RFID在农业物联网中的应用

贾 浩，沈 岳,2，温佑杰

（1.湖南农业大学信息科技学院，湖南 长沙 410128； 2.湖南省农村农业信息化工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

无线射频识别（RFID）是一种具有数据存储量大、穿透能力强、读写距离远、环境适应性好等特点的自动识别技术，同时是唯一可以实现多目标识别的自动识别技术。RFID 系统由电子标签、阅读器以及天线组成。

随着农业的发展向农业精准化、精细化和智能化管理的转变，RFID 技术成为了农业物物相连和农业感知的关键技术之一，实现了对农业物联网中的每个农业个体的追踪和溯源，其目的是为了快速、精确、高效地给出每个农业个体的种植情况、流通情况、生产加工情况以及销售情况等相关信息[1]。

项目组通过农业物联网技术应用实践，研究了RFID 技术在温室大棚、大田种植、水产养殖、禽畜养殖和农产品生产流通领域中的使用情况，提出了RFID 技术在农业物联网中的常见问题以及针对不同问题的解决方法。

1 RFID 技术

1.1 RFID 系统的组成

RFID 系统主要由电子标签、读写器和天线三部分组成，一般由阅读器收集数据信息传送到后台系统进行处理[2]。RFID 系统的组成如图1 所示。RFID 电子标签附着在被识别的物体上，当带有电子标签的被识别物品进入读写器工作范围时，读写器可自动以非接触方式读写电子标签中记录的包括在生产、流通、加工和销售等环节的相关信息，实现对物品标识信息的准确、快速、高效的采集[3-4]。

图1 RFID 系统的组成

（1）电子标签的基本组成结构为耦合元件、芯片和电路，在电子标签芯片中的ROM 中存放着全球唯一的ID 号码，无法修改。这使得每个电子标签具有唯一的电子编码。

（2）读写器是用于读取或写入标签信息的设备，是连接RFID 标签和后端信息处理系统的通道。一般情况下，由后端信息处理系统识别、读取和写入收集到的数据。根据使用方法不同，读写器可分为移动式和固定式。

（3）天线是电子标签和读写器之间传递射频信号的装置。

1.2 RFID 识别工作原理

RFID 标签分为无源和有源2种。对于无源RFID标签，当RFID 标签进入读写器天线辐射形成的磁场范围时，标签天线通过电磁感应产生感应电流，感应电流驱动RFID 芯片电路，芯片电路通过标签天线将存储在标签内的标识信息发送给读写器，读写器再通过天线将接收到的标识信息发送给上位计算机。无源标签的工作过程就是读写器向电子标签传递能量，电子标签向读写器发送标识信息的过程。工作原理如图2 所示。

图2 无源RFID 工作原理

对于有源RFID 电子标签，处于远场的有源RFID 标签由内部配置的电池供电。为了节约能源、延长标签的工作寿命，有源RFID 标签可以不主动发送信息。当有源标签收到读写器发出的读写指令时，标签才向读写器发送存储的标识信息。有源标签的工作过程就是有源标签收到读写器发送的读写指令后再向读写器发送标识信息的过程。工作原理如图3所示。

图3 有源RFID 工作原理

2 RFID 技术在农业物联网中典型的应用

近年来，食品安全问题（禽流感、疯牛病、蔬菜农残、病死猪、农产品重金属含量严重超标等）越来越严重，影响着人类的健康，严重威胁到了人们的生命安全。随着全球化的加速，各国农产品之间的流通将会越来越频繁，出口农产品的要求也会越来越高。为此，各国为了保证本国农产品的质量，对农产品从生产－流通－销售全程跟踪和识别。以增强农产品的溯源机制，保障农产品的安全。我国农业部颁布实施的《农产品质量安全追溯操作规程通则》（标准编号：NY/T 1761-2009）对农产品质量安全追溯作了一个详细的定义，所谓的追溯信息为具备质量追溯能力的农产品在生产、加工、流通以及销售各环节相关信息的总和，追溯信息的内容应覆盖该环节操作时间、地点、责任主体、产品批次及质量安全相关内容[5]。

2.1 RFID 技术在农产品安全种养殖环节中的应用

2.1.1 在农业种植方面的应用 在农作物种植方面，将电子标签和传感器综合利用，感知土壤温湿度、土壤电导率、土壤肥力、土壤重金属的含量以及光照强度等环境因素的变化。记录农作物的生长周期、农药使用情况等信息，实现农作物生产的精细化、智能化。同时，利用读写器将农产品的大小、重量、品种、质量、生产地址和采摘日期等详细信息写入电子标签中，为农产品溯源提供数据。

2010年，财政部、商务部在海南省启动海南农产品现代流通综合试点，将提升农产品质量安全水平以及实现农产品的追溯作为一项重点工作，建立农产品在生产养殖、加工、流通和销售全过程的农产品追溯体系。海南惠民农产品出口配送有限公司以“统一标识，源头可追溯”为经营理念，是海南最先实行食品追溯的企业之一。该公司对6 666.67 hm2农产品种植基地的农户推行科学、统一的管理，对农民进行了关于溯源相关信息的培训，提供大量的科技服务，建立了农产品溯源系统，使所有的农产品都拥有一张“有着成长记录的身份证”，能够查询到农产品从播种、生产、加工、收购、流通和销售全过程的基本信息，以信息可追溯的方式保障生产种植、田间管理、化肥农药、加工和流通环节符合国际无公害食品标准[6]。

2.1.2 在动物养殖方面的应用 在动物养殖方面，在幼崽出栏的时候就佩戴RFID 电子耳标，电子标签中包含的数据包括动物的品种、出生日期、上辈信息等相关数据。在养殖过程中，由饲养员将动物的饲养情况、疫苗注射情况、生长环境信息，通过RFID 手持设备，以一种非接触的方式写入电子标签中，并通过无线通信GPRS/3G 将采集到的动物的相关信息上传到食品安全平台数据中心，并在数据中心建立完整的个体养殖档案，以便实现追溯查询。实现了动物的跟踪与识别，提高了动物溯源的精确度。

2000年7月1日，英国政府规定境内所有生牛必须采用数字识别，实现对牛肉从生长到销售全过程的溯源。2008年1月1日起，欧洲强制对绵羊推行电子识别技术[7]。在国内基于 RFID 技术的农产品安全检测系统已正式应用于生产，如上海市于 2005年投入使用的“安全猪肉监控追溯系统”。该系统通过将 RFID 标签打在猪耳朵上的方式，实时获取生猪的喂养饲料、生猪的病历、疫苗注射情况、喂药等信息，通过对养猪场、道口、屠宰场、批发市场及超市获取的相关信息建立信息链接，实现了企业内部生产过程的安全控制和对流通环节的实时监控[8]。

2.2 RFID 技术在农产品流通中的应用

RFID 技术具有读取速度快、可穿透物体、数据存储量大、可同时识别多个目标对象的特点。如果在农产品上粘贴RFID 标签，不仅可以节省大量的人力物力，缩短农产品在流通中所花费的时间，保持了农产品的新鲜度，还有效的提高了农产品信息在“生产养殖－加工－流通－销售”全过程的采集速度和信息共享程度，提高了农产品的经济效益，保障了农产品的稳定供应。

在国内，一些地方的科研机构对于RFID 技术在农产品流通过程中的应用做了积极、深入的研究。上海农业大学和上海农业信息公司对于如何提高农鲜产品供应链的效率的问题，将农产品生产环节、农产品加工环节、农产品仓储环节、农产品流通环节、农产品销售环节各个环节的信息读入公共数据库，不但可以确保在各环节获取的信息的高质量数据交流，而且还能实现食品全过程的溯源以及蔬菜供应链的完全透明度[9]。

2.3 RFID 技术在农产品销售中的应用

在超市、商场、市场等销售点设置溯源查询终端，消费者只要通过电子标签的识别码进行查询，就可以查询到农产品相关的信息。包括农产品的品种、农产品的生产日期、农产品的检疫情况、农产品的用药情况和农产品的产地等。这样，在保证消费者权益的同时也保障了农产品质量，对农产品的生产者起到了监督作用。由于农产品的各个环节的信息都发送到了中心数据库，这样就形成了一个完整的农产品产业链。通过农产品上的电子标签，就可以对农产品进行跟踪和识别。实现了农产品从种植到餐桌的安全状况。

3 RFID 技术在农业物联网中的问题

3.1 技术问题

在RFID 技术的实践应用过程中，项目组发现：RFID 标签粘贴的位置、读写器天线的位置、以及标签的方向、与读写器天线的距离与方位，对标签信息的读写效果影响都很大[10]。同时，由于RFID 标签与读写器通信使用的是无线射频通道，无线射频通道具有不稳定、易干扰的特点。RFID 技术还不够成熟。如何克服这些因素的影响，提高RFID 的使用效率，是RFID 在农业物联网应用研究要解决的关键问题。

3.2 成本问题

RFID 系统中的电子标签RFID 读卡器和及天线，价格成本都很高。与普通的二维码标签进行对比，电子标签的价格是二维码标签价格的几十倍。加上管理软件的升级和维护的费用，使农民难以接受。

随着集成电路制造技术以及RFID 技术的快速发展，电子标签成本有望下降，预计2019年，单体标签的平均价格将达到1 美分，其中高容量、有芯片、数据读取快、安全性高的版本约为 4 美分，而无芯片的版本仅为 0.4 美分[11]。随着电子标签价格的下降，RFID 在农产品中的应用将会越来越广泛。

3.3 环境问题

RFID 技术要求每一个农产品都粘贴上RFID 电子标签，然而，电子标签毕竟是电子产品，读写器和标签的所产生的电磁辐射及材料释放物对空气、水、植物和动物等都有影响。特别是进行远距离应用的RFID 标签，其电磁波辐射对公共通信的影响是需要人们注意的问题[12]。

随着RFID 技术在农业领域中的广泛应用，必定会大量的使用电子标签，若不对电子标签进行多次的读写，对电子标签进行回收利用，势必会对环境造成较大的污染。因此建立一个确保 RFID 标签有效回收与利用的管理体制，是解决RFID 对环境污染的有效方式。另外，可以对同品种、同批次、同品质的农产品，进行装箱销售，减少RFID 标签的使用，降低对环境的污染。

3.4 信息安全问题

当前，随着电子信息技术的快速发展，信息的安全问题越来越受到人们的关注。同样，在农业物联网中，电子标签内的大量信息以及用户的私人信息如何加密，如何得到安全的保护，成为了当前研究的一个重点。RFID 系统本身的安全问题可归纳为隐私和认证两个方面：在隐私方面主要是标签内存取的信息可追踪性问题，即如何防止攻击者对RFID 标签中存取的信息进行任何形式的跟踪；在认证方面主要是要确保只有合法的阅读器才能够与标签进行交互通信[13]。目前通过Kill 命令机制、静电屏蔽机制以及对电子标签进行加密处理，能够一定程度上解决电子标签的信息安全问题。

3.5 标准化问题

提高RFID 标准在全球范围内的兼容性，是RFID 技术在农业领域的规模化的关键因素之一。RFID 技术的标准化问题日益成为行业关注的焦点。RFID 技术的标准化问题主要有4 类：技术标准(如符号、射频识别技术、IC 卡标准等)；数据内容标准(如编码格式、语法标准等)；一致性标准(如印刷质量、测试规范等标准)；应用标准(如船运标签、产品包装标准等)[14]。其中编码标准和通信协议是构成RFID标准的核心。目前3 大标准组织（美国EPCglobal、日本UID 和国际标准化组织ISO）已经建立了ISO/IEC 标准体系。我国已于2006年发布了《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，成为了中国RFID产业发展的一个新的里程碑。

4 结 语

RFID 电子标签的应用前景非常广阔，就目前应用情况来看，还没有不成功的，只有不成熟或不适[15]。虽然RFID 技术还存在成本、技术、环境、信息安全和标准化等问题，但随着农业信息化的发展，RFID 的成本会不同程度地下降，技术应用的适应度也会不断改善， RFID 技术在农业物联网中的应用已是指日可待。因此，

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