射頻識別技術應用于畜產品追溯系統研究進展

呂蔭潤　鄭麗敏

摘 要：可追溯系統是保證畜產品質量安全的重要手段，射頻識別技術（RFID）應用于畜產品可追溯系統的個體標識已經成為一種趨勢。本文闡述了利用RFID技術構建畜產品可追溯系統對于食品安全問題的重要性和必要性。文章介紹了RFID技術的基本原理和特點，RFID技術在可追溯系統中應用的主要技術指標，回顧了發達國家和地區可追溯制度建設和可追溯系統的實施情況，比較了國內可追溯系統的發展與應用現狀，歸結出RFID技術與計算機、網絡通信、自動化等技術在可追溯系統中的應用情況。最后結合我國追溯系統發展面臨的RFID技術不成熟、制度不完善、自動化水平低等問題及當前的研究現狀提出了改進的方向及發展的趨勢，為建立適合中國國情的基于RFID技術的家畜和畜產品可追溯系統提供參考。

關鍵詞：射頻識別技術；追溯系統；畜產品

中圖分類號：TS251.41 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2013）05-0026-05

隨著瘋牛病、口蹄疫、禽流感等疫情的不斷發生，畜產品的安全與可追溯已成為政府、企業及消費者關注的焦點問題之一。我國2006年11月1日起施行的《農產品質量安全法》對農產品安全做了明確的規定。農業部同時發布了《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》《牲畜耳標定購、生產、發放、使用規范》等相關規范確保畜產品追溯工作順利進行。建立完善的畜產品可追溯系統對提高我國畜產品的安全性和國際競爭力具有重要意義。

對畜產品的個體標識是建立追溯系統的基礎與核心環節。通?？捎玫臉俗R手段有動物體標記、激光刺字、條形碼耳標、射頻識別（radio frequency identification，RFID）標簽等，其中二維條形碼耳標在抗磨損性和可識讀性都較高，在我國得到較為廣泛的應用[1]。近年來，隨著RFID技術的快速發展，RFID標簽由于其掃描快速簡單、穿透性強、可重復利用、具有數據記錄功能、安全性高等優點在農畜產品追溯領域得到了越來越多的關注與應用。隨著RFID技術與傳感器、通信、計算機等技術的結合，可追溯系統在我國已得到了廣泛的研究與發展，但在相關法律法規的完善、射頻識別技術的發展與推廣、信息的高效采集和系統自動化等方面還有待提高。

1 射頻識別技術的基本原理與特點

1.1 RFID定義

RFID是一種基于無線通訊的自動識別技術，通過射頻信號識別特定目標并讀寫相關數據，無需與目標建立機械或光學接觸。從1948年第1篇相關論文的發表[2]、到沃爾瑪超市的大規模商業應用至今，RFID技術已經具有了很長的發展歷史[3]。隨著技術的逐漸成熟，RFID在倉庫存儲與物流、門票和運輸、制造業、醫療、身份證和護照、追溯等領域都有了廣泛的應用[4]。

一個完整的RFID應用系統主要由讀寫器、應答器（標簽）及應用軟件系統3部分組成。讀寫器由天線、耦合元件等組成，是用來讀寫標簽信息并與后臺服務器交互的設備，可以分為固定式讀寫器和移動式讀寫器，固定式讀寫器通常體積較大，信號強，讀寫距離遠，而移動式讀寫器攜帶方便，易于在經常移動的環境中工作。后臺系統主要是對RFID讀寫器收集到的信息進行儲存與處理。

1.2 標簽分類及相關標準

1.2.1 有源與無源標簽

根據是否有電源供應標簽可以被動式（無源）標簽和主動式標簽（有源）。主動式標簽有內部電源，可以主動向讀寫器發送射頻信號，存儲能力及讀寫距離均強于被動標簽[5]。被動式RFID標簽（無電源供應）構造簡單，成本低廉，易于生產。通過讀寫器產生的電磁場激發內部電流將標簽中記錄的信息反射給讀寫器[6]。大部分射頻識別系統中使用的都是被動式標簽。

1.2.2 低頻、高頻和超高頻標簽

頻率是區分各類標簽的一個重要的因素，不同頻段的RFID產品會有不同的特性。目前所使用的標簽主要分為低頻（LF，125～134.2kHz）、高頻（HF，13.56MHz）和超高頻（UHF，860～960MHz）。RFID技術首先在低頻得到廣泛的應用和推廣。該頻率主要是通過電感耦合的方式進行工作，通常能穿過各種材料而不降低讀取距離，工作在低頻的讀寫器不受任何特殊的許可限制，但是其讀寫距離較近，一般不超過20cm并且數據傳輸速率較慢，并且低頻標簽只能讀標簽數據，不可寫入。

高頻的感應器一般通過負載調制的方式進行工作。讀寫距離通常為10cm，不超過1.5m，具有防沖撞特性可同時讀取多個標簽，并且可以存儲數據，數據傳輸速率較快，價格便宜。在該頻段中主要使用ISO 14443 Proximity cards和ISO 15963兩個標準。ISO 14443近耦合卡，依據載波的調制深度與位的編碼方式可分為TYPE A和TYPE B兩種，防沖撞原理分別為基于位沖撞檢測協議和通信系統命令序列。ISO15693遠耦合卡，識別效率高，通過較大功率的閱讀器識別距離可達1m，采用輪詢機制、分時查詢的方式完成防沖突機制。

超高頻系統通過電場來傳輸能量，讀取距離較遠，通?？蛇_3～10m，主要通過電容耦合的方式實現，數據傳輸速率非常高。但是環境雜質對信號傳輸的影響很大，易造成信息的快速衰減。超高頻中使用最多的國際標準為ISO18000-6，標準規定了空中接口協議，但對數據內容和數據結構并無限制。

在RFID的系列應用標準中，ISO11784和ISO11785主要應用于動物的個體標識，ISO11784標準規定了動物識別的代碼結構，其由8個字節64為組成，其中第27～64位的編碼方式由使用國自行規定。ISO11785標準規定了動物識別的技術準則，包括數據傳輸方法和讀寫器規范。工作頻率為低頻，數據傳輸方式有全雙工和半雙工兩種，采用頻移鍵控調制和反向不歸零編碼。標準沒有對標簽樣品尺寸、封裝模式加以規定，因此可以根據動物的實際情況設計成各種式樣，比如耳標、項圈等。

1.3 標簽設計

近年來，超高頻RFID由于其良好的讀寫距離和傳輸速率在研究和應用領域得到了更多的關注。其標簽設計中通常需要考慮的因素有芯片靈敏度、天線增益，天線極化，阻抗匹配等[7]。芯片靈敏度主要由電壓倍增器、功率匹配網絡、反向散射調制器等因素影響[8]。影響天線設計的主要因素包括天線的頻率范圍，尺寸，標識物體的移動性、成本等因素[9]。在實際應用中，還需要考慮傳播途徑中由于濕度、障礙物等因素引起的信號損失[10]。

1.4 RFID安全問題

隨著RFID技術的廣泛應用，它所帶來的安全問題也逐漸顯現出來。RFID安全問題主要包括隱私和認證。隱私問題包括標簽跟蹤和信息泄露，認證問題包括標簽克隆、置換等影響對標簽合法性判斷的問題[11]。由于RFID使用的是低成本芯片，構造簡單，無法實現復雜的安全協議，這是導致RFID安全問題難以解決的關鍵因素。目前主要的解決辦法分為物理安全機制和安全協議[12]。前者包含Kill命令、阻塞標簽和夾子標簽等，后者包括Hash-Lock協議、Hash鏈協議、分布式RFID詢問-應答認證協議等。

2 RFID在畜牧業中應用的國內外研究現狀

無線射頻技術已經在農業領域中的動物個體識別與跟蹤、牲畜管理、精細農業、冷藏鏈管理等方面有了廣泛的應用[13]。近些年來，隨著RFID技術的進一步發展以及成本的不斷下降，RFID在追溯系統中的應用也得到了廣泛的關注與研究。

2.1 國外畜產品追溯系統的發展現狀

目前可追溯系統已在發達國家的畜牧業中得到了廣泛的應用。2002年，歐盟啟動了食品追溯項目，主要應用在牛的生產和流通領域，在生產環節建立牛的驗證和注冊體系，采用統一的中央數據庫對所有生產信息進行統一管理[14]。以實現牛肉從牧場到餐桌的全過程質量控制。使牛肉從農場的養殖到運輸、屠宰、分割、貯存、加工和市場銷售的生產鏈中生產監管透明，個體信息記錄詳盡，相關檢測報告及證書保存完整，可供消費者查詢，并且在意外情況下可以順利召回。

美國農業部建立了全國動物監測系統（national animal identification system，NAIS），用于監測家禽家畜及其他飼養類動物，以預防死亡性疾病的傳播[15]。NAIS主要包括養殖場注冊、動物標識和信息跟蹤等環節。同時，在一些食品工業中制定了危害分析與關鍵控制點（hazard analysis critical control point，HACCP）安全標準來指導生產，除此之外，還建立了先進的食源性疾病監測系統，包括食源疾病實時監測網絡、分子分型監測網等。

澳大利亞強制采用可追溯系統，建立了國家牲畜標識系統（national livestock identification scheme，NLIS），主要用于牛和羊的質量追溯。該系統中的牛即使用了電子耳標作為牲畜的永久身份標識，對動物個體從出生到屠宰的全過程進行跟蹤。

在亞洲地區，2002年7月日本為應對瘋牛病而制定法律對牛肉生產強制實行可追溯系統，規定牛飼養場必須每頭牛佩戴具有個體識別號的耳標，以記錄每頭牛的基本信息，包括標識號、品種、性別和飼養歷史等信息。同期，將可追溯系統推廣到豬肉和肉雞等肉食行業。韓國政府已頒布農畜產品追溯制度的相關法律，并且強制執行生產必須安裝RFID自動追溯系統[16]。

與此同時，國外許多企業也以RFID技術為基礎研制了許多家畜精細飼養技術[17]。例如，荷蘭Nedap公司的Velos系統打破了定位欄養豬模式，美國奧斯本工業公司生產了全自動母豬飼喂站，利用電子控制的飼喂站管理群體飼養母豬中的人工采食并可以對母豬個體進行發情探測。

利用電子標簽對動物個體進行標識在國外已經得到了普遍的應用。動物個體信息在國家領導建立的中央數據庫保存。同時，RFID技術也已被廣泛應用到動物個體的精確飼喂以及動物產品的銷售供應鏈中。RFID的應用進一步保證了畜產品的可追溯性和安全性。

2.2 國內畜產品追溯系統的研究進展

構建畜產品可追溯系統對于我國的食品安全和國際貿易具有重要作用，在國內也已經得到了廣泛的關注與研究[18]。近些年來，隨著技術的發展，RFID在我國追溯系統的發展中得到了越來越廣泛的應用了，目前在我國使用較廣泛的是養牛及養豬行業。

施亮等[19]采用B/S（瀏覽器/服務器）模式結構體系，基于RFID技術構建了肉牛養殖可追溯系統，實現了對每頭肉牛的養殖信息的自動采集，為每頭肉牛建立了詳細的追溯檔案，可在Internet上進行快速查詢。系統解決了肉牛養殖環節中對肉牛個體的質量監控及追溯，使用RFID標簽可快速獲取牛身份編號，但是操作記錄在手持機中，需要與計算機通過串口通信將數據導入數據庫中。

吳滄海等[20]也將RFID與Zigbee技術進行了結合，提出了一種牛場的無線遠程監控系統，方便進行牛只管理、產奶管理等。該系統的設計目的在于實現實時動態的牛群管理，其包括的硬件設備及功能模塊過多，實現困難。

耿麗微等[21]通過采用瘤胃式動物超高頻電子標識為每頭奶牛建立一個永久性的數據檔案，實行一畜一標，通過RFID技術及單片機與PC通信技術對遠處的電子標簽進行識別與讀寫。系統實現了對每頭奶牛電子標識的遠距離識讀，可以高效的對奶牛進行監控與管理，為精細養牛的重要依據，但系統中對牛的養殖信息沒有進行有效的記錄與管理。

馬紅[22]根據我國養牛業現代化管理程度不高，缺乏可追溯管理等發展現狀建立了以RFID為基礎的奶牛電子標識管理系統、奶牛肉牛精密喂養數據庫并優化了牛場日常管理系統。通過精確飼喂提高奶料比，提高牧場經濟效益，保證乳肉制品的安全性。

周仲芳等[23]建立了基于無線射頻技術的活豬檢驗檢疫監督管理電子化系統，系統使用了低頻耳標，實現了對活豬飼養、出欄檢疫、運輸及屠宰加工等全過程溯源追溯管理。該系統對養殖場、屠宰場通道設計提出了一定的要求，并對耳標回收利用情況進行了測試，為活豬檢驗檢疫監督提供了參考。

馬從國等[24]為了控制養殖環境和提高養殖效益，提出了基于現場總線的生豬生長環境的小氣候監控系統和模糊神經網絡控制算法，實現對影響肉豬生長的溫度、溫度進行有效控制。該環境監控系統為精細飼養提供了重要的參考，系統還需要對影響生長環境的其他因素例如氨氣、硫化氫等有害氣體進行綜合控制，系統對不良環境的實時調節能力也亟待提高。

胡圣杰[25]使用高頻RFID技術實現母豬的標識與自動識別，并以此為基礎建立了母豬自動飼喂控制系統。系統通過采集耳標編號、體質量、進食時間、進食量及接觸公豬頻次等數據，結合單片機控制飼喂裝置，實現母豬的自動化飼喂、進食情況統計及生長管理。系統目前屬于模擬階段，其實現還需要良好的硬件支持與現場環境測試。

羅清堯等[26]采用超高頻RFID技術，設計了適合生豬胴體的RFID標簽，開發了標簽在線讀寫系統，實現了生豬屠宰流水線上豬只胴體的RFID標識和遠距離自動識讀。系統實現了生豬屠宰過程中溯源關鍵點的生豬屠宰標識信息的可靠采集、傳輸與處理等，同時解決了進入超市的胴體RFID標簽與終端零售產品分割標簽的標識轉換問題。

白紅武等[27]結合軟件構件技術的研究與應用現狀，將地理信息系統（geographic information system，GIS）、物流管理和軟構件技術引入農產品追溯領域，研究了設施定位、車輛路線、空間追溯、產品查詢與召回等功能，提出了基于GIS的生豬及產品的可視化追溯框架結構。任守綱等[28]結合物聯網及電子產品代碼（electronic product code，EPC）等技術，提出了基于RFID的肉品企業資源平臺架構，設計了肉品銷售跟蹤及追溯體系。追溯系統通過對象名解析服務（object name service，ONS）服務器獲得肉品的流通信息，將這些信息與節點的地理信息相結合，通過GIS進行直觀展示。通過引入GIS使肉品在流通銷售領域的追溯更加直觀與快捷，同時追溯功能的實現對RFID信息的采集、數據安全及可視化追溯平臺的建立均提出了更高的要求。

隨著RFID技術在國內畜產品可追溯系統中的應用，研究人員結合計算機、網絡、GIS及物聯網等技術，利用電子標簽實現對動物個體的有效標識并重點關注了動物的精確飼喂及可追溯系統的自動化及智能化，建立的可追溯系統也在不同的范圍內得到了應用。

3 RFID應用中存在的問題

3.1 法律法規及標準化問題

RFID應用中的法律法規標準建設尚不完備，我國食品安全法規的覆蓋面、危害分析原則的應用以及與國際標準接軌方面等方面仍有很大差距[29]。相關食品安全學科體系和人才培養體系有待提高，人民群眾的食品安全意識信用和道德規范有待提高。農獸藥殘留檢測方法和標準等新技術與國際先進水平差異較大。

RFID技術的應用雖然開始將畜產品追溯帶入便捷安全的物聯網時代，但是目前，我國該技術在實際的應用過程中缺乏完善的技術標準，各個國家之間所用標準也不同，完善相關標準并與國際接軌對RFID技術在追溯系統中的推廣具有重要作用。

3.2 RFID技術發展水平較低

目前我國RFID技術的發展水平不高，生產效率較低，生產成本高，在我國畜產品追溯的應用仍屬于起步階段。除了部分發達城市外使用較少，并且絕大多數應用均處于示范階段。在標簽的選擇上要考慮多種問題。當前，標簽經過封裝制成動物耳標的生產成本仍然很高，標簽的讀寫距離受封裝材料和環境的影響會產生大幅度的下降，在一些動物（例如豬）的使用中容易被動物之間相互破壞，耳標在惡劣環境下的使用壽命和堅固性都亟需提高，盡快找到更好的封裝材料對耳標的推廣有重要作用。部分學者正在研究有機RFID標簽在動物食品溯源中的應用前景[30]。有機RFID標簽的使用可以有效的降低成本。在養殖環境中，通過手持讀寫器記錄信息，然而用來讀寫標簽的讀寫器普遍成本很高，需要使用多個，并且讀寫器通常搭載WinCE系統，設備性能較差，難以開發復雜的應用。讀寫器一般工作于多標簽的環境下，當同時讀到多個標簽時難以將標簽編號與個體進行對應。

3.3 信息采集復雜，可靠性低

在我國畜產品的養殖方式受地區環境的影響復雜多變，難以形成統一的標準在全國推廣。大部分養殖場的現代化水平較低，硬件設施落后，使用的軟件系統的智能化程度不高，需要飼養的配合，給飼養員增加了部分工作負擔。農業部在生豬飼養中開發了二維碼耳標并配戴在豬身上，進行免疫操作進行詳細的信息記錄時，飼養員需要掃描每頭豬所配帶的耳標，但是由于豬活動性較強、掃描時需要對準耳標、需要掃描的耳標數量巨大，很大地增加了飼養員的工作負擔。當前，飼養員在牲畜的飼養中仍占有極大的作用，然而飼養員招聘困難，文化水平較低，對于現代化的養殖設備和系統的使用有一定的困難，需要進行必要的培訓，對于部分比較先進的飼喂管理系統的推廣有較大的阻力。同時，由于需要人工參與數據記錄，實現信息在傳遞和流通過程中不被篡改也是亟待解決的問題[31]。

安全追溯系統的建立涉及到養殖、屠宰、運輸和銷售等多個環節。目前的研究多針對其中某個方面，系統缺少有效的集成。研發的系統主要用于動物生產信息、流通信息等的收集與保存，未對數據進行有效的挖掘與處理。系統機械化程度不高，尤其在生產領域，實現系統自動控制難度較大。

4 結 語

本文介紹了RFID技術的基本原理和特點，回顧了發達國家和地區可追溯制度建設和可追溯系統的實施情況，歸納了RFID技術與計算機、網絡通信、自動化等技術在國內可追溯系統的發展與應用現狀，并結合我國追溯系統發展面臨的RFID技術不成熟、制度不完善等現狀提出了RFID技術在可追溯系統中應用的發展趨勢。

受技術和經濟發展水平的限制，建設全國性的畜產品追溯系統還有相當長的路要走，RFID技術由于其眾多的優點在追溯中的應用已經成為一種不可逆轉的趨勢。隨著傳感器、測控、通信、網絡、計算機等技術的不斷發展完善，RFID作為農業物聯網的核心技術之一，將在畜牧業中得到越來越廣泛的應用，為有效推動與提升現代畜牧業發展、增收及農村繁榮提供強大的信息手段。

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