基于RFID技術的農產品質量追溯體系探討

摘要：針對目前我國農產品質量追溯體系中存在的問題，分析了ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｎｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術框架，討論了幾種不同的數據加密方法，通過編譯ＲＦＩＤ標簽上的數據并進行哈希處理產品質量信息數據，設計了一種包含產品信息和公鑰的ＲＦＩＤ標簽。最后，設計了一種基于網格技術的質量追蹤分布式模型，該模型通過網格服務解決不同供應商之間的質量信息追蹤問題，并通過一個實例來描述產品從加工到流通環節信息追溯的實現方法。

關鍵詞：ＲＦＩＤ技術；農產品；質量追溯；網格服務

中圖分類號：ＴＳ２０７．７文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）13－2736-04

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ Bａｓｅｄ

ｏｎ ＲＦＩＤ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＺＥＮＧ Ｙｉ１，２

（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００83， Ｃｈｉｎａ；

２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｃｈｉｎａ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ fｒｅｎｑｕｅｎｃｙ iｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）， ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ａ ＲＦＩＤ ｌａｂｅｌ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｃｏｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｎ ＲＦＩＤ ｌａｂｅｌ ａｎｄ ｈａｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｔａ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ａ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｒａｃｋ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒｉｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｃｉｎｇ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｐｐｌｉｅｒｓ ｂｙ ｇｒｉｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ， ａｎｄ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｃｉｎｇ ｆｒｏｍ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｎｋｓ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ａｎ ｉｎｓｔａｎｃｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＲＦＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ；ｑｕａｌｉｔｙ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ； ｇｒｉｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ

近年來，農產品安全問題日益突出，引起了人們的廣泛關注。農產品生產各方面的可追蹤性已顯得日益重要，實行農產品安全標志及追溯管理，建立農產品質量安全可追溯系統是有效解決食品安全問題的重要措施。農產品溯源被定義為在供應鏈上跟蹤產品處理過程的歷史記錄，以確定該產品在供應鏈中從起源到客戶的所有輸入原料的來源地并提供相關記錄信息［１］。與此同時，各國研究人員相繼研究建立了若干追溯系統；Ｌａｃｈａｎｃｅ等［２］利用ＧＰＳ、條碼和ＨＡＣＣＰ技術建立了食品安全可追溯系統；Ｍｏｒｅｔｔi等［３］建立了漁業可追溯系統，美國、法國的研究人員采用電子射頻識別（ＲＦＩＤ）標簽和條形碼相結合的追蹤模式，實現了對肉牛生長發育和牛肉生產的整個供應鏈流程的追蹤。目前，ＲＦＩＤ技術被證實比條碼技術更適合運用于解決農產品質量的溯源。對如何運用ＲＦＩＤ技術識別和驗證農產品的方法進行研究，可以通過建立一個可溯源的分布式系統來實現農產品在供應鏈上的數據通訊與質量管理。

１ＲＦＩＤ技術框架

１．１ＲＦＩＤ技術標準

目前，ＲＦＩＤ還未形成統一的全球化標準，市場為多種標準并存的局面，但隨著全球物流行業ＲＦＩＤ大規模應用，ＲＦＩＤ標準的統一已經得到業界的廣泛認同。ＩＳＯ將ＲＦＩＤ的國際標準分為空中接口標準、數據結構標準、一致性測試標準和應用標準４個方面［４，５］。

國際標準化組織（ＩＳＯ）和ＥＰＣｇｌｏｂａｌ在ＲＦＩＤ的空中接口方面形成了多個標準，如圖１所示。現有的ＲＦＩＤ技術工作在多個無線頻率范圍內，通常情況下，ＲＦＩＤ閱讀器發送的頻率稱為ＲＦＩＤ系統的工作頻率或載波頻率。ＲＦＩＤ載波頻率基本上有３個范圍：低頻（３０ ｋＨｚ～３００ ｋＨｚ）、高頻（３ ＭＨｚ～３０ ＭＨｚ）和超高頻（３００ MＨｚ～３ ＧＨｚ）。

１．２ＲＦＩＤ標簽

ＲＦＩＤ 供應鏈管理標簽可提供較長的讀取范圍和增強的性能，圖２給出了有關ＲＦＩＤ標簽的數據單元所包含的信息，對ＲＦＩＤ信息的監控能夠滿足端到端供應鏈監控的需要。零售、制造、配送、交通運輸行業以及政府機構的貨物、貨箱和貨盤級應用需要高性能、具備高效ＲＦ功能的ＲＦＩＤ標簽，從而在各種操作環境和應用中都能實現最佳性能。

１．３數字簽名－數據完整性與安全性的驗證

數字簽名是附加在數據單元上的一些數據，或是對數據單元所作的密碼變換，數據的接收者可以通過數字簽名來確認數據單元來源和數據單元的完整性，以防偽造。數字簽名具有準確性、實用性、完整性、可鑒別性和不可抵賴性等特性，同時解決否認、偽造、篡改及冒充等問題。

有幾種方法可以保護ＲＦＩＤ標簽上的數據不被篡改，大部分的方法是使用公鑰加密和在不同的窗體的哈希函數［６］。該方法的主要缺點是數學處理能力被標記在設置好的內存中執行。一種較有前途的方法是將ＲＦＩＤ技術應用到有高附加值的產品中，并將進行身份驗證的防偽ＥＰＣ代碼藏于其中［７］。但是，該方法要求供應商授權，具有一個內部通訊的解密碼，通過解鎖來實現產品的身份識別。

利用射頻識別技術防偽，與其他防偽技術如激光防偽、數字防偽等技術相比，其優點在于：每個標簽都有一個全球惟一的ＩＤ號碼，此惟一ＩＤ是在制作芯片時放在ＲＯＭ中的，無法修改、無法仿造；無機械磨損，防污損；讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，保證其自身的安全性；數據安全方面除標簽的密碼保護外，數據部分可用一些算法實現安全管理；讀寫器與標簽之間存在相互認證的過程等。

因此，一個可行的解決方法是結合數字簽名技術，利用產品質量數據庫提供的驗證標信息，編譯一個ＲＦＩＤ標簽上的數據，進行哈希處理產品質量信息數據，然后使用私鑰加密。在此基礎上，本文設計出一種包含產品信息和公鑰的ＲＦＩＤ標簽，如圖３所示。最后，將數字簽名附加到包含產品信息和公鑰的標簽，提供給用戶一個安全的認證源，此方法類似于互聯網交易中的受信任數字證書。

以上提出的解決方案必須確認數據的完整性，并防止偽造商品包裝及數字簽名。為了提高安全性，防止標記被克隆，每個ＲＦＩＤ標簽對應惟一的序列號，并將該序列號嵌入哈希值。將ＲＦＩＤ的制造標記加密，并分別寫在對應的生產訂單上。

２基于Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ的質量追溯網絡分布式模型

２．１Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ平臺

Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ是一種構建應用程序的普通模型，并能在所有支持 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通訊的操作系統上實施運行［８］。Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ令基于組件的開發和 Ｗｅｂ 的結合達到最佳，基于組件的對象模型，如Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍｏｄｅｌ（ＤＣＯＭ）、Ｒｅｍｏｔｅ Ｍｅｔｈｏｄ Ｉｎｖｏｃａｔｉｏｎ（ＲＭＩ）、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｉｎｔｅｒ－Ｏｒｂ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＩＩＯＰ）都已經發布很長時間了，但是這些模型都依賴于特殊對象模型協議。而 Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ利用 ＳＯＡＰ 和 ＸＭＬ對這些模型在通訊方面作了進一步的擴展，以消除特殊對象模型的障礙。Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ 主要利用ＨＴＴＰ和 ＳＯＡＰ 協議使商業數據在Ｗｅｂ上傳輸，ＳＯＡＰ通過 ＨＴＴＰ調用商業對象執行遠程功能調用，Ｗｅｂ用戶能夠使用ＳＯＡＰ和ＨＴＴＰ通過Ｗｅｂ調用的方法來調用遠程對象［８，９］。

客戶根據ＷＳＤＬ描述文檔，會生成一個 ＳＯＡＰ 請求消息。Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ都是放在Ｗｅｂ服務器（如ＩＩＳ）后面，客戶生成的ＳＯＡＰ請求會被嵌入在一個Ｈｔｔｐ ｐｏｓｔ請求中，發送到Ｗｅｂ服務器上。Ｗｅｂ服務器再把這些請求轉發給Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ請求處理器。請求處理器的作用在于解析收到的 ＳＯＡＰ 請求，調用Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ，然后再生成相應的 ＳＯＡＰ 應答。Ｗｅｂ服務器得到 ＳＯＡＰ 應答后，再通過 ＨＴＴＰ應答的方式把信息送回到客戶端。在此基礎上，本文建立了基于Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ服務的分布式網絡模型，如圖４所示。

２．２質量網絡分布式模型

為了實現質量追蹤網絡分布式模型在ＲＦＩＤ環境下的集成，提出了基于Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ環境下開放網格服務架構的追溯網絡分布式模型，如圖５所示。該模型引入ＲＦＩＤ技術，實現資源與對象之間的信息和服務共享，從而實現對服務周期內的質量追溯系統的資源狀態進行監控，并將動態的質量追溯服務通過ＳＯＡＰ協議進行封裝，用Ｗｅｂ服務描述語言（Ｗｅｂ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ，ＷＳＤＬ）進行統一的描述，通過簡單對象訪問協議（Ｓｉｍｐｌｅ ｏｂｊｅｃｔ ａｃｃｅｓｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＳＯＡＰ）實現質量追溯信息之間的消息通訊，從而實現質量追溯信息之間的分布式協同管理。當農產品資源狀態隨環境發生改變時，集成在系統服務技術下的質量追溯模型可以做出響應。

２．３實例分析

為了更好地說明質量追蹤網絡分布式模型對農產品信息的追溯，以農畜產品（如牛、豬、羊等肉制品）的實體加工分割過程為例進行信息追蹤。對各個工序的產品及在制品用ＲＦＩＤ進行編碼標識（信息包含商品品名、批號、生產日期、數量、交貨地位置、運輸路徑等信息），每個工序上的產品都作為一個獨立的供應鏈貿易單元，通過指定的信息來關聯這些貿易項目，以實現流通過程中產品及在制品之間的信息追溯。產品的追溯過程及ＲＦＩＤ標簽對應的編碼如圖６所示，其中各個加工工序中的ＧＴＩＮ是不同的，分別代表各個加工階段的產品；ＲＦＩＤ耳標的編碼可以依據ＩＳＯ的規則制定，以保證編碼的惟一性；ＹＹＭＭＤＤ代表年月日；ＡＩ（２５１）數據串或者（１０）數據串可作為產品加工過程的搜索關鍵字。

３小結

ＲＦＩＤ技術由于其眾多優點，在農產品安全追溯中的應用越來越廣泛。但農產品數據信息的加密技術是制約ＲＦＩＤ技術廣泛應用的一大因素，可行的解決方法是將ＲＦＩＤ編碼技術與數字簽名技術相結合，通過編譯ＲＦＩＤ標簽上的數據進行哈希處理，然后使用私鑰加密。加密信息可以通過網絡平臺進行消息驗證，從而為用戶提供一種較便捷的服務方式，為ＲＦＩＤ技術的推廣提供了一種新的思路。為了實現該解決方法，本文構建了一個基于Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ的質量追溯網絡分布式模型，該模型可以通過調用網格服務來解決不同供應商間的質量信息追蹤與農產品消息的驗證問題。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文