有機RFID標簽在農產品食品溯源中的應用

王世豪++陳曙光

摘 要：無線射頻識別（RFID）標簽的高昂成本已成為制約RFID技術發展的最大因素。最新科學研究表明，有機RFID標簽具有無機RFID標簽的絕大部分特性，但其成本低廉，已吸引了全世界的關注。文中主要對農產品食品溯源中有機RFID標簽的應用進行了優缺點分析，并與二維條碼，無機RFID標簽相關特性進行了比較。從而在追溯過程中根據不同生產環節的特性來靈活選擇不同的標簽。明確引入溯源過程的有機RFID標簽，這樣不但可以大大降低農產品食品的溯源成本，還可以加快農產品食品溯源技術在實際應用中的普及。

關鍵詞：有機RFID；農產品；溯源；成本低廉

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

“食品質量安全可追溯信息系統”最初是20世紀90年代末歐盟為了解決“瘋牛病”問題，逐步由政府提出建立并完善的食品安全管理制度。以GMP（“良好作業規范”）和SSOP（“衛生標準操作程序”）為根本，食品鏈相關組織（包括生產，加工，包裝，運輸，銷售公司和組織）將國際食品法典委員會CAC頒布的“HACCP體系及其應用準則”（食品安全控制體系）作為組織的核心管理要素，明確了以消費者為中心的食品安全管理體制。

對食品生產、加工、物流、倉儲、銷售等環節建立信息管理制度，實現向上追溯和向下跟蹤的“雙向”管理，并在超市類似ATM機系統的專門硬件上進行信息共享，保護消費者的知情權。如果出現食品質量問題，即可通過掃描食品標簽上的追溯碼在網上查詢該食品的生產、加工、銷售等信息，從而明確相應法律責任的事故方。

食品安全追溯信息管理可通過食品溯源專用硬件設備，在食品流通、供應、消費、庫存等各環節中進行信息收集、信息記錄以及信息交換等操作，方便市場中的生產者、銷售者以及消費者進行快速、有效的溝通。這種食品安全和食品行業自律行為，在市場經濟發展中極其重要。

1 農產品質量安全追溯的必要性

20世紀90年代至今，互聯網高度發展，大大提高了社會的交流與發展。但同時，食品安全問題屢屢出現，早些年的“三鹿事件”讓公眾對民族品牌出現信任危機，“地溝油事件”又引起了公眾對餐飲業的斥責與不安……如何向公眾確保食品安全不僅受到廣大消費者的關注，還引起了生產者和銷售者的注意，目前已成為我國食品安全發展的焦點問題。

農產品具有的信任特性決定了農產品可追溯系統實施的必要性。信任產品特性是指消費者在消費后，沒有能力了解農產品相關的生產信息和物流信息，如使用農藥劑量，物流倉儲信息等。農產品質量安全信息也屬于信任品，然而在實際生活中，由于食品信息被生產商和經銷商掌控，消費者并不知道，因此也從根本上造成了兩者信息的不對稱，導致“信任危機”出現的可能性較大。

建立農產品食品安全追溯系統保障了消費者的知情權，消除了消費者對生產商及經銷商的“信任危機”，同時在系統的監督下建立企業間的優勝劣汰機制對于市場經濟的發展具有相當大的促進作用。

2 農產品質量安全追溯系統實現關鍵技術

近年來，物聯網技術迅速發展，射頻識別（RFID）技術、傳感器技術、認識計算和智能控制技術、納米技術、網絡融合技術等關鍵技術的研發與推廣，為追溯系統提供了強大的技術支撐。

2.1 具有農產品商品特征的追溯碼編碼

在國際上，EAN·UCC系統被廣泛應用于商品的追溯碼編碼和條碼表示中，將商品名稱、產地、價格、規格等信息進行處理并儲存在編碼中。EAN·UCC系統是由國際物品編碼協會（EAN International）和美國統一代碼委員會（UAA）共同建立的全球統一商品標識系統。消費者可以在銷售終端通過POS自動銷售系統查看食品鏈在生產、加工、運輸、倉儲等各環節的信息。

農產品不同于一般商品的地方在于，它具有地域性、鮮活性、種類性等特點，因此設計農產品商品追溯編碼時要將農產品的產地、種類、等級、生產日期作為特征編碼考慮進去。

國內現有的追溯碼編碼系統存在很多不足，比如編碼長度不夠短、數據加密性不強、實時追溯信息不暢等。而楊信廷等科研學者提出在設計農產品追溯碼時采用26數字加密信息，并將位置碼、產品碼、生產日期碼、認證類型碼、多重校驗碼相結合，食品一旦發生安全問題可實時追溯至出問題的生產環節。將追溯碼編碼與Google Earth地圖相結合，在可視化圖形結合方面創新發展，這對于解決目前追溯碼編碼問題有很好的借鑒意義。

2.2 農產品商品利用有機RFID標簽追溯

追溯碼的信息載體是產品標識，那么標識技術又有哪些不同呢？目前，市場上有兩種主流的追溯碼——二維條碼和射頻識別技術（RFID）[1]。

2.2.1 二維條碼技術

二維條碼技術通過對信息進行編碼、印刷、光傳感等操作，將食品質量信息及數據加密轉化存儲于二維條形碼標簽上，建立了規范的食品安全管理體制。掃碼可將二維條碼附帶的數據提取出來，并進一步轉化成追溯所需的信息。條碼存儲信息上條碼呈現高密度、大容量、支持數據加密技術等特點，在編碼范圍上有很大的發展空間。此外，由于條碼本身的符號形狀可變，可大大提高其適用性。但條形碼只能用人力在可見的小范圍內使用掃描器進行近距離特定方向的讀取，無法保證在短時間內獲取大量信息。目前農產品市場使用的二維條碼需要消費者通過掃描才能知道該產品來自于哪個企業，而消費者卻無法得知農產品具體的產地、用藥、施肥等生產信息。

2.2.2 射頻識別技術

射頻識別技術（RFID）[2]興起于20世紀90年代，這是一種非接觸式自動識別技術，利用射頻信號的空間傳輸特性實現對物體的自動識別并提取相關信息[3]。該技術具有多個標識，可以在任意方向遠距離識別標簽附帶的信息，重復利用性好，防塵、防水、耐腐蝕性強。RFID標簽通過對農產品的產地、種類、規格、生產日期、所在位置等信息數據進行加密編程[4]，以保證消費者對農產品的知情權。

RFID系統由RFID標簽、RFID閱讀器及應用支持軟件三部分組成。RFID標簽[5]由芯片和天線組成，芯片部分通過復雜的IC工藝在硅片上制備出來。每一個標簽具有唯一的電子編碼。

無機RFID標簽的高昂成本一直制約著該標簽的大規模應用[6]（RFID標簽的成本大約為每枚0.2美元以上）。有機RFID標簽則采用印刷電子技術，將IC電路通過機薄膜晶體管制備（DTFT）在低廉的塑料基底上。用金屬和有機墨水在塑料基底上形成芯片和天線。

在實際操作中，在被標識物體上附有有機RFID標簽，當被標識物體進入閱讀區或工作區時，閱讀器會以遠距離非接觸的方式自動識別有機RFID標簽編碼的信息，從而實現對物品的自動化識別，大大減少了人工操作，提高了工作效率。有機RFID標簽具有低成本、簡化制作流程等特點，可以制成隨意粘貼的柔性薄電子標簽。

有機RFID標簽的工作原理、讀取速度、讀取距離等和無機 RFID 特點一致，其區別在于兩者的材料和加工工藝不同。在世界范圍內，好多公司都看好有機RFID市場，紛紛加大對其的研究投入，并取得了實質性進展。2005年、2006年，PolyIC、Philips先后宣布他們已經通過印刷+光刻的技術制備出了工作在13.6 MHz的有機RFID標簽[7]。二維條碼、有機RFID、無機RFID標簽的比較見表1所列。

由表1可知，在成本和易用性方面，有機RFID標簽和二維條碼標簽都具有成本低廉且方便易用的特點。在環境適用性、讀取方向以及讀取距離方面，有機RFID標簽和無機RFID標簽具有防塵防水、耐腐蝕、遠距離任意方向讀取的特點。如果商品需要貼有機RFID標簽，那么物流運輸、倉儲、POS（Point of Sale，POS）以及超市不能要求標簽具有超長的使用壽命。由此看來，有機RFID在讀取速度、信息容量、重復使用、使用壽命上雖不如無機RFID標簽，但也能滿足商品對標簽的要求。這為有機RFID標簽的大規模推廣使用提供了可能。

3 農產品食品安全溯源系統

3.1 農產品食品安全追溯系統及信息模型

農產品食品安全溯源系統[7]包括種植場→運輸物流→加工生產→物流倉儲→超市→消費者的順序流程和從消費者→超市→物流倉儲→加工生產→運輸物流→種植場的追溯過程，其構成了整個食品安全的溯源流程。下面是不同的生產環節以及與之匹配的信息。

（1）種植場：種植場基本信息、肥料信息、用藥信息、生長信息及轉入轉出信息。

（2）物流運輸：物流企業基本信息與運輸起止位置及時間。

（3）生產加工：加工企業基本信息、加工前基本信息、加工成品后基本信息及轉入轉出信息。

（4）物流倉儲：倉儲企業基本信息、運輸起止位置、時間、溫度信息、濕度信息等。

（5）在農產品食品安全追溯系統中，對每個不同的環節采用不同的標簽技術對其標識，可以實現從餐桌到種植場的全程追溯，從而保證消費者的食品安全。

3.2 食品安全追溯系統的基本框架

由于農產品食品安全追溯系統中的每個生產環節對信息錄入以及追溯的要求不同，信息量大且復雜，僅依靠追溯信息和標簽很難解決，因此需要建立相關的食品安全數據中心，采用標簽和數據中心相結合的方式才能滿足追溯系統的要求。農產品食品追溯系統框架如圖1所示。

在種植場上，管理人員每天都要詳細記錄種植過程中使用的農藥及使用頻率和劑量，待農產品成熟上市時，管理人員就把相關信息上傳到“食品安全數據中心”，消費者在服務終端硬件上可以依據相關標簽的追溯碼信息全面清晰地追溯到生產環節每一步的錄入信息。

消費者在類似ATM機終端上可憑借信息標簽清楚查看食品的產地、種植時間、營養成分以及種植過程中使用的肥料、殺蟲劑和除草劑種類，包括種子信息和日常種植的照片。

在物流運輸管理平臺、生產加工管理平臺和種植場管理平臺等將類似的數據匯集處理，然后上傳至“食品安全數據中心”，最終由消費者在超市終端查詢。

在整個農產品食品追溯框架中需要政府建立自動食品安全監測平臺[8]，并設置專門機構對追溯系統涉及的種植場、運輸企業、倉儲企業等進行監督。在農產品生產環節錄入的信息都要通過相應的管理平臺將產品信息匯集到“食品安全數據中心”。消費者可以在公告查詢系統根據標簽附帶的追溯碼信息在“食品安全數據中心”查詢到該產品生產環節的所有信息。一旦出現食品質量問題，可以通過數據中心實現對農產品的向上追溯和向下追蹤，從而明確相應的法律責任事故方。

4 有機RFID標簽在農產品食品安全追溯系統中的應用

農產品食品安全追溯系統具有多個生產環節，信息量大、覆蓋范圍廣，且從餐桌到消費者的生產鏈也很復雜。同時，中國現有的經濟條件和科技基礎在一定程度上決定了在整個生產鏈環節全部使用電子標簽還不現實[9]，因此農產品食品安全系統中的6個環節應結合標簽技術的不同特點去選擇標簽。

4.1 種植場

農產品種植后，種植場管理平臺會根據種植過程中農產品的批次、肥料、農藥等情況，在種植場管理平臺生成唯一的“農產品生產標識碼”，在管理平臺上錄入農產品的個體信息庫并傳至食品安全數據中心。由于農產品個體的信息量比較大，而且在信息錄入環節需要逐個登記農產品的標簽，因此在種植環節適合采用RFID作為“農產品生產標識碼”的載體。“農產品生產標識碼”在食品安全數據中心有唯一的RFID標簽與其對應。由于農產品的生產周期和市場流通時間均低于一年，故采用有機RFID標簽比較適合，該標簽不僅信息數據加密性強，還降低了成本。

4.2 物流運輸

物流企業在物流運輸過程中將農產品涉及的生產和物流信息通過物流運輸管理平臺傳輸至食品安全數據中心。無機RFID標簽適用于物流運輸時間超過一年的情況，有機RFID標簽適用于物流運輸時間低于一年的情況。

4.3 生產加工

生產加工企業存在若干生產環節，可根據對農產品的加工過程進行流水線式監控，將每個生產環節的處理信息及時錄入生產加工管理平臺，并上傳到食品安全追溯中心。即對生產加工過程生成的“農產品生產加工標識碼”和“農產品生產標識碼”進行登記，并建立一一對應的關系。此時“農產品生產加工標識碼”成為農產品唯一的標識。通過“農產品生產標識碼”可以追溯到生產過程中的農產品，通過“農產品生產加工標識碼”可以追溯加工后的農產品，實現了從生產到加工的全部信息的全面追溯。

因為農產品生產加工后，需要標簽數量相對較多，采用無機RFID標簽不僅在成本上負擔極大，在農產品跟蹤管理上也只能分批次進行。有機RFID標簽或者二維條碼應用在這個環節很合適。但由于二維條碼在運輸過程中易受到污染等原因，有機RFID標簽所具有的環境適用性及其讀取方式更適合本環節 [10]。

4.4 物流倉儲

基于4.3的分析，在物流倉儲環節采用“農產品生產加工標識碼”進行信息數據的管理。通過管理平臺向信息中心匯總物流基本信息，倉儲基本信息，多個時間節點的物流溫度、倉儲溫度等信息，實現農產品在物流倉儲環境的個體化管理過程。物流基本信息、倉儲基本信息、實時物流溫度、濕度、二氧化碳濃度等數據在管理平臺進行統計整理，最后上傳至食品安全數據中心。物流倉儲環節實現了農產品在物流倉儲轉換的個體化管理。

4.5 超市

在超市出售農產品時，有機RFID標簽標識的“農產品生產加工標識碼”在超市的管理平臺被讀取，生成一個對應的“用戶標識碼”。“用戶標識碼”和“農產品生產加工標識碼”在數據中心登記上傳，兩者之間有唯一的對應關系。使用標簽上的“用戶標識碼”的農產品基數大，采用二維條碼或者有機RFID標簽比無機RFID標簽成本低。超市是否使用二維條碼或有機RFID標簽還需要根據消費者的習慣和超市的具體配置來確定，兩者在理論上沒有差異。

4.6 消費者

超市向消費者提供二維條碼或有機RFID標簽，消費者可以通過公共查詢系統查詢到產品的“用戶標識碼”。通過“用戶標識碼”可以查到超市的信息，進一步追蹤到“農產品生產加工標識碼”。根據“農產品生產加工標識碼”可以追溯到農產品的加工與倉儲信息，進一步追溯到農產品的“農產品生產標識碼”。通過“農產品生產標識碼”可以查詢到農產品的批次、肥料、農藥等信息。通過終端，消費者可以追溯到農產品整個生產過程的信息。

根據農產品生產過程不同環節的特點采用不同的標簽技術。標簽技術和溯源環節的適配如表2所列。

5 結 語

在成本和易用性方面，有機RFID標簽具有二維條碼標簽成本低廉且方便易用的特點。在環境適用性、讀取方向以及讀取距離方面，有機RFID標簽具有無機RFID標簽防塵防水、耐腐蝕、遠距離任意方向讀取的特點。盡管有機RFID標簽在讀取速度、信息容量、重復使用率、使用壽命方面不如無機RFID標簽，但并非在農產品食品溯源系統的每個環節都需要這些特性。這為有機RFID標簽的大規模推廣使用提供了可能。

農產品食品安全溯源系統的主要環節包括種植場、運輸物流、生產加工、物流倉儲、超市和消費者6個環節，應根據不同環節的特點選擇不同的標簽技術。種植周期較短的農產品可使用有機RFID標簽代替無機RFID標簽，而在超市可選擇性使用有機RFID或二維標簽。引入溯源過程的有機RFID標簽不但大大降低了農產品食品的溯源成本，還可以加快農產品食品溯源技術在實際中的普及與大規模應用。

參考文獻

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