碼（或條碼）進行溯源編碼的存儲。RFID標簽信息量較大且易讀寫，因此被用于食品加工和倉儲環(huán)節(jié)。二維碼（或條形碼）具有空間占用小、快速讀取、單位數(shù)據(jù)量大、無需垂直線性掃描的特點，因此用于食品種植環(huán)節(jié)和食品銷售環(huán)節(jié)的信息追溯。將RFID標識的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為條碼標識需要借助臨時數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的交換，本系統(tǒng)中充分利用RFID標簽具有唯一ID的特點，讀寫器在每個環(huán)節(jié)讀寫RFID標簽的同時會根據(jù)標簽的ID向中心數(shù)據(jù)庫提交對應(yīng)信息，產(chǎn)品在進入包裝流水線前已完成所有加工流程，包裝過程中龍門架上的RFID（電子標簽）自動讀寫裝置自動讀取托盤上的電子標簽ID反饋給上位機[6]，上位機連接二維碼（或條碼）打印機向產(chǎn)品包裝對應(yīng)自動噴碼，此處二維碼（或條碼）打印機需要根據(jù)生產(chǎn)流水線進行相應(yīng)改造，這樣RFID標識與二維碼（或條碼）標識在生產(chǎn)流水線上便完成了轉(zhuǎn)化。

2.2 RFID射頻技術(shù)在系統(tǒng)中實施

食品的種植和加工階段非常適合采用RFID技術(shù)進行信息跟蹤，食品制品質(zhì)量安全可追溯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的RFID讀卡器為超高頻、無源IP通訊讀卡器，型號為ZKRFID101，閱讀器的發(fā)射頻率范圍在860～960 MHz之間，在使用時嚴格按照ISO/IEC國際標準[7]，應(yīng)答器使用DOD編碼格式并設(shè)置密碼保護，詢問器通過計算機直接連接互聯(lián)網(wǎng)實時將采集的數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)服務(wù)器。在同一的標準化平臺上，RFID標簽在全部供應(yīng)鏈中每個時刻都可以提供制成品的動向信息，讓每個制成品的信息都有了統(tǒng)一的語言，實現(xiàn)真正意義上的“物聯(lián)網(wǎng)”。本系統(tǒng)為使生產(chǎn)加工企業(yè)更好的使用電子標簽，特地開發(fā)了電子標簽子系統(tǒng)的讀寫上位機，如圖1所示。

圖1 食品質(zhì)量安全可追溯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)電子標簽讀寫上位機

在RFID讀寫過程中，隨著電子標簽數(shù)量的增長，出現(xiàn)多標簽碰撞的概率也會增長，閱讀器的準確讀取效率也將隨之下降。本系統(tǒng)根據(jù)其業(yè)務(wù)流程對讀取、寫入等操作作了限定和改善，以防止發(fā)生誤讀、誤寫等錯誤。在進行寫入操作時，確保讀寫器僅對一個電子標簽進行讀寫，不能對射頻范圍內(nèi)其他的電子標簽進行錯誤的讀寫[8]。為了保證對其準確的寫入，要同時采用一定的驗證機制。操作流程如下：（1）調(diào)整射頻天線的發(fā)射功率，使它具有效讀取寫入范圍明顯低于菜框?qū)嶋H的高度；（2）嘗試閱讀可閱讀范圍內(nèi)的電子標簽中包含的EPC tag同時記錄數(shù)據(jù)，為避免誤寫的情況發(fā)生，應(yīng)當在讀寫器可讀寫范圍內(nèi)的電子標簽只有一個時進行讀寫；（3）當寫入操作被允許時，要進行5次嘗試，以寫入電子標簽，每次在寫入把待寫入的數(shù)據(jù)和操作之后讀取電子標簽的EPC code來對比，若一致就說明寫入成功，跳出循環(huán)，5次循環(huán)終止后全部沒有寫入成功，就說明寫入操作失敗[9]；（4）把射頻天線的發(fā)射功率恢調(diào)整到默認值，依據(jù)寫入操作結(jié)果，把相關(guān)聯(lián)信息回饋給用戶。在讀取操作時，需要一次性將讀取標簽的數(shù)量最大化。讀取操作的過程為一個對多個。

在全部涉及RFID的環(huán)節(jié)均可使用手持裝備來進行讀取和寫入的操作，同時在加工企業(yè)應(yīng)用時，也可以采取安裝在龍門架上的大范圍射頻天線進行讀操作，如圖2所示，工作流程如下：（1）調(diào)整射頻天線的發(fā)射功率到峰值，以期望將讀取標簽的數(shù)量最大化；（2）將讀寫器范圍內(nèi)的電子標簽的EPCcode進行循環(huán)讀取，在讀取過程中不斷計數(shù)；（3）結(jié)束讀取循環(huán)以停止讀取操作，同一時間將讀寫器的射頻天線發(fā)射功率調(diào)回到默認值。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 框架設(shè)計

食品質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)主要采用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造為B/S（瀏覽器/服務(wù)器），B/S架構(gòu)的優(yōu)點在于維護和省級的方式更加簡單，以瀏覽器作為客戶端，省略客戶端部分的維護，只需要做服務(wù)器的相應(yīng)管理[10]。通過管理層、展現(xiàn)層、后臺核心組件層、接口層、外部硬件數(shù)據(jù)交換層對數(shù)據(jù)信息進行采集、存儲、分析處理，最終展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)的邏輯構(gòu)架如圖2所示。（1）管理層位于后臺客戶端，主要功能按角色將系統(tǒng)權(quán)限進行分配，并分層次對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫信息進行錄入、查詢、修改、刪除等操作，保證各用戶的獨立性和信息的安全性，權(quán)限劃分明確，方便系統(tǒng)的維護。各角色登錄時的用戶名和密碼由系統(tǒng)的超級管理員統(tǒng)一分配，初次登錄可以自行修改[11]。（2）展現(xiàn)層位于前臺客戶端，以Web瀏覽器的形式提供給用戶友好的溯源查詢窗口，通過查詢窗口消費者依據(jù)產(chǎn)品的溯源碼便可以輕松地實現(xiàn)對人參食品詳細信息的查詢。（3）后臺核心組件層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的中心，用戶登錄信息、相關(guān)產(chǎn)品的溯源信息、系統(tǒng)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)填充都由該層決策完成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)在這里匯聚分析之后被導入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)庫人為地添加一層防護，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和可處理性。（4）接口層向用戶提供訪問數(shù)據(jù)庫和向數(shù)據(jù)庫提交產(chǎn)品溯源信息的接口，并負責將數(shù)據(jù)分析過程中產(chǎn)生的相關(guān)信息（如系統(tǒng)生成的產(chǎn)品溯源編號、條碼信息）以Excel表格或其他形式導出，方便用戶打印。（5）外部硬件數(shù)據(jù)交換層，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源除來自管理層的輸入外，其他數(shù)據(jù)均由外部硬件直接向數(shù)據(jù)庫提交，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生主要來自RFID識讀器、物流和銷售環(huán)節(jié)掃描槍、手機終端查詢溯源信息時向數(shù)據(jù)庫發(fā)出的申請。

圖2 食品質(zhì)量安全可追溯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的邏輯框架

3.2 系統(tǒng)的主要功能模塊

按照溯源系統(tǒng)一般功能設(shè)計的要求，可追蹤系統(tǒng)必須能夠從生產(chǎn)到銷售的各個環(huán)節(jié)追溯檢查制成品，食物產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源物聯(lián)網(wǎng)體系的建立[12]，數(shù)據(jù)采集應(yīng)涵蓋全部食物產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的過程，依據(jù)食物產(chǎn)品外包封面上的追溯標簽，通過網(wǎng)站、手機條碼掃描終端、條碼掃描槍終端等方式，可以查詢到食品原料的產(chǎn)地、加工過程、物流運輸、銷售等食品的相應(yīng)源頭信息。整個流程如圖3所示。

4 結(jié)語

食品質(zhì)量安全可追溯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以食品及其相關(guān)制品為研究對象，從政府監(jiān)管、消費者、追溯鏈企業(yè)三方作為出發(fā)點，結(jié)合關(guān)鍵點數(shù)據(jù)規(guī)范技術(shù)、RFID與條碼標識設(shè)計和SAP Net Weaver集成研發(fā)平臺技術(shù)，研發(fā)信息可追蹤、溯源的食品制品質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)覆蓋種植采收環(huán)節(jié)包括種植地環(huán)境信息、生產(chǎn)資料投入等信息；生產(chǎn)制作環(huán)節(jié)包括制作工地基本信息，制作工藝技術(shù)信息；經(jīng)營流通環(huán)節(jié)包括商品走向和各級分銷商基本信息。該系統(tǒng)的研發(fā)與推廣應(yīng)用，從商業(yè)層面上為規(guī)范食品產(chǎn)業(yè)市場，樹立品牌影響力提供技術(shù)支持，同時也為其他農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的研發(fā)提供借鑒；從政策層面上，可以及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行檢測體系、認證體系和職能管理環(huán)節(jié)中的主體缺失，同時為實現(xiàn)食品從初級原料到消費者手中制品的全產(chǎn)業(yè)鏈信息覆蓋，構(gòu)建規(guī)范、合理、高效和完善的政策法規(guī)提供依據(jù)。

圖3 查詢流程

[1]楊耀臻.基于移動物聯(lián)網(wǎng)的蜂產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2015.

[2]張凌琿.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可追溯信息系統(tǒng)建設(shè)研究[D].西安：西安石油大學，2014.

[3]姜強.基于RFID技術(shù)的校園管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].青島：青島大學，2014.

[4]王小霞.論我國食品安全監(jiān)管中信息工具的運用[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[5]鮑曉成.基于物聯(lián)網(wǎng)的豬肉食品供應(yīng)鏈可追溯體系研究[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[6]王海波.RFID閱讀器射頻部分的設(shè)計與研究[D].南京：南京郵電大學，2013.

[7]謝夢.基于Android系統(tǒng)的葡萄生產(chǎn)過程溯源系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[8]梁冰.RFID防碰撞算法的FPGA設(shè)計與仿真[D].昆明：云南大學，2012.

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[10]馬勇. 基于Agent的蜂蜜質(zhì)量追溯系統(tǒng)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2011.

[11]鄒奕婷，趙方. B/S模式下基于Jabber的IM系統(tǒng)的構(gòu)建方法[J]. 計算機應(yīng)用與軟件，2008（12）：196-198.

[12]楊杰，劉云. 基于CIMS環(huán)境的刀具編碼系統(tǒng)的研究[J]. 機電工程技術(shù)，2004，（3）：23-24，80.

Design and implementation of food traceability system based on RFID

Wang Zhen, Su Hengqiang
（Jilin Agricultural University, Jilin 130117, China）

This paper from the basic content of food safety traceable system, stars from improving the practical and emergency of food safety traceable system, developed and implemented a set of food traceable system based on RFID technology, in order to provide a powerful help for the construction of food safety traceable system.

food safety; RFID; traceable system

王震（1990— ），男，吉林白山，碩士研究生；研究方向：人工智能與計算機農(nóng)業(yè)應(yīng)用。