基于RFID食品溯源系统的设计与实现

王 震，苏恒强

（吉林农业大学，吉林 吉林 130117）

基于RFID食品溯源系统的设计与实现

王 震，苏恒强

（吉林农业大学，吉林 吉林 130117）

文章从食品安全可追溯系统的基本内容切入，从完善食品的安全可追溯体系实际性和紧急性出发，借助RFID技术以开发并实现一套食品溯源安全体系，以便为食品的安全追溯体系建设提供有力的帮助。

食品安全；RFID；可溯源系统

1 食品安全研究背景

随着人民的生活水平不断提高，食品安全问题也日渐凸显，怎样才能对食品的生产和销售链条进行有效的追踪和监督，成为近些年来所研究的热点问题。食品可追溯体系能够实现对食品的生产、加工、销售等各个环节的有效监管，可全面掌握从生产到销售的各个环节的关键信息[1]。当食品出现安全问题的时候，能够快速地锁定追责范围，提高监督效率，为人民的合法权益提供有力保障。借助当今数据库管理技术，网络通信技术以及条码技术等，食品的安全可追溯系统将整个食物生产加工链条的各个环节进行信息记录和收集，如果有食品安全问题发生，可以通过该系统查询追溯到出现问题的环节以及问题食品的去向，在最短的时间内查清楚食品问题出现的环节，第一时间提供食品的安全预警信息[2]，及时将出现问题的食物召回，可有效控制事态的恶性发展，最大限度地减少和消除问题食品带来的恶劣影响和危害。

2 食品安全可追溯系统设计

2.1 食品安全可追溯系统溯源编码技术实施

溯源码作为单体身份的唯一标识，用于关联溯源信息流中单体标识信息和单体记录数据在库中信息，是溯源系统进行单体信息读入读出、追踪溯源的关键[3]。系统针对食品及其制品在不同环节的特性，采用不同信息载体标识类型，并分别设计各类型信息载体的内容表示规则。

2.1.1 编码规则

在食品溯源系统中，进行溯源码编码需要满足一下规则：（1）唯一性。一个编码的对象有且仅有一个唯一的代码，一个代码仅能标注一个唯一的编码对象[4]；（2）可扩充性。代码应适量保留备用容量，方便及时顺应不停扩充的需求；（3）简明性。代码构造以及形式应尽量简明，以便手工输入；（4）科学性。代码的构造设计应对蔬菜、肉类等食材的各个流通环节进行充分考量，切合实际业务流程溯源码应由以下几个部分组成：①主题码。流通节点主题码，主要指流通节点唯一的序列号编码，此编码代表流通节点的身份，其编制和发放由相关部门在流通节点进行备案时进行。②经营者主体码，主要指每个流通节点从事买卖的商家，集体消费单位和食物加工厂家、大型综合市场、生产销售对接关键企业运营者主题身份编码。③追溯码。追溯码有20位数字，由运营者主题码和交易流水号构成。其中，运营者主题码作为卖家的运营者的主题码，有13位数字。计算机在交易时按交易顺序逐次形成的唯一一段编码为交易的流水号，由7位数字构成。④批次码，批次码共有16位数字，批次码由流水号和节点主题码构成。其中，流通节点主体码指的是为一批食材第一次生成电子台账的流通节点的主体码[5]；流水号指的是生成电子台帐的顺序号。⑤商品码，品码一般可以采用国家在不同商品制定标准中分类代码。

2.1.2 RFID标识与条码标识的转化

一般可以选择RFID或者二维码（或条码）进行溯源编码的存储。RFID标签信息量较大且易读写，因此被用于食品加工和仓储环节。二维码（或条形码）具有空间占用小、快速读取、单位数据量大、无需垂直线性扫描的特点，因此用于食品种植环节和食品销售环节的信息追溯。将RFID标识的内容转化为条码标识需要借助临时数据库进行数据的交换，本系统中充分利用RFID标签具有唯一ID的特点，读写器在每个环节读写RFID标签的同时会根据标签的ID向中心数据库提交对应信息，产品在进入包装流水线前已完成所有加工流程，包装过程中龙门架上的RFID（电子标签）自动读写装置自动读取托盘上的电子标签ID反馈给上位机[6]，上位机连接二维码（或条码）打印机向产品包装对应自动喷码，此处二维码（或条码）打印机需要根据生产流水线进行相应改造，这样RFID标识与二维码（或条码）标识在生产流水线上便完成了转化。

2.2 RFID射频技术在系统中实施

食品的种植和加工阶段非常适合采用RFID技术进行信息跟踪，食品制品质量安全可追溯物联网系统中使用的RFID读卡器为超高频、无源IP通讯读卡器，型号为ZKRFID101，阅读器的发射频率范围在860～960 MHz之间，在使用时严格按照ISO/IEC国际标准[7]，应答器使用DOD编码格式并设置密码保护，询问器通过计算机直接连接互联网实时将采集的数据反馈到系统服务器。在同一的标准化平台上，RFID标签在全部供应链中每个时刻都可以提供制成品的动向信息，让每个制成品的信息都有了统一的语言，实现真正意义上的“物联网”。本系统为使生产加工企业更好的使用电子标签，特地开发了电子标签子系统的读写上位机，如图1所示。

图1 食品质量安全可追溯物联网系统电子标签读写上位机

在RFID读写过程中，随着电子标签数量的增长，出现多标签碰撞的概率也会增长，阅读器的准确读取效率也将随之下降。本系统根据其业务流程对读取、写入等操作作了限定和改善，以防止发生误读、误写等错误。在进行写入操作时，确保读写器仅对一个电子标签进行读写，不能对射频范围内其他的电子标签进行错误的读写[8]。为了保证对其准确的写入，要同时采用一定的验证机制。操作流程如下：（1）调整射频天线的发射功率，使它具有效读取写入范围明显低于菜框实际的高度；（2）尝试阅读可阅读范围内的电子标签中包含的EPC tag同时记录数据，为避免误写的情况发生，应当在读写器可读写范围内的电子标签只有一个时进行读写；（3）当写入操作被允许时，要进行5次尝试，以写入电子标签，每次在写入把待写入的数据和操作之后读取电子标签的EPC code来对比，若一致就说明写入成功，跳出循环，5次循环终止后全部没有写入成功，就说明写入操作失败[9]；（4）把射频天线的发射功率恢调整到默认值，依据写入操作结果，把相关联信息回馈给用户。在读取操作时，需要一次性将读取标签的数量最大化。读取操作的过程为一个对多个。

在全部涉及RFID的环节均可使用手持装备来进行读取和写入的操作，同时在加工企业应用时，也可以采取安装在龙门架上的大范围射频天线进行读操作，如图2所示，工作流程如下：（1）调整射频天线的发射功率到峰值，以期望将读取标签的数量最大化；（2）将读写器范围内的电子标签的EPCcode进行循环读取，在读取过程中不断计数；（3）结束读取循环以停止读取操作，同一时间将读写器的射频天线发射功率调回到默认值。

3 系统设计

3.1 框架设计

食品质量安全可追溯系统主要采用的网络构造为B/S（浏览器/服务器），B/S架构的优点在于维护和省级的方式更加简单，以浏览器作为客户端，省略客户端部分的维护，只需要做服务器的相应管理[10]。通过管理层、展现层、后台核心组件层、接口层、外部硬件数据交换层对数据信息进行采集、存储、分析处理，最终展现给用户。系统的逻辑构架如图2所示。（1）管理层位于后台客户端，主要功能按角色将系统权限进行分配，并分层次对系统的数据库信息进行录入、查询、修改、删除等操作，保证各用户的独立性和信息的安全性，权限划分明确，方便系统的维护。各角色登录时的用户名和密码由系统的超级管理员统一分配，初次登录可以自行修改[11]。（2）展现层位于前台客户端，以Web浏览器的形式提供给用户友好的溯源查询窗口，通过查询窗口消费者依据产品的溯源码便可以轻松地实现对人参食品详细信息的查询。（3）后台核心组件层是系统数据处理的中心，用户登录信息、相关产品的溯源信息、系统网站的数据填充都由该层决策完成，系统数据在这里汇聚分析之后被导入系统数据库，为数据库人为地添加一层防护，保证系统数据的安全性和可处理性。（4）接口层向用户提供访问数据库和向数据库提交产品溯源信息的接口，并负责将数据分析过程中产生的相关信息（如系统生成的产品溯源编号、条码信息）以Excel表格或其他形式导出，方便用户打印。（5）外部硬件数据交换层，系统数据库的数据来源除来自管理层的输入外，其他数据均由外部硬件直接向数据库提交，这些数据的产生主要来自RFID识读器、物流和销售环节扫描枪、手机终端查询溯源信息时向数据库发出的申请。

图2 食品质量安全可追溯物联网系统的逻辑框架

3.2 系统的主要功能模块

按照溯源系统一般功能设计的要求，可追踪系统必须能够从生产到销售的各个环节追溯检查制成品，食物产品质量安全溯源物联网体系的建立[12]，数据采集应涵盖全部食物产品生产链的过程，依据食物产品外包封面上的追溯标签，通过网站、手机条码扫描终端、条码扫描枪终端等方式，可以查询到食品原料的产地、加工过程、物流运输、销售等食品的相应源头信息。整个流程如图3所示。

4 结语

食品质量安全可追溯物联网系统以食品及其相关制品为研究对象，从政府监管、消费者、追溯链企业三方作为出发点，结合关键点数据规范技术、RFID与条码标识设计和SAP Net Weaver集成研发平台技术，研发信息可追踪、溯源的食品制品质量安全可追溯系统。该系统设计实现覆盖种植采收环节包括种植地环境信息、生产资料投入等信息；生产制作环节包括制作工地基本信息，制作工艺技术信息；经营流通环节包括商品走向和各级分销商基本信息。该系统的研发与推广应用，从商业层面上为规范食品产业市场，树立品牌影响力提供技术支持，同时也为其他农副产品质量安全追溯系统的研发提供借鉴；从政策层面上，可以及时发现现行检测体系、认证体系和职能管理环节中的主体缺失，同时为实现食品从初级原料到消费者手中制品的全产业链信息覆盖，构建规范、合理、高效和完善的政策法规提供依据。

图3 查询流程

[1]杨耀臻.基于移动物联网的蜂产品质量安全追溯系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

[2]张凌珲.农产品质量安全可追溯信息系统建设研究[D].西安：西安石油大学，2014.

[3]姜强.基于RFID技术的校园管理系统的研究与设计[D].青岛：青岛大学，2014.

[4]王小霞.论我国食品安全监管中信息工具的运用[D].苏州：苏州大学，2014.

[5]鲍晓成.基于物联网的猪肉食品供应链可追溯体系研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[6]王海波.RFID阅读器射频部分的设计与研究[D].南京：南京邮电大学，2013.

[7]谢梦.基于Android系统的葡萄生产过程溯源系统研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[8]梁冰.RFID防碰撞算法的FPGA设计与仿真[D].昆明：云南大学，2012.

[9]王薇.食品安全溯源体系建设的研究[D].北京：中央民族大学，2012.

[10]马勇. 基于Agent的蜂蜜质量追溯系统研究[D].北京：中国农业科学院，2011.

[11]邹奕婷，赵方. B/S模式下基于Jabber的IM系统的构建方法[J]. 计算机应用与软件，2008（12）：196-198.

[12]杨杰，刘云. 基于CIMS环境的刀具编码系统的研究[J]. 机电工程技术，2004，（3）：23-24，80.

Design and implementation of food traceability system based on RFID

Wang Zhen, Su Hengqiang
（Jilin Agricultural University, Jilin 130117, China）

This paper from the basic content of food safety traceable system, stars from improving the practical and emergency of food safety traceable system, developed and implemented a set of food traceable system based on RFID technology, in order to provide a powerful help for the construction of food safety traceable system.

food safety; RFID; traceable system

王震（1990— ），男，吉林白山，硕士研究生；研究方向：人工智能与计算机农业应用。