基于iRFID的疫苗运输实时监测管理系统

张娜 杨贺

摘要：針对在运输过程中的疫苗质量保证以及损耗疫苗溯源可查的问题，文章通过对需求的调查分析与系统设计，采用RFID标签与温度传感器实时监测疫苗的温度，并通过通信接口将数据传递至后台数据库，分别开发了Web端和移动端的实时监测系统的管理软件，并对硬件系统进行了简单的测试，该系统实现了疫苗运输过程的全程监测和管理。该监测管理系统可以确定出现问题的环节，追究溯源，从而保障疫苗的质量，减少疫苗运输的成本，提高工作效率，增强监管力度并对导致疫苗失活的相关运输环节进行有效、准确的追责。

关键词：RFID   iRFID    疫苗   实时监测

中图分类号：TP393   文献标识码：A

The Real-Time Monitoring and Management System for Vaccine Transportation Based on iRFID

ZHANG Na 1   YANG He 2

（1. The 36th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Jiaxing， Zhejiang Province， 314033 China; 2.Hangzhou Hikvision Digital Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310012 China）

Abstract： In view of the problems of the quality assurance of vaccines and the traceability of lost vaccines during transportation， through the investigation and analysis of requirements and system design， this paper monitors the temperature of vaccines in real time by RFID tags and temperature sensors and transfers data to the back-end database through the communication interface， and develops management software of the real-time monitoring system of the Web side and mobile side  respectively and simply tests the hardware system. This system realizes the monitoring and management of the entire process of vaccine transportation. This monitoring and management system can identify problematic links and trace the source， so as to safeguard the quality of vaccines， reduce the cost of vaccine transportation， improve work efficiency， enhance supervision， and carry out effectively and accurately accountability for the relevant transportation links that lead to vaccine inactivation.

Key Words：RFID; IRFID; Vaccine; Real-time monitoring

2020年3月11日，WHO宣布新冠肺炎疫情已经构成全球性“大流行”。据WHO报道，2022年全球的疫苗需求量已超过100亿剂，这将是对全球冷链物流巨大的挑战。传统的疫苗冷链，面对即将大规模和大范围的新冠肺炎疫苗运输，如何提高疫苗运输的时效性和保证疫苗的质量成为迫切需要解决的问题[1]。

RFID技术是一种用于识别和跟踪物体的无线技术，通过阅读器与标签间进行非接触式的数据通信来达到识别目标的目的，可以通过RFID感知技术获得冷链物流方面相对全面的信息，RFID标签不但能够储存唯一信息，还可采集并发送环境温度数据，可以实时了解疫苗的各类重要参数。

2021年1月，重庆市疾控中心对外透露，已经实现疫苗管理全过程可溯源，借助物联网、GPS等技术，重庆市还实现了24小时无人值守的疫苗温度自动采集与主动预警。上海生物医药有限公司自主研发了物流作业系统，在疫苗入库和出库时进行扫码作业，并且自动在疫苗运输过程中生成追溯信息，确保物流作业准确性的同时，显著提升了物流作业效率[2]。

无线电源行业领跑者Powercast公司在2021年推出了无线供电的RFID温度扫描系统，其CEO查理·戈茨（Charlie Goetz）称其公司的RFID传感标签可以使用无线电源并检测环境温度以确保新冠疫苗的有效性与安全性。

美国艾默生（EMERSON）公司开发出了可以通过IOT物联网技术，WEB监控解决系统来保持对瑞辉公司生产的新冠疫苗全程可监控、可溯源以及信息可视化。

目前全球疫情形势依然严峻，对于疫苗有着巨大需求，利用信息化来提升疫苗供应链水平，降低疫苗在运输过程中的损耗，仍然是国内外许多企业共同努力的方向[3]。

综上所述，文章基于iRFID技术设计并实现疫苗运输实时监测管理系统。通过iRFID技术对疫苗的运输过程进行监控，获取实时监测疫苗的温度，由通信接口将数据传递至后台数据库，进而通过Web端和移动端对疫苗进行管理。该系统可以确定容易发生问题的环节，追根溯源，从而保障疫苗质量，并减少疫苗运输的成本，提高运输效率。

1 系统设计

基于iRFID的疫苗运输实时监测系统需要实现对疫苗运输过程中温度的变化进行监控与记录以及对订单运输位置的实时跟踪，系统设计总体架构图，如图1所示。

系统总体设计包含硬件设计、软件设计以及界面设计三部分。硬件设计包括RIFD设备连接方式、实际使用时设备具体的部署以及使用方式的设计；软件设计包括疫苗实时温度检测功能，订单位置跟踪功能，用户登录注册相关功能而进行的整体系统建模；界面设计包括对Web端管理系统和对移动端物流App的界面设计。

1.1 系统硬件设计

本系统硬件部分由无源超高频RFID温度传感器标签、天线以及拥有射频模块，数据存储单元和数据传输模块的读写器组成。基本过程为读写器的射频模块通过天线发送一个特定频率的无线电波能量给无源RFID标签，标签驱动其内部电路将所携带的电子产品代码（EPC）和数据送出，此时读写器便接受这些数据，再通过存储单元与数据传输模块将数据传输到服务器。RFID设备连接示意图，如图2所示。

1.2 系统软件设计

基于iRFID的疫苗运输实时监测管理系统软件部分需要实现疫苗温度实时监测功能，订单位置记录功能，以及方便使用的用户相关的登录、注册、展示个人信息和修改密码等功能，为了辅助系统的开发设计，明确疫苗物流管理系统需求，使用UML用例图描述疫苗物流管理系统主要功能。具体疫苗物流管理系统用例图，如图3所示。

1.3 系统界面设计

Web端疫苗物流管理系统需要以简洁美观的界面为用户提供疫苗入库，疫苗实时温度曲线显示；订单添加、取消，订单实时位置显示；用户登录、注册、个人信息修改等功能。如图4所示。

移动端具有便携性，但相对于Web端屏幕显示相对局促，如图5所示移动端界面只承担疫苗实时温度曲线显示以及订单实时位置显示，用户登录及个人信息显示几个比较重要且适合在移动端使用的功能。

2 系统实现与测试

2.1 系统总体实现

利用实验室来模拟车厢内的系统总体实现，如图6所示。

图6展示的是将RFID读写器至电脑，将天线放置于天花板附近模拟其在正常疫苗运输车车厢中的位置，将无源超高频iRFID温度传感器标签贴在药品包装盒之上，并将盒子层叠起来模拟其在车厢中货架的摆放方式。通过天线释放的射频信号，RFID读写器正在不断读取标签中应答器电路返回的温度信息以及EPC（电子产品码）并将它们传输给作为服务器的电脑。

2.2 系统硬件实现——RFID设备连接

基于对RFID设备连接示意图来连接RFID读写器、天线以及无源超高频RFID温度传感器标签，具体RFID设备连接实现图，如图7所示。通过RFID读写器，天线的连接与标签的放置，硬件系统已经可以正常工作。通过RFID读写器厂商开发的读写软件，可以将标签内温度传感器所获得的温度数据发送到数据庫进行存储与显示，RFID设备读写并存储温度数据。

2.3 系统软件实现

2.3.1 疫苗实时监测功能

疫苗实时监测功能提供了直观的疫苗温度曲线显示以及疫苗从生产（进入系统数据库）到在各个订单之间运输的一系列运输记录表格，可供用户在交付疫苗时向采购方展示以证明运输符合疫苗运输相关法律要求的疫苗运输过程全部信息收集。并且，当疫苗温度超过阈值时可通过详细的记录检查出运输过程的漏洞以进行追责，具体疫苗实时温度曲线与运输表格记录功能，如图8所示。

2.3.2 订单跟踪功能

订单追踪功能可以辅助实现疫苗的记录与溯源，系统实现订单实时位置追踪功能，如图9所示。

2.3.3 用户相关功能实现

RFID疫苗运输管理系统为了方便用户使用，实现了简洁使用的一系列用户相关功能，包括登录、注册、修改个人信息、修改密码和修改个人信息功能，如图10所示。用户可以修改自己的头像、昵称以及手机号码，点击保存更新即可更新用户在数据库中的数据。

2.3.4 数据库

此系统实现了MYSQL数据库对疫苗温度、订单信息的存储，在系统运行过程中，服务器会不断收到RFID疫苗管理系统发来的疫苗温度查看请求，从而向数据库请求相关数据。并且服务器会不断收到由RFID读写器传来的疫苗温度数据，从而更新数据库。数据库中的疫苗表拥有电子产品码（EPC）字段使其可以将疫苗和RFID温度传感器标签一一对应，同时它可以依靠订单编号字段确认目前所在的订单。订单表则拥有用户编号字段用来确认订单的责任人与订单状态字段来分辨订单所携带的疫苗是在仓库中还是在运送的路上，具体数据库疫苗表与订单表效果图，如图11所示。

2.4 系统界面实现

基于Web端系统承载的用户需求与对系统页面的设计，系统完成了对网页端界面的开发。用户需要选择订单的始发地、目的地以及携带的疫苗，之后点击确定便可以开始订单的派送并配合RFID硬件设备对相关疫苗开始进行实时的温度监测以及对订单的位置跟踪。Web端用户查询订单列表功能，如图12所示。

基于移动端系统页面的分析设计，系统完成了移动端疫苗实时监测系统App，此App拥有疫苗实时温度曲线查看功能、订单位置实时查看功能及方便用户使用的其他功能。

移动端查看具体疫苗温度信息功能效果图如图13。

2.5 测试分析

系统通过RFID硬件设备对疫苗的温度进行实时监测，但天线所发射的射频电磁波在通过不同介质时会有所损耗。例如：射频电磁波在通过玻璃和陶瓷时大概会损耗10%～20%，而遇到金属时则会发生金属反射。为了在运送疫苗的冷冻车厢内使用RFID设备，需要对天线遇到各种可能情况会产生的损耗进行试验测试。

首先，天线在无源超高频RFID温度传感器标签水平时，射频电磁波能到达的极限距离约为3.5 m，具体如图14所示。

其次，在运输疫苗的冷冻车厢中，射頻电磁波最容易受到的部分其实是来自于疫苗保温箱之间在货架上层叠造成的相互遮挡，根据实验测试，如果有标签与天线之间只有一层货架疫苗保温箱遮挡，能收到标签反馈的温度信息的极限距离约为2.1 m。具体如图15所示。而在标签与疫苗之间有两层疫苗保温箱阻隔时，极限距离约为1.8 m，具体如图16所示。

在标签与疫苗之间有两层疫苗保温箱阻隔时的横向对比图，具体如图17所示。

基于上述实验测试，系统的RFID硬件部分在高度，长度不超过3m，货架层数不超过3层的疫苗运输车车厢内使用，设备中的天线与无源标签基本可以满足疫苗温度的采集需求。如果车厢长度超过3 m或货架层数过高，建议使用2组或更多的天线设备以确保运输过程中产生的信息不会被遗漏。

3 结语

基于iRFID的疫苗运输实时监测管理系统实现了对疫苗运输过程的监控。该系统可以确定出现问题的环节，追根溯源，从而减少疫苗运输的成本，提高运输效率。同时为了明确天线设备在各种情况下的射频电信号极限距离，在实验室使用设备做了相关实验，最终确定了在车厢内使用设备的方式及可行性。目前，全球疫情形势依然严峻，全球疫苗冷链物流系统都在受到巨大的挑战，如在物流水平并不发达的部分非洲地区，疫苗只能用少量无人机来运送。但是随着抗疫经验不断地丰富，疫苗冷链物流系统的信息化与可溯源体系必将不断地发展与完善，RFID技术相关工艺的日趋成熟，RFID电子标签成本的不断下降，RFID极有可能在冷链物流系统信息采集部分得到广泛使用。

参考文献

[1] 杜欣怡.基于冷链物流的COVID-19疫苗运输问题及对策研究[J].中国储运，2021（4）：96-98.

[2] 林振强.信息化助力疫苗冷链建设[J].物流技术与应用，2021，26（S2）：26-29.

[3] 应徐颉，刘琼，张明胜，等.我国疫苗冷链管理现状及发展展望[J].中国现代应用药学，2020，37（5）：636-640

[4] 姚剑波，江俊波，陈中嵘，等.疫苗冷链信息化发展现状及展望[J].制冷技术，2021，41（5）：93-99.

[5] 全国人民代表大会.中华人民共和国疫苗管理法[EB/OL].（2019-06-29）[2021-06-26].http：//www.npc.gov.cn/npc/c30834/201907/11447c85e05840b9b12c62b5b645fe9d.shtml.

[6] 章峰勇.RFID电子标签及其天线制造技术[J].信息记录材料，2008（6）：44-49.

[7] ROSS J C，SAIDU Y，NZUOBONTANE D， et al. Application of the Remaining Vaccine Vial Monitor Life Calculation to Field Temperature Monitoring Data to Improve Visibility into Cold Chain Equipment Performance[J].Vaccine，2020，38（48）：7683-7687.

[8] FAHRNI M L，ISMAIL I A N，REFI D M， et al.. Management of -COVID-19 Vaccines Cold Chain Logistics： A Scoping Review[J].Journal of Pharmaceutical Policy and Practice， 2022，15（1）：16.