无线射频识别技术在转基因作物生物安全管理中的应用①

马 健， 董 辉

(亳州职业技术学院信息工程系,安徽 亳州 236800)

0 引 言

转基因作物栽培不论种类、栽培面积及种植国家都逐年增加，然而各界对于转基因作物及其产物在人畜食用安全性、基因污染及其他层面的生态环境安全问题仍存有疑虑，必须在特定的隔离实验区进行相关的科学评估与研究，使其风险降至最低。国内生物技术发展迅速，陆续有不同转基因农作物已开发成功。生物安全是研究转基因农作的重要环节,设置一处转基因作物隔离实验设施，包含密闭式温室、半密闭式温室、隔离温室、隔离网室及隔离田，并且获得国家环保和卫生检测部门批准[1]。转基因作物的实验的目标性状评估与环境生态风险评估技术建立各项隔离设施管理，主要是根据国家对转基因作物田间实验作业管理规范，来办理转基因作物实验材料、人员、工具及车辆出入的管制。然而各项进出信息量大，传统用笔纸登记的统计方式无法迅速统计安全管理记录。况且每一隔离设施管制区均需配置管理人力，增加人力成本支出。

研究目的是将应用无线射频识别技术在转基因作物管理，协助各项隔离设施的转基因作物实验材料、人员、工具及车辆出入的管制、自动记录进出过程与移动管理等情况，以提高快速管理的精准度，节省人力操作成本，进而提升管理效率。除此之外，利用RFID记录各项进出数据，可迅速追溯并锁定问题区域及发生时间等，作为问题处理与责任归属的依据，有效减少转基因作物外流的风险。

1 无线射频识别技术

无线射频识别(RadioFrequencyIdentification;RFID)技术为近年发展应用非常迅速的一种无线通讯技术，主要是由读写器(reader)、天线(antenna)、电子卷标(tag)及应用系统(ap-plicationsystem)等元件所组成，其操作原理如图1所示。

图1 无线射频识别系统运作原理图

读写器的天线发射一定范围的无线电波，当电子卷标进入范围内，读写器就能读取电子标签内所储存的信息，再由标签所附带的唯一序号提供给应用系统来进行分辨、管理及追踪 。由于RFID能自动而快速地进行识别，同时具有非接触式读取、可更新信息、大容量的储存信息、可重复使用、可同时间读取多个识别卷标及数据安全性佳等优点[2]。使无线射频系统已经被应用在许多领域上，包括、医疗管理、仓储管理、动物监控、图书管理与农产品管理等。

2 材料与方法

2.1 实验平台

研究系统借助于某实验所的转基因植物田间实验隔离园区，范围包括密闭温室、半密闭温室、隔离温室与隔离田。

2.2 系统评估

RFID使用无线射频的方式来进行识别的工作，大致分成(1)低频(lowfrequency;LH)；(2)高频(highfrequency;HF)与(3)超高频(ultra-highfrequency;UHF)等三部份[3]。每一种无线射频都有其特性及适合应用的范围，需考虑设置地点的环境因素与管理物品的型态，选择最适当的RFID架构如表1所示。电子标签以供电方式可以分成主动式标签(activetag)、被动式标签(passivetag)与半主动式(semi-activetag)等3种。

表1 RFID频率比较

由于UHF可一次读取多个、缩短作业时间，通过非接触式的感应方式，直接读取信息至数据库内，识别的速度快、距离长，同时可以读取多个电子卷标，可减少人为失误及人力操作，以提高工作效率。而被动式标签技术成熟度较高、使用寿命可达10yr、尺寸较小、读写距离3m以下。因此系统采用UHF无线射频及被动式电子卷标。

图2 转基因作物生物安全管理系统结构图

2.3 系统架构与规划

转基因作物生物安全管理系统架构示意图如图2所示，在各隔离设施出入口架设RFID设备及影像监控设备。利用RFID技术读取转基因作物实验材料、人员及工具之卷标数据，自动记录进出过程与移动的时间信息，通过网络实时传送并储存于后端数据库[4]。RFID感应到标签信息同时启动影像监控设备，实时记录影像数据。系统管理者可实时监控各项信息，若有实验材料外流发生时，系统管理者可迅速通过服务器端的安全管理平台上追溯并锁定外流区域与发生时间，以作为未来问题处理与责任归属的依据。各阶段作业流程主要包括隔离实验区使用申请、人员及转基因作物RFID身份化、人员及转基因作物安全管制与记录、人员及转基因作物信息追溯与查询。

2.4 系统网页

目前，最常用的3种动态网页语言有ASP(activeserverpages)、JSP(Javaserverpag-es)、PHP(hypertextpreprocessor)。三者都提供在HTML(hypertextmarkuplanguage)标记式语言中混合某种程序程序代码，由语言引擎解释执行程序程式码的能力。在ASP、JSP、PHP环境下，HTML标记式语言主要负责描述信息的显示样式，而程序程序代码则用来描述处理逻辑。普通的HTML页面只依赖于Web服务器，而ASP、JSP、PHP页面需要附加的语言引擎分析和执行程序程序代码。程序程序代码的执行结果被重新嵌入到HTML程式码中，然后一起传送给浏览器。ASP、JSP、PHP三者都是针对Web服务器的技术，客户端浏览器不需要任何附加的软件支持。系统开发工具与语言最后选用PHP5，主要是安装方便学习过程简单，数据库连接方便，兼容性强，扩展性强，可以进行面向对象编程。PHP5提供了标准的数据库接口，几乎可以连接所有的信息库，系统数据库为SQL-server。

2.5 结果与讨论

(1)系统功能说明

转基因作物生物安全管理系统目前仅开放给相关研究人员申请如图3 所示，系统接口包括人员管理、影像监控管理、转基因作物管理、各项申请单填写及试区进出记录查询等五大项。人员管理界面提供使用建立会员基本信息，必须填写姓名、单位、职称、联络电话与住址。经申请核准后才能取得进入各项隔离实验区的人员卷标卡片，未持有人员卷标卡片的非相关研究人员无法进入，以确保隔离实验区转基因作物外流的风险。影像监控管理接口提供各隔离设施出入口的实时影像数据及人员进出时的影像数据查询，目前影像功能仅为监控及记录用，未来将结合影像识别技术，实时进行人脸数目的计算，并确认接收到的RFID标签数量与人脸数目是否相同，数量相同才会开启门锁，不相同则会持续发出语音提示，请人员拿出RFID标签，如此更能提升人员的安全管理。

图3 某生物研究院安全管理系统界面

转基因作物管理接口提供用户建立新转基因作物，填写各项基本数据报含转基因作物物种、转基因名称、亲本来源及单位数量等相关信息。利用列表选项可以查询隔离实验区所有转基因作物的数量与进出时间，可以有效管理各个隔离实验设施目前的使用情形[5]。各项申请单填写接口是将原本为纸本的申请单转为电子化窗体，包含隔离实验区使用申请单、人员进出申请单、工具放行单、出入场材料申请单及特殊处理报告单。通过电子化的表单输入，节省填写纸本表格的人力操作成本，提高流程控管精准度，进而提升管理效率。隔离实验区进出记录查询接口提供人员、实验材料及工具进出记录查询，若有实验材料外流发生时，可迅速追溯并锁定外流区域及发生时间等，作为问题处理与责任归属的依据，有效减少转基因作物外流的风险。

(2)系统构建现状与效益评估

导入RFID技术，将有利于建立转基因作物数据与追溯历史数据，除了提供系统管理人员及时掌控转基因作物进出信息外，经由共同平台及RFID技术的应用，详实记录每一条转基因作物的信息、生产履历，提供研究人员建立转基因作物隔离栽培、繁殖、遗传性状调查及生物安全评估等信息[6]。其具体效益包括：(1)节省人事成本由原来5人减至2人；(2)信息化管理信息完整性相对于纸本管理较容易保存且不易遗失；(3)转基因作物履历追溯与信息查询较简单；(4)转基因作物外流风险相对于纸本管理比较低；(5)相关技术可移转至其他具有隔离设施单位应用。

转基因作物管理系统虽然有效的节省人力成本，但在实际运用时仍遇到一些问题，如信号干扰源问题：目前RFID技术仍无法保证能可一次读取到所有RFID电子卷标的信息，容易受到环境因子影响，有可能会因障碍物、金属及水的反射干扰，而造成信号的衰减降低定位精确度，且其读取功率会随使用时间增加而下降，导致其读取无法达到100%。另外，RFID电子标签虽然具有抗环境的耐性，但也无法保证永久不会损坏或者标签遗失的可能，这是目前极具挑战性且必须克服的问题。

3 结 论

随着国内生物技术进展迅速，已有许多各种转基因作物在农业实验所转基因植物田间实验隔离园区进行评估实验。积极应用信息科技来管理敏感实验材料，协助提升管理效率，降低转基因作物外流的风险，是必然的策略。同时转基因作物管理系统详细记录了每一条转基因作物的名称、繁殖、遗传性状调查及生物安全评估等数据，为各研究单位开发转基因作物提供了实验研究平台。

[1] 张李浩,杨斌.基于RFID技术的标签成本分摊及投资策略[J].计算机集成制造系统， 2016,22(5)：1329-1337.

[2] 魏伟.转基因与生物安全[J].，中国科学院 2016,31(4)：405-413.

[3] 程海鸣, 黄玲, 徐鹤,等. 基于RFID的图书馆书籍管理系统设计与实现[J].计算机技术与发展， 2016,26(10)：99-103.

[4] 张晶晶, 吴伟民. EPC编码标签的RFID系统密钥无线生成[J].计算机工程与应用， 2017,10(20)：159-162.

[5] 关正君.合成生物学生物安全风险评价与管理[J]. 生物多样性，2012,20(2)：138-150.

[6] 孟雨. 我国转基因生物安全立法的现状问题与对策研究[J].中国卫生法制， 2013,21(1)：19-23.