有机RFID标签在农产品食品溯源中的应用

王世豪++陈曙光

摘 要：无线射频识别（RFID）标签的高昂成本已成为制约RFID技术发展的最大因素。最新科学研究表明，有机RFID标签具有无机RFID标签的绝大部分特性，但其成本低廉，已吸引了全世界的关注。文中主要对农产品食品溯源中有机RFID标签的应用进行了优缺点分析，并与二维条码，无机RFID标签相关特性进行了比较。从而在追溯过程中根据不同生产环节的特性来灵活选择不同的标签。明确引入溯源过程的有机RFID标签，这样不但可以大大降低农产品食品的溯源成本，还可以加快农产品食品溯源技术在实际应用中的普及。

关键词：有机RFID；农产品；溯源；成本低廉

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-04

0 引 言

“食品质量安全可追溯信息系统”最初是20世纪90年代末欧盟为了解决“疯牛病”问题，逐步由政府提出建立并完善的食品安全管理制度。以GMP（“良好作业规范”）和SSOP（“卫生标准操作程序”）为根本，食品链相关组织（包括生产，加工，包装，运输，销售公司和组织）将国际食品法典委员会CAC颁布的“HACCP体系及其应用准则”（食品安全控制体系）作为组织的核心管理要素，明确了以消费者为中心的食品安全管理体制。

对食品生产、加工、物流、仓储、销售等环节建立信息管理制度，实现向上追溯和向下跟踪的“双向”管理，并在超市类似ATM机系统的专门硬件上进行信息共享，保护消费者的知情权。如果出现食品质量问题，即可通过扫描食品标签上的追溯码在网上查询该食品的生产、加工、销售等信息，从而明确相应法律责任的事故方。

食品安全追溯信息管理可通过食品溯源专用硬件设备，在食品流通、供应、消费、库存等各环节中进行信息收集、信息记录以及信息交换等操作，方便市场中的生产者、销售者以及消费者进行快速、有效的沟通。这种食品安全和食品行业自律行为，在市场经济发展中极其重要。

1 农产品质量安全追溯的必要性

20世纪90年代至今，互联网高度发展，大大提高了社会的交流与发展。但同时，食品安全问题屡屡出现，早些年的“三鹿事件”让公众对民族品牌出现信任危机，“地沟油事件”又引起了公众对餐饮业的斥责与不安……如何向公众确保食品安全不仅受到广大消费者的关注，还引起了生产者和销售者的注意，目前已成为我国食品安全发展的焦点问题。

农产品具有的信任特性决定了农产品可追溯系统实施的必要性。信任产品特性是指消费者在消费后，没有能力了解农产品相关的生产信息和物流信息，如使用农药剂量，物流仓储信息等。农产品质量安全信息也属于信任品，然而在实际生活中，由于食品信息被生产商和经销商掌控，消费者并不知道，因此也从根本上造成了两者信息的不对称，导致“信任危机”出现的可能性较大。

建立农产品食品安全追溯系统保障了消费者的知情权，消除了消费者对生产商及经销商的“信任危机”，同时在系统的监督下建立企业间的优胜劣汰机制对于市场经济的发展具有相当大的促进作用。

2 农产品质量安全追溯系统实现关键技术

近年来，物联网技术迅速发展，射频识别（RFID）技术、传感器技术、认识计算和智能控制技术、纳米技术、网络融合技术等关键技术的研发与推广，为追溯系统提供了强大的技术支撑。

2.1 具有农产品商品特征的追溯码编码

在国际上，EAN·UCC系统被广泛应用于商品的追溯码编码和条码表示中，将商品名称、产地、价格、规格等信息进行处理并储存在编码中。EAN·UCC系统是由国际物品编码协会（EAN International）和美国统一代码委员会（UAA）共同建立的全球统一商品标识系统。消费者可以在销售终端通过POS自动销售系统查看食品链在生产、加工、运输、仓储等各环节的信息。

农产品不同于一般商品的地方在于，它具有地域性、鲜活性、种类性等特点，因此设计农产品商品追溯编码时要将农产品的产地、种类、等级、生产日期作为特征编码考虑进去。

国内现有的追溯码编码系统存在很多不足，比如编码长度不够短、数据加密性不强、实时追溯信息不畅等。而杨信廷等科研学者提出在设计农产品追溯码时采用26数字加密信息，并将位置码、产品码、生产日期码、认证类型码、多重校验码相结合，食品一旦发生安全问题可实时追溯至出问题的生产环节。将追溯码编码与Google Earth地图相结合，在可视化图形结合方面创新发展，这对于解决目前追溯码编码问题有很好的借鉴意义。

2.2 农产品商品利用有机RFID标签追溯

追溯码的信息载体是产品标识，那么标识技术又有哪些不同呢？目前，市场上有两种主流的追溯码——二维条码和射频识别技术（RFID）[1]。

2.2.1 二维条码技术

二维条码技术通过对信息进行编码、印刷、光传感等操作，将食品质量信息及数据加密转化存储于二维条形码标签上，建立了规范的食品安全管理体制。扫码可将二维条码附带的数据提取出来，并进一步转化成追溯所需的信息。条码存储信息上条码呈现高密度、大容量、支持数据加密技术等特点，在编码范围上有很大的发展空间。此外，由于条码本身的符号形状可变，可大大提高其适用性。但条形码只能用人力在可见的小范围内使用扫描器进行近距离特定方向的读取，无法保证在短时间内获取大量信息。目前农产品市场使用的二维条码需要消费者通过扫描才能知道该产品来自于哪个企业，而消费者却无法得知农产品具体的产地、用药、施肥等生产信息。

2.2.2 射频识别技术

射频识别技术（RFID）[2]兴起于20世纪90年代，这是一种非接触式自动识别技术，利用射频信号的空间传输特性实现对物体的自动识别并提取相关信息[3]。该技术具有多个标识，可以在任意方向远距离识别标签附带的信息，重复利用性好，防尘、防水、耐腐蚀性强。RFID标签通过对农产品的产地、种类、规格、生产日期、所在位置等信息数据进行加密编程[4]，以保证消费者对农产品的知情权。

RFID系统由RFID标签、RFID阅读器及应用支持软件三部分组成。RFID标签[5]由芯片和天线组成，芯片部分通过复杂的IC工艺在硅片上制备出来。每一个标签具有唯一的电子编码。

无机RFID标签的高昂成本一直制约着该标签的大规模应用[6]（RFID标签的成本大约为每枚0.2美元以上）。有机RFID标签则采用印刷电子技术，将IC电路通过机薄膜晶体管制备（DTFT）在低廉的塑料基底上。用金属和有机墨水在塑料基底上形成芯片和天线。

在实际操作中，在被标识物体上附有有机RFID标签，当被标识物体进入阅读区或工作区时，阅读器会以远距离非接触的方式自动识别有机RFID标签编码的信息，从而实现对物品的自动化识别，大大减少了人工操作，提高了工作效率。有机RFID标签具有低成本、简化制作流程等特点，可以制成随意粘贴的柔性薄电子标签。

有机RFID标签的工作原理、读取速度、读取距离等和无机 RFID 特点一致，其区别在于两者的材料和加工工艺不同。在世界范围内，好多公司都看好有机RFID市场，纷纷加大对其的研究投入，并取得了实质性进展。2005年、2006年，PolyIC、Philips先后宣布他们已经通过印刷+光刻的技术制备出了工作在13.6 MHz的有机RFID标签[7]。二维条码、有机RFID、无机RFID标签的比较见表1所列。

由表1可知，在成本和易用性方面，有机RFID标签和二维条码标签都具有成本低廉且方便易用的特点。在环境适用性、读取方向以及读取距离方面，有机RFID标签和无机RFID标签具有防尘防水、耐腐蚀、远距离任意方向读取的特点。如果商品需要贴有机RFID标签，那么物流运输、仓储、POS（Point of Sale，POS）以及超市不能要求标签具有超长的使用寿命。由此看来，有机RFID在读取速度、信息容量、重复使用、使用寿命上虽不如无机RFID标签，但也能满足商品对标签的要求。这为有机RFID标签的大规模推广使用提供了可能。

3 农产品食品安全溯源系统

3.1 农产品食品安全追溯系统及信息模型

农产品食品安全溯源系统[7]包括种植场→运输物流→加工生产→物流仓储→超市→消费者的顺序流程和从消费者→超市→物流仓储→加工生产→运输物流→种植场的追溯过程，其构成了整个食品安全的溯源流程。下面是不同的生产环节以及与之匹配的信息。

（1）种植场：种植场基本信息、肥料信息、用药信息、生长信息及转入转出信息。

（2）物流运输：物流企业基本信息与运输起止位置及时间。

（3）生产加工：加工企业基本信息、加工前基本信息、加工成品后基本信息及转入转出信息。

（4）物流仓储：仓储企业基本信息、运输起止位置、时间、温度信息、湿度信息等。

（5）在农产品食品安全追溯系统中，对每个不同的环节采用不同的标签技术对其标识，可以实现从餐桌到种植场的全程追溯，从而保证消费者的食品安全。

3.2 食品安全追溯系统的基本框架

由于农产品食品安全追溯系统中的每个生产环节对信息录入以及追溯的要求不同，信息量大且复杂，仅依靠追溯信息和标签很难解决，因此需要建立相关的食品安全数据中心，采用标签和数据中心相结合的方式才能满足追溯系统的要求。农产品食品追溯系统框架如图1所示。

在种植场上，管理人员每天都要详细记录种植过程中使用的农药及使用频率和剂量，待农产品成熟上市时，管理人员就把相关信息上传到“食品安全数据中心”，消费者在服务终端硬件上可以依据相关标签的追溯码信息全面清晰地追溯到生产环节每一步的录入信息。

消费者在类似ATM机终端上可凭借信息标签清楚查看食品的产地、种植时间、营养成分以及种植过程中使用的肥料、杀虫剂和除草剂种类，包括种子信息和日常种植的照片。

在物流运输管理平台、生产加工管理平台和种植场管理平台等将类似的数据汇集处理，然后上传至“食品安全数据中心”，最终由消费者在超市终端查询。

在整个农产品食品追溯框架中需要政府建立自动食品安全监测平台[8]，并设置专门机构对追溯系统涉及的种植场、运输企业、仓储企业等进行监督。在农产品生产环节录入的信息都要通过相应的管理平台将产品信息汇集到“食品安全数据中心”。消费者可以在公告查询系统根据标签附带的追溯码信息在“食品安全数据中心”查询到该产品生产环节的所有信息。一旦出现食品质量问题，可以通过数据中心实现对农产品的向上追溯和向下追踪，从而明确相应的法律责任事故方。

4 有机RFID标签在农产品食品安全追溯系统中的应用

农产品食品安全追溯系统具有多个生产环节，信息量大、覆盖范围广，且从餐桌到消费者的生产链也很复杂。同时，中国现有的经济条件和科技基础在一定程度上决定了在整个生产链环节全部使用电子标签还不现实[9]，因此农产品食品安全系统中的6个环节应结合标签技术的不同特点去选择标签。

4.1 种植场

农产品种植后，种植场管理平台会根据种植过程中农产品的批次、肥料、农药等情况，在种植场管理平台生成唯一的“农产品生产标识码”，在管理平台上录入农产品的个体信息库并传至食品安全数据中心。由于农产品个体的信息量比较大，而且在信息录入环节需要逐个登记农产品的标签，因此在种植环节适合采用RFID作为“农产品生产标识码”的载体。“农产品生产标识码”在食品安全数据中心有唯一的RFID标签与其对应。由于农产品的生产周期和市场流通时间均低于一年，故采用有机RFID标签比较适合，该标签不仅信息数据加密性强，还降低了成本。

4.2 物流运输

物流企业在物流运输过程中将农产品涉及的生产和物流信息通过物流运输管理平台传输至食品安全数据中心。无机RFID标签适用于物流运输时间超过一年的情况，有机RFID标签适用于物流运输时间低于一年的情况。

4.3 生产加工

生产加工企业存在若干生产环节，可根据对农产品的加工过程进行流水线式监控，将每个生产环节的处理信息及时录入生产加工管理平台，并上传到食品安全追溯中心。即对生产加工过程生成的“农产品生产加工标识码”和“农产品生产标识码”进行登记，并建立一一对应的关系。此时“农产品生产加工标识码”成为农产品唯一的标识。通过“农产品生产标识码”可以追溯到生产过程中的农产品，通过“农产品生产加工标识码”可以追溯加工后的农产品，实现了从生产到加工的全部信息的全面追溯。

因为农产品生产加工后，需要标签数量相对较多，采用无机RFID标签不仅在成本上负担极大，在农产品跟踪管理上也只能分批次进行。有机RFID标签或者二维条码应用在这个环节很合适。但由于二维条码在运输过程中易受到污染等原因，有机RFID标签所具有的环境适用性及其读取方式更适合本环节 [10]。

4.4 物流仓储

基于4.3的分析，在物流仓储环节采用“农产品生产加工标识码”进行信息数据的管理。通过管理平台向信息中心汇总物流基本信息，仓储基本信息，多个时间节点的物流温度、仓储温度等信息，实现农产品在物流仓储环境的个体化管理过程。物流基本信息、仓储基本信息、实时物流温度、湿度、二氧化碳浓度等数据在管理平台进行统计整理，最后上传至食品安全数据中心。物流仓储环节实现了农产品在物流仓储转换的个体化管理。

4.5 超市

在超市出售农产品时，有机RFID标签标识的“农产品生产加工标识码”在超市的管理平台被读取，生成一个对应的“用户标识码”。“用户标识码”和“农产品生产加工标识码”在数据中心登记上传，两者之间有唯一的对应关系。使用标签上的“用户标识码”的农产品基数大，采用二维条码或者有机RFID标签比无机RFID标签成本低。超市是否使用二维条码或有机RFID标签还需要根据消费者的习惯和超市的具体配置来确定，两者在理论上没有差异。

4.6 消费者

超市向消费者提供二维条码或有机RFID标签，消费者可以通过公共查询系统查询到产品的“用户标识码”。通过“用户标识码”可以查到超市的信息，进一步追踪到“农产品生产加工标识码”。根据“农产品生产加工标识码”可以追溯到农产品的加工与仓储信息，进一步追溯到农产品的“农产品生产标识码”。通过“农产品生产标识码”可以查询到农产品的批次、肥料、农药等信息。通过终端，消费者可以追溯到农产品整个生产过程的信息。

根据农产品生产过程不同环节的特点采用不同的标签技术。标签技术和溯源环节的适配如表2所列。

5 结 语

在成本和易用性方面，有机RFID标签具有二维条码标签成本低廉且方便易用的特点。在环境适用性、读取方向以及读取距离方面，有机RFID标签具有无机RFID标签防尘防水、耐腐蚀、远距离任意方向读取的特点。尽管有机RFID标签在读取速度、信息容量、重复使用率、使用寿命方面不如无机RFID标签，但并非在农产品食品溯源系统的每个环节都需要这些特性。这为有机RFID标签的大规模推广使用提供了可能。

农产品食品安全溯源系统的主要环节包括种植场、运输物流、生产加工、物流仓储、超市和消费者6个环节，应根据不同环节的特点选择不同的标签技术。种植周期较短的农产品可使用有机RFID标签代替无机RFID标签，而在超市可选择性使用有机RFID或二维标签。引入溯源过程的有机RFID标签不但大大降低了农产品食品的溯源成本，还可以加快农产品食品溯源技术在实际中的普及与大规模应用。

参考文献

[1]余平祥，巫远媚，胡月明，等.RFID食品安全可追溯系统读取率优化策略研究[J].农业工程学报，2008，24（7）：132-136.

[2]黄锋，郝鹏，吴华瑞.RFID 中间件在农产品安全追溯系统中的应用[J].农业工程学报，2008，24（S2）：177-181.

[3]任守纲，徐焕良，黎安，等.基于RFID/GIS物联网的肉品跟踪及追溯系统设计与实现[J].农业工程学报，2010，26（10）：229-235.

[4]谭民，刘禹，曾隽芳.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]张姝楠，郭波莉，潘家荣.RFID技术在食品全程跟踪与追溯中的应用[J].食品研究与开发，2007，28（9）：148-151.

[6]胡心怡.无线射频识别技术在规模化奶牛场中的应用[J].黑龙江农业科学，2010（1）：76-77.

[7]田雪雁，徐征，赵谡玲，等.有机无线射频识别技术的研究进展[J].半导体技术，2008，33（4）：277-280.

[8]程雪，周修理，李艳军.射频识别（RFID）技术在动物食品溯源中的应用[J].东北农业大学学报，2008，39（10）：140-144.

[9]钱建平，刘学馨，杨信廷，等.可追溯系统的追溯粒度评价指标体系构建[J].农业工程学报，2014，30（1）：98-104.

[10]刘禹，曾隽芳，田利梅.RFID在食品安全中的应用方案[J].计算机工程与应用，2006，42（24）：201-203，210.