RFID在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

賈 浩，沈 岳,2，溫佑杰

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科技學(xué)院，湖南 長沙 410128； 2.湖南省農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128）

無線射頻識別（RFID）是一種具有數(shù)據(jù)存儲量大、穿透能力強(qiáng)、讀寫距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)的自動識別技術(shù)，同時是唯一可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識別的自動識別技術(shù)。RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器以及天線組成。

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展向農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、精細(xì)化和智能化管理的轉(zhuǎn)變，RFID 技術(shù)成為了農(nóng)業(yè)物物相連和農(nóng)業(yè)感知的關(guān)鍵技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的每個農(nóng)業(yè)個體的追蹤和溯源，其目的是為了快速、精確、高效地給出每個農(nóng)業(yè)個體的種植情況、流通情況、生產(chǎn)加工情況以及銷售情況等相關(guān)信息[1]。

項(xiàng)目組通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐，研究了RFID 技術(shù)在溫室大棚、大田種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)流通領(lǐng)域中的使用情況，提出了RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的常見問題以及針對不同問題的解決方法。

1 RFID 技術(shù)

1.1 RFID 系統(tǒng)的組成

RFID 系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和天線三部分組成，一般由閱讀器收集數(shù)據(jù)信息傳送到后臺系統(tǒng)進(jìn)行處理[2]。RFID 系統(tǒng)的組成如圖1 所示。RFID 電子標(biāo)簽附著在被識別的物體上，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識別物品進(jìn)入讀寫器工作范圍時，讀寫器可自動以非接觸方式讀寫電子標(biāo)簽中記錄的包括在生產(chǎn)、流通、加工和銷售等環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對物品標(biāo)識信息的準(zhǔn)確、快速、高效的采集[3-4]。

圖1 RFID 系統(tǒng)的組成

（1）電子標(biāo)簽的基本組成結(jié)構(gòu)為耦合元件、芯片和電路，在電子標(biāo)簽芯片中的ROM 中存放著全球唯一的ID 號碼，無法修改。這使得每個電子標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。

（2）讀寫器是用于讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，是連接RFID 標(biāo)簽和后端信息處理系統(tǒng)的通道。一般情況下，由后端信息處理系統(tǒng)識別、讀取和寫入收集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)使用方法不同，讀寫器可分為移動式和固定式。

（3）天線是電子標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號的裝置。

1.2 RFID 識別工作原理

RFID 標(biāo)簽分為無源和有源2種。對于無源RFID標(biāo)簽，當(dāng)RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器天線輻射形成的磁場范圍時，標(biāo)簽天線通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流驅(qū)動RFID 芯片電路，芯片電路通過標(biāo)簽天線將存儲在標(biāo)簽內(nèi)的標(biāo)識信息發(fā)送給讀寫器，讀寫器再通過天線將接收到的標(biāo)識信息發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)。無源標(biāo)簽的工作過程就是讀寫器向電子標(biāo)簽傳遞能量，電子標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送標(biāo)識信息的過程。工作原理如圖2 所示。

圖2 無源RFID 工作原理

對于有源RFID 電子標(biāo)簽，處于遠(yuǎn)場的有源RFID 標(biāo)簽由內(nèi)部配置的電池供電。為了節(jié)約能源、延長標(biāo)簽的工作壽命，有源RFID 標(biāo)簽可以不主動發(fā)送信息。當(dāng)有源標(biāo)簽收到讀寫器發(fā)出的讀寫指令時，標(biāo)簽才向讀寫器發(fā)送存儲的標(biāo)識信息。有源標(biāo)簽的工作過程就是有源標(biāo)簽收到讀寫器發(fā)送的讀寫指令后再向讀寫器發(fā)送標(biāo)識信息的過程。工作原理如圖3所示。

圖3 有源RFID 工作原理

2 RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中典型的應(yīng)用

近年來，食品安全問題（禽流感、瘋牛病、蔬菜農(nóng)殘、病死豬、農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)等）越來越嚴(yán)重，影響著人類的健康，嚴(yán)重威脅到了人們的生命安全。隨著全球化的加速，各國農(nóng)產(chǎn)品之間的流通將會越來越頻繁，出口農(nóng)產(chǎn)品的要求也會越來越高。為此，各國為了保證本國農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，對農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)－流通－銷售全程跟蹤和識別。以增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的溯源機(jī)制，保障農(nóng)產(chǎn)品的安全。我國農(nóng)業(yè)部頒布實(shí)施的《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯操作規(guī)程通則》（標(biāo)準(zhǔn)編號：NY/T 1761-2009）對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯作了一個詳細(xì)的定義，所謂的追溯信息為具備質(zhì)量追溯能力的農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、流通以及銷售各環(huán)節(jié)相關(guān)信息的總和，追溯信息的內(nèi)容應(yīng)覆蓋該環(huán)節(jié)操作時間、地點(diǎn)、責(zé)任主體、產(chǎn)品批次及質(zhì)量安全相關(guān)內(nèi)容[5]。

2.1 RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品安全種養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

2.1.1 在農(nóng)業(yè)種植方面的應(yīng)用 在農(nóng)作物種植方面，將電子標(biāo)簽和傳感器綜合利用，感知土壤溫濕度、土壤電導(dǎo)率、土壤肥力、土壤重金屬的含量以及光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的變化。記錄農(nóng)作物的生長周期、農(nóng)藥使用情況等信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)的精細(xì)化、智能化。同時，利用讀寫器將農(nóng)產(chǎn)品的大小、重量、品種、質(zhì)量、生產(chǎn)地址和采摘日期等詳細(xì)信息寫入電子標(biāo)簽中，為農(nóng)產(chǎn)品溯源提供數(shù)據(jù)。

2010年，財(cái)政部、商務(wù)部在海南省啟動海南農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代流通綜合試點(diǎn)，將提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的追溯作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，建立農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)養(yǎng)殖、加工、流通和銷售全過程的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系。海南惠民農(nóng)產(chǎn)品出口配送有限公司以“統(tǒng)一標(biāo)識，源頭可追溯”為經(jīng)營理念，是海南最先實(shí)行食品追溯的企業(yè)之一。該公司對6 666.67 hm2農(nóng)產(chǎn)品種植基地的農(nóng)戶推行科學(xué)、統(tǒng)一的管理，對農(nóng)民進(jìn)行了關(guān)于溯源相關(guān)信息的培訓(xùn)，提供大量的科技服務(wù)，建立了農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，使所有的農(nóng)產(chǎn)品都擁有一張“有著成長記錄的身份證”，能夠查詢到農(nóng)產(chǎn)品從播種、生產(chǎn)、加工、收購、流通和銷售全過程的基本信息，以信息可追溯的方式保障生產(chǎn)種植、田間管理、化肥農(nóng)藥、加工和流通環(huán)節(jié)符合國際無公害食品標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.1.2 在動物養(yǎng)殖方面的應(yīng)用 在動物養(yǎng)殖方面，在幼崽出欄的時候就佩戴RFID 電子耳標(biāo)，電子標(biāo)簽中包含的數(shù)據(jù)包括動物的品種、出生日期、上輩信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。在養(yǎng)殖過程中，由飼養(yǎng)員將動物的飼養(yǎng)情況、疫苗注射情況、生長環(huán)境信息，通過RFID 手持設(shè)備，以一種非接觸的方式寫入電子標(biāo)簽中，并通過無線通信GPRS/3G 將采集到的動物的相關(guān)信息上傳到食品安全平臺數(shù)據(jù)中心，并在數(shù)據(jù)中心建立完整的個體養(yǎng)殖檔案，以便實(shí)現(xiàn)追溯查詢。實(shí)現(xiàn)了動物的跟蹤與識別，提高了動物溯源的精確度。

2000年7月1日，英國政府規(guī)定境內(nèi)所有生牛必須采用數(shù)字識別，實(shí)現(xiàn)對牛肉從生長到銷售全過程的溯源。2008年1月1日起，歐洲強(qiáng)制對綿羊推行電子識別技術(shù)[7]。在國內(nèi)基于 RFID 技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品安全檢測系統(tǒng)已正式應(yīng)用于生產(chǎn)，如上海市于 2005年投入使用的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過將 RFID 標(biāo)簽打在豬耳朵上的方式，實(shí)時獲取生豬的喂養(yǎng)飼料、生豬的病歷、疫苗注射情況、喂藥等信息，通過對養(yǎng)豬場、道口、屠宰場、批發(fā)市場及超市獲取的相關(guān)信息建立信息鏈接，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程的安全控制和對流通環(huán)節(jié)的實(shí)時監(jiān)控[8]。

2.2 RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品流通中的應(yīng)用

RFID 技術(shù)具有讀取速度快、可穿透物體、數(shù)據(jù)存儲量大、可同時識別多個目標(biāo)對象的特點(diǎn)。如果在農(nóng)產(chǎn)品上粘貼RFID 標(biāo)簽，不僅可以節(jié)省大量的人力物力，縮短農(nóng)產(chǎn)品在流通中所花費(fèi)的時間，保持了農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度，還有效的提高了農(nóng)產(chǎn)品信息在“生產(chǎn)養(yǎng)殖－加工－流通－銷售”全過程的采集速度和信息共享程度，提高了農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，保障了農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)。

在國內(nèi)，一些地方的科研機(jī)構(gòu)對于RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品流通過程中的應(yīng)用做了積極、深入的研究。上海農(nóng)業(yè)大學(xué)和上海農(nóng)業(yè)信息公司對于如何提高農(nóng)鮮產(chǎn)品供應(yīng)鏈的效率的問題，將農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品銷售環(huán)節(jié)各個環(huán)節(jié)的信息讀入公共數(shù)據(jù)庫，不但可以確保在各環(huán)節(jié)獲取的信息的高質(zhì)量數(shù)據(jù)交流，而且還能實(shí)現(xiàn)食品全過程的溯源以及蔬菜供應(yīng)鏈的完全透明度[9]。

2.3 RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品銷售中的應(yīng)用

在超市、商場、市場等銷售點(diǎn)設(shè)置溯源查詢終端，消費(fèi)者只要通過電子標(biāo)簽的識別碼進(jìn)行查詢，就可以查詢到農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的信息。包括農(nóng)產(chǎn)品的品種、農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、農(nóng)產(chǎn)品的檢疫情況、農(nóng)產(chǎn)品的用藥情況和農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地等。這樣，在保證消費(fèi)者權(quán)益的同時也保障了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)者起到了監(jiān)督作用。由于農(nóng)產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)的信息都發(fā)送到了中心數(shù)據(jù)庫，這樣就形成了一個完整的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈。通過農(nóng)產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽，就可以對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤和識別。實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品從種植到餐桌的安全狀況。

3 RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的問題

3.1 技術(shù)問題

在RFID 技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用過程中，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)：RFID 標(biāo)簽粘貼的位置、讀寫器天線的位置、以及標(biāo)簽的方向、與讀寫器天線的距離與方位，對標(biāo)簽信息的讀寫效果影響都很大[10]。同時，由于RFID 標(biāo)簽與讀寫器通信使用的是無線射頻通道，無線射頻通道具有不穩(wěn)定、易干擾的特點(diǎn)。RFID 技術(shù)還不夠成熟。如何克服這些因素的影響，提高RFID 的使用效率，是RFID 在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究要解決的關(guān)鍵問題。

3.2 成本問題

RFID 系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽RFID 讀卡器和及天線，價(jià)格成本都很高。與普通的二維碼標(biāo)簽進(jìn)行對比，電子標(biāo)簽的價(jià)格是二維碼標(biāo)簽價(jià)格的幾十倍。加上管理軟件的升級和維護(hù)的費(fèi)用，使農(nóng)民難以接受。

隨著集成電路制造技術(shù)以及RFID 技術(shù)的快速發(fā)展，電子標(biāo)簽成本有望下降，預(yù)計(jì)2019年，單體標(biāo)簽的平均價(jià)格將達(dá)到1 美分，其中高容量、有芯片、數(shù)據(jù)讀取快、安全性高的版本約為 4 美分，而無芯片的版本僅為 0.4 美分[11]。隨著電子標(biāo)簽價(jià)格的下降，RFID 在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用將會越來越廣泛。

3.3 環(huán)境問題

RFID 技術(shù)要求每一個農(nóng)產(chǎn)品都粘貼上RFID 電子標(biāo)簽，然而，電子標(biāo)簽畢竟是電子產(chǎn)品，讀寫器和標(biāo)簽的所產(chǎn)生的電磁輻射及材料釋放物對空氣、水、植物和動物等都有影響。特別是進(jìn)行遠(yuǎn)距離應(yīng)用的RFID 標(biāo)簽，其電磁波輻射對公共通信的影響是需要人們注意的問題[12]。

隨著RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，必定會大量的使用電子標(biāo)簽，若不對電子標(biāo)簽進(jìn)行多次的讀寫，對電子標(biāo)簽進(jìn)行回收利用，勢必會對環(huán)境造成較大的污染。因此建立一個確保 RFID 標(biāo)簽有效回收與利用的管理體制，是解決RFID 對環(huán)境污染的有效方式。另外，可以對同品種、同批次、同品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，進(jìn)行裝箱銷售，減少RFID 標(biāo)簽的使用，降低對環(huán)境的污染。

3.4 信息安全問題

當(dāng)前，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息的安全問題越來越受到人們的關(guān)注。同樣，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，電子標(biāo)簽內(nèi)的大量信息以及用戶的私人信息如何加密，如何得到安全的保護(hù)，成為了當(dāng)前研究的一個重點(diǎn)。RFID 系統(tǒng)本身的安全問題可歸納為隱私和認(rèn)證兩個方面：在隱私方面主要是標(biāo)簽內(nèi)存取的信息可追蹤性問題，即如何防止攻擊者對RFID 標(biāo)簽中存取的信息進(jìn)行任何形式的跟蹤；在認(rèn)證方面主要是要確保只有合法的閱讀器才能夠與標(biāo)簽進(jìn)行交互通信[13]。目前通過Kill 命令機(jī)制、靜電屏蔽機(jī)制以及對電子標(biāo)簽進(jìn)行加密處理，能夠一定程度上解決電子標(biāo)簽的信息安全問題。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化問題

提高RFID 標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)的兼容性，是RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；年P(guān)鍵因素之一。RFID 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題日益成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。RFID 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題主要有4 類：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如符號、射頻識別技術(shù)、IC 卡標(biāo)準(zhǔn)等)；數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)(如編碼格式、語法標(biāo)準(zhǔn)等)；一致性標(biāo)準(zhǔn)(如印刷質(zhì)量、測試規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn))；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(如船運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等)[14]。其中編碼標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議是構(gòu)成RFID標(biāo)準(zhǔn)的核心。目前3 大標(biāo)準(zhǔn)組織（美國EPCglobal、日本UID 和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO）已經(jīng)建立了ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn)體系。我國已于2006年發(fā)布了《中國射頻識別（RFID）技術(shù)政策白皮書》，成為了中國RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的里程碑。

4 結(jié) 語

RFID 電子標(biāo)簽的應(yīng)用前景非常廣闊，就目前應(yīng)用情況來看，還沒有不成功的，只有不成熟或不適[15]。雖然RFID 技術(shù)還存在成本、技術(shù)、環(huán)境、信息安全和標(biāo)準(zhǔn)化等問題，但隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，RFID 的成本會不同程度地下降，技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)度也會不斷改善， RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用已是指日可待。因此，

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