RFID技術在道地中藥材質量溯源中的應用研究

張　博，南淑萍，孟利軍

(1.亳州職業技術學院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜陽師范學院計算機與信息學院，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技術在道地中藥材質量溯源中的應用研究

張博1，南淑萍2，孟利軍3

(1.亳州職業技術學院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜陽師范學院計算機與信息學院，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(RFID),可以實現對中藥材的質量監控和溯源.使用改進的內存索引結構算法，能夠實現對RFID原始數據的批量處理，不斷完善統一讀寫設備的實現架構.同時利用非對稱密鑰的加密算法，避免中藥材重要數據在生產和流通過程中泄露和被篡改，提高電子標簽的數據安全性.

關鍵詞：物聯網；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外，中藥產業的發展直接影響到亳州整體經濟的發展速度.亳州的自然條件和生態環境，適宜種植中藥材，地產藥材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已經被《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，亳州當地很多農民紛紛放棄傳統的地產藥材種植，轉而種植“短、平、快”的中藥材.由于缺乏種植經驗，同時部分藥農受利益驅動,出現了藥材質量下降、農藥殘留超標等問題，大量非道地產區的偽劣藥材冒充道地藥材的名義進入市場，造成了“道地藥材不道地”的現象.由于偽劣藥材的沖擊，使得一些種植規模較小、市場占有率低的地產藥材品種，亟待得到保護性種植與開發.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.

物聯網是建立在互聯網基礎上的新一代信息技術.在物聯網中，物品可以通過射頻信號，自主加入傳感器網絡，彼此之間進行數據通信，從而實現智能化的組網過程[1].在藥材的種植與栽培過程中，利用RFID技術，監控藥材生長環境中的溫度、濕度、土壤墑情等因素[2]，更好保護地產藥材的品質.在藥材流通和加工過程中，將中藥材的品種、產地、種植、藥性等信息，寫入無線射頻標簽，通過讀取設備，隨時獲得藥材所帶電子標簽中的信息，從而實現對藥材質量的監控.

本文通過對物聯網技術進行深入研究，提煉物聯網技術在亳州道地藥材保護中的應用研究模式，探討采用RFID技術后藥材生產全過程的改進情況，從而為保護亳州中藥產業有序健康的發展提供現代技術支持.

1追溯體系在國內外發展現狀

物聯網技術的應用在近年得到快速普及，經過信息技術人員的努力，RFID技術在蔬菜、食品、農作物種植等方面的追溯應用上取得了很大的進展.

(1)中國科學院院士陳俊亮率領的研究團隊，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量.

(2)廣東省出入境檢驗檢疫局信息中心與香港大學、香港食品與環境署聯合開發基于RFID技術的供港活豬全程溯源系統，實現了供港活豬檢疫查驗電子化和全程溯源，廣東省內93家定點飼養場全部實現電子化耳標管理.

(3)新疆農業大學草業與環境科學學院承擔的國家“十二五”科技支撐計劃——“新疆特色農業物聯網信息化技術示范基地建設”，開發基于RFID與WebGIS的阿克蘇蘋果質量安全溯源系統[3]，取得了較好的推廣效果.

(4)美國2004年啟動國家動物標識系統(NAIS)，利用物聯網技術，對養殖場動物個體進行標識，在發現外來疫情的情況下，可以在48小時內確定所有與其直接接觸的企業.

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

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

(7)世界各國對物聯網產業的發展都非常重視，相繼出臺了相關發展政策.

1)2004年日本總務省提出U-Japan計劃，準備利用物聯網技術，將日本建設成一個隨時隨地、人與物體都能夠智能連接的網絡社會.

2)2009年1月28日，奧巴馬就任美國總統后，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網列為振興經濟的兩大重點.

3)2009年8月，溫家寶總理發表了“感知中國”的講話，進一步推動了我國物聯網技術的快速發展.

利用物聯網技術開展產品質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果.目前建立的追溯系統，主要還是集中在食品、農作物、家畜等傳統行業中，并沒有針對中藥材的特性，開展有效的溯源研究工作.將物聯網技術應用在中藥材的種植、流通、生產的全過程溯源中，為我國中醫藥產業的健康發展提供了新的思路和方法.

2RFID技術在亳州道地藥材溯源中的應用

2.1　應用背景

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，亳州地產藥材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已經被《中國藥典》收錄，在亳州當地種植面積廣，具有很高的藥用價值和療效.

當前, 困擾中藥產業的瓶頸問題主要是中藥材和中藥飲片的質量問題, 不同于西藥相對固定的生產加工模式, 中藥由于來源的特殊性, 生產流通環節較長，對其內在質量影響的環節多.從產地到種植, 從采收到炮制, 從運輸到銷售, 每一步稍有不同, 生產出的藥品質量就會相差很大.中藥材種植、炮制過程中的質量控制，過去多采用人工辨識的方法，導致中藥材的質量相差很大，直接影響到最終中藥產品的質量穩定性.

2.2　總體研究思路

物品追溯體系是物聯網技術研究的重要領域，是保證產品質量的主要監控手段.隨著信息技術普及，現在已實現了物聯網技術在農作物種植、豬肉檢驗檢疫、食品安全等領域的溯源應用.利用物聯網建立道地中藥材的追溯系統，能夠更好的保護各地寶貴的地產藥材資源，使中國傳統的中藥產業得到健康發展，在國際市場上重新煥發更強大的活力.

在物聯網技術中，選擇什么作為道地藥材追溯系統研究的切入點值得我們深思.根據物聯網技術發展的趨勢和中藥材的特點，本文選取RFID技術作為藥材溯源的切入點.

利用物聯網的無線傳感器技術，可以對中藥種植與加工的各個環節進行監控.在藥材生成和流通的過程中，使用RFID技術，將中藥材的品種、產地、藥性等信息，寫入RFID標簽，可以隨時通過讀取設備，獲得藥材所帶電子標簽中信息；在藥材的種植過程中，利用RFID技術，可以監控藥材生長環境中的溫度、濕度、墑情等因素[5]，更好確保地產藥材的品質.使用物聯網技術建立中藥材追溯系統，可以進一步提高地產藥材的質量和穩定性.

實現統一讀寫設備管理和提高電子標簽訪問安全是目前RFID技術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備沒有統一標準，如何實現協調一致的通信協議接口，打破廠商之間的技術瓶頸是亟待解決的問題，只有這些問題得到解決，才可以實現RFID讀取設備的即插即用.同時，對RFID電子標簽進行安全性加密，可以有效防止藥材流通與生產過程中的上下游企業非法篡改標簽中的信息[6]，保證藥材的品質.

2.3　主要技術路線

本文的主要工作是改進傳統物聯網溯源系統，并應用在亳州道地藥材的質量監控和保護過程中.針對中藥材數據的特點，在提出改進數據處理算法的基礎上，進一步深入研究設備統一讀寫服務器的開發方法，使用基于橢圓曲線密碼機制的線路提高電子標簽的數據安全性，將RFID技術和藥材的質量追溯結合起來進行研究.

在RFID應用中，對于大數據的處理，會導致系統需要處理的數據負荷迅速加大.同時，又要兼顧各種讀寫器底層的協議，數據集成與處理算法對于RFID系統至關重要.為了建立有效的溯源系統，將研究重點放在以下幾個方面：

(1)使用改進的內存索引結構算法對RFID原始數據進行處理.

本文主要采用一種改進的T樹的數據優化算法.內存數據庫是大規模RFID應用過程中實現對數據精準處理的場所[7]，如何提高數據篩選、分類、統計等功能，關鍵是找到一種適合RFID應用特點的算法.目前應用比較廣泛的是B樹和T樹兩種結構，其中T樹更適合于處理內存數據.根據對傳統T樹特點的分析，本項目提出了在T樹的基礎上，增加兩個指針，從而使相互分散的標簽數據間建立有機聯系，形成健壯的改進型T樹.通過對RFID數據集成的特點進行分析，在改進T樹中設置四個頭節點，分別代表處于前置發現狀態的標簽指針、前置已保存標簽指針、后置發現狀態的標簽指針、后置已保存標簽指針.這種改進T樹可以實現快速的查詢、添加、刪除等操作，大大提高了數據的處理效率.

在上面的研究基礎上，進一步實現對T樹鏈表的查找、插入、刪除等操作.由于在數據插入時利用了T樹的查找，在數據檢索時利用鏈表遍歷，因此改進型T樹對于大規模RFID數據處理具有較高的效率.為了處理系統數據運算時的任務分配不均現象，針對系統特點優化算法，采用實時調整策略，同時過濾重復數據以降低系統負荷.優化后的T樹算法克服了傳統T樹算法的缺點，減少了掃描數據次數，提高了數據處理速度和效率.

(2)對統一讀寫設備服務的實現架構進行研究.

在RFID技術實現過程中，由于各個廠家的讀寫設備協議的不兼容性，造成了讀取數據后期處理的復雜度[8].建立一種通用獨立RFID中間件設備管理協議機制，使用協議轉換腳本來記錄具體設備與設備接口直接的映射關系，可以很好地驅動各種讀寫設備，實現在網絡中對不同廠家設備的即插即用.

結合RFID技術的特點，本文提出了獨立設備管理服務器的架構，通過建立一個通用的讀寫設備接口，然后使用協議轉換腳本來記錄具體設備與設備接口直接的映射關系.邊緣服務器中的協議轉換層負責解釋腳本信息，從而將這種映射關系最終轉換為驅動某個具體設備的指令，達到數據讀寫設備即插即用的目的.

(3)使用非對稱式的電子標簽數據加密算法的研究.

使用非對稱式算法的密鑰機制，更好提高了電子標簽訪問的安全性，避免藥材在流通過程中第三方在非授權的狀態下讀取標簽數據，具有很好的實踐應用價值.

對于藥材溯源系統，RFID標簽的安全性是至關重要的問題.由于采用無線射頻技術通信，非授權讀寫電子標簽的操作變得更加容易[9].不法廠商可以通過讀取電子標簽，獲得藥材的產地、日期、物流路線等商業隱私信息，并且通過特殊設備改寫其中的信息，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簽、屏蔽讀寫器信號、干擾標簽等方法，安全效果常常受限于硬件設備.密碼方案主要通過算法來實現對標簽的安全訪問，具有更好的靈活性，現在研究的重點在于加密技術的使用及身份驗證上[10].在開放RFID應用系統中，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，并且一旦發生泄漏，整個供應鏈的標簽都會受到攻擊.使用非對稱式算法的密鑰機制可以很好地解決以上問題，將公鑰發給合作廠商，讓合作方在標簽中寫入公鑰加密的數據，確保只有本企業和合作伙伴才能夠對標簽信息進行解密[11].

3總結

將物聯網技術應用在中藥材追溯研究上，將對道地藥材的保護提供技術保證，標志著我國中醫藥領域利用現代信息處理技術己經跨上一個新臺階，必將促使中藥產業的信息化工作在原有基礎上獲得進一步發展.

參考文獻：

[1]李如年.基于RFID技術的物聯網研究[J].中國電子科學研究院學報，2009，(6):594-597.

[2]李林，劉曉，殷放宙.物聯網技術在中藥產業中的應用前景[J].南京中醫藥大學學報(社會科學版)，2010，(3):170-173.

[3]張土前，蔣平安.基于RFID與WebGIS的阿克蘇蘋果質量安全溯源系統[J].新疆農業科學，2012，(8):1519-1524.

[4]王成瑞，段富海.物聯網關鍵技術在食品溯源中的研究與應用[J].物聯網技術，2012,(8):66-70.

[5]侯春生，夏寧.RFID技術在中國農產品質量安全溯源體系中的應用研究[J].中國農學通報，2010，(3):296-298.

[6]江昌旭，汪禮超，唐榮年.基于RFID技術的芒果品種識別與信息追溯系統研究[J].中國農機化學報，2013,(3):188-191.

[7]陳旭輝，王馨，柯銘.一種改進的基于RFID中間件的冗余數據清洗算法[J].微電子學與計算機，2013,(7):154-158.

[8]饒緒黎，張美平，許力.基于Zigbee技術的RFID讀卡系統設計[J].山東大學學報(理學版)，2013,(7):62-67.

[9]黃玉蘭.射頻識別(RFID)核心技術詳解(第2版)[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[10](美)黃鎧，福克斯，唐加拉.云計算與分布式系統：從并行處理到物聯網[M].武永衛，譯.北京：機械工業出版社，2013.

[11]李道亮.農業物聯網導論[M].北京：科學出版社，2012.

(責任編校：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，Fuyang Teachers College，Fuyang 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，亳州職業技術學院信息工程系副教授，碩士.研究方向：系統分析與集成、軟件中間件.

基金項目：2014年度安徽省教育廳自然科學重點基金項目(批準號：KJ2014A171)；2013年度安徽省教育廳青年人才基金重點項目(批準號：2013SQRL129ZD)；2013年度安徽省教育廳自然科學基金(批準號：KJ2013Z261)資助項目；2014年度亳州市政府科技創新團隊項目(批準號：亳組2014(21)號).

收稿日期：2015-03-02

中圖分類號:TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2015)02-0064-03