有機(jī)RFID標(biāo)簽在動物食品溯源中的應(yīng)用前景

　　0 引言

　　近年來，射頻識別技術(shù)(radio frequency identification,RFID)已被廣泛應(yīng)用于交通管理、物流運(yùn)輸、醫(yī)藥、食品生產(chǎn)等十多個行業(yè)，其在食品追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用己成為食品安全的重要保障。在動物性食品生產(chǎn)過程中存在原料、生產(chǎn)、加工、貯運(yùn)和銷售等諸多環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)都有污染食品的可能。RFID作為一項易于操控、簡單實(shí)用、靈活的技術(shù)，所具備的優(yōu)越性是條碼、磁卡、IC ( integrated circuit, IC)卡等其他識別技術(shù)無法比擬的,因此已被許多國家應(yīng)用于動物性食品的溯源。歐洲、美國、澳大利亞的很多飼養(yǎng)場都己經(jīng)運(yùn)用RFID標(biāo)簽來全程監(jiān)測畜禽動物生產(chǎn)的基本情況，并把RFID結(jié)合條碼技術(shù)的自動識別技術(shù)貫穿于食品安全監(jiān)管產(chǎn)業(yè)的全過程，以保證向市場提供優(yōu)質(zhì)的放心產(chǎn)品[f8l。相對于發(fā)達(dá)國家，中國對食品溯源研究起步較晚，但近年來的快速發(fā)展使中國在即ID的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了一些成果[[9-10]。目前已經(jīng)具備自主研發(fā)生產(chǎn)多類型多標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽和設(shè)備的能力，也出現(xiàn)了一批與RFID生產(chǎn)相關(guān)的企業(yè)，RFID已經(jīng)在交通、物流、食品、票證等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。如國內(nèi)一些城市已將RFID技術(shù)應(yīng)用于城市智能交通，實(shí)現(xiàn)車流量信息的采集，據(jù)報道陜西省車載RFID標(biāo)簽用戶已經(jīng)達(dá)到6.8萬戶;2005年上海市將基于RFID技術(shù)的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”正式投入使用，該系統(tǒng)將RFID標(biāo)簽打在豬耳朵上，實(shí)時獲取生豬的飼料、病歷、喂藥、轉(zhuǎn)群、檢疫等信息 2008年北京奧運(yùn)會期間，畜禽類產(chǎn)品的追溯體系也采用了RFID射頻識別技術(shù)。但目前RFID在中國食品安全方面的應(yīng)用仍屬于起步階段，其應(yīng)用僅局限于北京、上海等發(fā)達(dá)城市，且使用的范圍與食品品種非常有限，處于應(yīng)用示范階段。這主要是由于RFID標(biāo)簽成本較高，大大影響了其在食品安全溯源系統(tǒng)中的規(guī)模應(yīng)用。要做到單件產(chǎn)品不論豬肉、牛肉、雞肉都貼有RFID標(biāo)簽，勢必要求標(biāo)簽價格非常低，像現(xiàn)在的條碼一樣。而有機(jī)RFID因其成本較低而備受關(guān)注該文擬探討這種新型的低成本RFID—有機(jī)RFID，并對有機(jī)RFID這一新型技術(shù)在動物性食品溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討，為動物性食品追溯系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

　　1 有機(jī)RFID及其特點(diǎn)

　　RFID標(biāo)簽的高成本是其大量普及的最大障礙。為了降低成本，RFID研究者一直在尋找新的技術(shù)和生產(chǎn)工藝，近年來有機(jī)RFID技術(shù)成為該領(lǐng)域的重大突破。傳統(tǒng)的無機(jī)RFID標(biāo)簽由芯片和天線構(gòu)成，芯片部分由傳統(tǒng)IC工藝在硅片上制備得到，然后再把芯片和天線集成在一起構(gòu)成完整的標(biāo)簽。有機(jī)RFID標(biāo)簽則采用印刷電子技術(shù)，把有機(jī)薄膜晶體管制備在便宜的塑料基底上形成電路。依據(jù)此技術(shù)，把有機(jī)物墨水和金屬印刷在塑料基底上形成芯片和天線從而得到有機(jī)RFID標(biāo)簽。通過印刷批量生產(chǎn)有機(jī)RFID標(biāo)簽，簡化了制作工藝，大大降低了成本。世界各國都認(rèn)為有機(jī)RFID的市場前景巨大，紛紛加大有機(jī)RFID標(biāo)簽技術(shù)的研發(fā)力度，并且已經(jīng)取得了很大成就。一些國家已經(jīng)邁入了從實(shí)驗(yàn)室研究向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的起步階段，并且研究也在逐步的深入。如德國PoIyIC公司在2006年開發(fā)出使用印刷技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)RFID標(biāo)簽該標(biāo)簽集成了數(shù)百個有機(jī)晶體管，可以保存8bits的數(shù)據(jù);2007年該公司又開發(fā)出了32和64 bits存儲能力的有機(jī)RFID標(biāo)簽，工作頻率為13.56 MHz; 2008年比利時微電子研究中心(interuniversity microelectronics centre IMEC ) 開發(fā)出了已接近實(shí)用水平的有機(jī)RFID標(biāo)簽;2007年德國有機(jī)電子大會在其大會票證上采用了有機(jī)RFID標(biāo)簽;另據(jù)報道，英國曼徹斯特大學(xué)Syngenta傳感器創(chuàng)新中心的研究人員正在開發(fā)一種有機(jī)RFID標(biāo)簽，應(yīng)用于水果等產(chǎn)品進(jìn)入供應(yīng)鏈后的質(zhì)量監(jiān)控和管理，該產(chǎn)品有望在2011年底用于為生產(chǎn)和種植企業(yè)提供可靠的追蹤方案。國內(nèi)關(guān)于有機(jī)RFID研究的報道幾乎空白，僅有北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所的徐征等對有機(jī)RFID標(biāo)簽的射頻信號調(diào)制方法進(jìn)行了研究，而對于其應(yīng)用還未見報道。

　　有機(jī)RFID作為一種新的技術(shù)，是有機(jī)半導(dǎo)體和RFID技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。有機(jī)RFID標(biāo)簽的工作原理、結(jié)構(gòu)、功能及頻譜劃分等與無機(jī)RFID基本類似，二者主要的區(qū)別在于材料和加工工藝的不同，并由此衍生出來部分差異，具體分析如下:

　　1)成本。據(jù)Nature Materials Commentary雜志報導(dǎo)，有機(jī)RFID標(biāo)簽成本有望降至每枚0.01 } 0.02美元甚至更低，而目前常用的無機(jī)RFID標(biāo)簽的成本約為0.2美元。

　　2)讀取速度。PoIyIC公司的有機(jī)RFID標(biāo)簽最大的讀取速度為196 bits/s。無機(jī)RFID的讀取速度一般較高，意法半導(dǎo)體2010年推出的無機(jī)RFID芯片LRiS64K的讀取速度為53kbits/。

　　3)存儲容量。目前研發(fā)的有機(jī)RFID標(biāo)簽的存儲容量較小，一般只能存儲幾十到上百bit的數(shù)據(jù)。無機(jī)RFID的存儲容量一般較大，可達(dá)53kb/s。

　　4)使用壽命。有機(jī)RFID標(biāo)簽的壽命較短。PoIyIC公司的研究表明有機(jī)RFID標(biāo)簽在最初的10個月特性沒有下降，但是經(jīng)過較長時間特性會發(fā)生改變，認(rèn)為有機(jī)RFID標(biāo)簽?zāi)軌虼_保la的使用壽命。無機(jī)RFID芯片則具有非常長的壽命，LRiS64K的壽命至少為40a。

　　5)易用性。有機(jī)RFID標(biāo)簽的基底為塑料，厚度非常小并具有良好的柔韌性，可以制成柔性標(biāo)簽，使用時可以隨意粘貼，不受軟硬度及厚度等限制。無機(jī)RFID標(biāo)簽由于采用了硅芯片則不具有這方面的優(yōu)勢。

　　6)重復(fù)使用性。有機(jī)RFID標(biāo)簽在印刷時己經(jīng)決定了內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)，在使用過程中只能讀取數(shù)據(jù)而無法修改數(shù)據(jù)。無機(jī)RFDI標(biāo)簽由于采用硅芯片，所以在使用中可以多次修改存儲的內(nèi)容，如無機(jī)RFDI芯片LRiS64K可以重復(fù)寫1000,000次。

　　2 有機(jī)RFID與傳統(tǒng)的二維條碼、無機(jī)RFID的比較

　　目前，食品供應(yīng)鏈安全管理的技術(shù)手段主要有2大類技術(shù):RFID技術(shù)和條碼技術(shù)，結(jié)合有機(jī)RFID標(biāo)簽技術(shù)，這3類標(biāo)簽技術(shù)的比較如表1所示。

　　由表1可知，有機(jī)RFID標(biāo)簽具有無機(jī)RFID標(biāo)簽方便易用的優(yōu)點(diǎn)，又具有類似于二維條碼的低廉成本，雖然在讀取速度、容量和使用壽命方面劣于無機(jī)RFID，但是這些差距在很多應(yīng)用中并不是必須的，如對于許多貼有RFID標(biāo)簽的消費(fèi)品來說，RFID標(biāo)簽只是用于庫存、POS (point of sale POS)機(jī)及產(chǎn)品退貨，并需要特別長的使用壽命。因此這些應(yīng)用為低成本的有機(jī)RFID標(biāo)簽提供了發(fā)揮積極作用的空間。

　　3 動物食品溯源系統(tǒng)

　　3.1 動物食品追溯流程和信息模型

　　動物食品安全溯源系統(tǒng)包括從“養(yǎng)殖場”到“消費(fèi)者”的諸多環(huán)節(jié)，主要有:養(yǎng)殖場、運(yùn)輸物流、屠宰場、物流倉儲、超市和消費(fèi)者6個環(huán)節(jié)，其構(gòu)成的溯源流程和與之相匹配的信息模型如圖1所示。

圖1動物食品追溯流程和信息模型

　　為了保證消費(fèi)者從餐桌到養(yǎng)殖場的全過程追溯，需要在圖1的6個環(huán)節(jié)中依靠不同的標(biāo)簽對動物進(jìn)行標(biāo)識，并在每個環(huán)節(jié)中對標(biāo)識的動物食品管理和記錄圖中的信息。

　　3.2 溯源系統(tǒng)的基本框架

　　溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在動物食品生產(chǎn)過程中的多個環(huán)節(jié)逐漸生成，并在相應(yīng)環(huán)節(jié)中添加到溯源系統(tǒng)中。大量多類型追溯信息的存儲和管理僅僅通過標(biāo)識標(biāo)簽是很難實(shí)現(xiàn)的，需要采用標(biāo)簽和數(shù)據(jù)中心結(jié)合的方式才能滿足追溯系統(tǒng)中信息管理的復(fù)雜需求。通過標(biāo)簽技術(shù)對動物性食品加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品進(jìn)行唯一標(biāo)識，如圖2所示。在每個加工環(huán)節(jié)都建立相應(yīng)的信息管理平臺，該平臺采集加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品的信息并匯總到食品安全數(shù)據(jù)中心。在整個環(huán)節(jié)中都有政府專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)管。消費(fèi)者可以根據(jù)產(chǎn)品的標(biāo)簽從數(shù)據(jù)中心查詢到該產(chǎn)品所歷經(jīng)的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其關(guān)鍵信息，任何環(huán)節(jié)的生產(chǎn)廠家都可以通過系統(tǒng)對產(chǎn)品向上追溯和向下跟蹤，政府可以通過數(shù)據(jù)中心的信息建立自動的食品安全監(jiān)測平臺。

圖2動物食品追溯系統(tǒng)框架

　　4 有機(jī)RFID在動物食品溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

　　動物食品涉及畜牧養(yǎng)殖、屠宰加工、流通銷售等眾多環(huán)節(jié)，其從養(yǎng)殖場到餐桌的整個生產(chǎn)流程與其他食品相比要復(fù)雜得多，因此追溯的信息涵蓋面更廣、信息量更大、追溯信息間的轉(zhuǎn)換頻率更高。在整個生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)中全部使用電子標(biāo)簽，在中國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和行業(yè)發(fā)展水平上還不現(xiàn)實(shí)。不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)對標(biāo)簽技術(shù)具有不同的需求，可針對需要進(jìn)行靈活選擇。

　　4.1 養(yǎng)殖場

　　在養(yǎng)殖場牲畜出生后，養(yǎng)殖場管理平臺生成唯一的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”，并在食品安全數(shù)據(jù)中心中進(jìn)行信息的登記，建立起牲畜個體信息數(shù)據(jù)庫。牲畜在飼養(yǎng)過程中的批次、飼料、免疫、檢疫等情況都分別通過管理平臺記錄在食品安全數(shù)據(jù)中心。由于牲畜養(yǎng)殖過程中二維條碼易受污染，且易受牲畜的破壞等，并且在信息的錄入環(huán)節(jié)需要逐個登記牲畜的標(biāo)簽，不適合多個標(biāo)簽同時錄入。因此養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中，適合采用RFID標(biāo)簽作為“生產(chǎn)標(biāo)識碼”的載體，每個RFID標(biāo)簽和“生產(chǎn)標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心一一對應(yīng)。綜合牲畜的養(yǎng)殖時間和無機(jī)RFID標(biāo)簽的壽命，對于養(yǎng)殖超過I年的牲畜采用無機(jī)RFID標(biāo)簽，低于1年的牲畜采用有機(jī)RFID標(biāo)簽。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)根據(jù)需要可選用有機(jī)RFID標(biāo)簽或無機(jī)RFID標(biāo)簽，盡管無機(jī)RFID成本比有機(jī)RFID標(biāo)簽高，但由于飼養(yǎng)階段牲畜數(shù)量有限，所以增加的成本對于大型動物是可接受的。

　　4.2 物流運(yùn)輸

　　在物流運(yùn)輸中，通過物流運(yùn)輸管理平臺在食品安全數(shù)據(jù)中心中登記物流企業(yè)的基本信息和物流的基本情況。此時可仍舊按照養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的RFID標(biāo)簽作為管理的唯一標(biāo)識。

　　4.3 屠宰場

　　屠宰場存在若干生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可根據(jù)牲畜的標(biāo)識對生產(chǎn)過程進(jìn)行流水線的監(jiān)控，每個環(huán)節(jié)都分別通過屠宰場管理平臺登記在數(shù)據(jù)中心。屠宰場中牲畜被宰殺后進(jìn)行分割。分割前管理平臺讀取待分割肉類的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”，并根據(jù)將要分割的數(shù)量生成多個“屠宰標(biāo)識碼”，每個屠宰標(biāo)識碼對應(yīng)相應(yīng)的分割部位，比如頭、里脊、肝臟等?！巴涝讟?biāo)識碼”和“生產(chǎn)標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行登記并建立對應(yīng)關(guān)系?！巴涝讟?biāo)識碼”再被標(biāo)記到標(biāo)簽上，成為特定牲畜特定部位的唯一標(biāo)識。通過“生產(chǎn)標(biāo)識碼”可以追蹤到分割后的肉類，通過“屠宰標(biāo)識碼”可以追溯到分割前的動物，完成了動物從整體到肉類的追溯信息的轉(zhuǎn)移和傳遞。

　　在肉類分割后，每個部分都需要標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識，需要的標(biāo)簽數(shù)量相對較多，采用無機(jī)RFID標(biāo)簽會帶來極大的成本負(fù)擔(dān)，因此只能對批次進(jìn)行跟蹤管理，難以對分割后的肉類進(jìn)行個體的跟蹤管理。采用價格非常低廉的有機(jī)RFID標(biāo)簽或二維條碼可以很好的解決成本問題。但二維條碼的讀取受限制，不適合屠宰場中多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對標(biāo)識碼的自動讀取，且二維條碼易受污染，不適合屠宰場的需要。鑒于屠宰環(huán)節(jié)的時間較短，有機(jī)RFID壽命可以滿足此環(huán)節(jié)的需要。有機(jī)RFID標(biāo)簽具有環(huán)境適應(yīng)性、成本、讀取方式等方面的優(yōu)點(diǎn)，在屠宰、分割環(huán)節(jié)可以發(fā)揮不可替代的作用。

　　4.4 倉儲物流

　　基于4.3中的分析，在物流倉儲環(huán)節(jié)采用“屠宰標(biāo)識碼”進(jìn)行信息的管理。通過管理平臺向信息中心匯總物流基本信息、倉儲基本信息、多個時間節(jié)點(diǎn)的物流溫度、倉儲溫度等信息，實(shí)現(xiàn)動物性食品在物流倉儲環(huán)節(jié)的個體化過程管理。

　　4.5 超市

　　在超市肉類被繼續(xù)分割。超市管理平臺讀取有機(jī)RFID標(biāo)簽標(biāo)識的“屠宰標(biāo)識碼”，根據(jù)分割的情況自動產(chǎn)生多個標(biāo)識碼。“用戶標(biāo)識碼”和“屠宰標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行登記并建立對應(yīng)關(guān)系?！坝脩魳?biāo)識碼”被標(biāo)記在標(biāo)簽上。“用戶標(biāo)識碼”的數(shù)量非常龐大，由于成本的原因，無法采用無機(jī)RFID標(biāo)簽，只能采用二維條碼或者有機(jī)RFID標(biāo)簽。此時二維條碼和有機(jī)RFID標(biāo)簽不存在明顯的優(yōu)劣，可以根據(jù)用戶的習(xí)慣加以選擇。

　　4.6 消費(fèi)者

　　消費(fèi)者根據(jù)超市提供的用戶二維條碼或有機(jī)RFID標(biāo)簽可以通過公共查詢系統(tǒng)查詢到產(chǎn)品的“用戶標(biāo)識碼”。根據(jù)“用戶標(biāo)識碼”可以查詢到超市的信息，并且可以追溯到“屠宰標(biāo)識碼”。根據(jù)“屠宰標(biāo)識碼”可以查詢到肉類的運(yùn)輸、倉儲信息，肉類在屠宰場中的生產(chǎn)信息，并且可以追溯到肉類的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”。由“生產(chǎn)標(biāo)識碼”可以查詢牲畜的運(yùn)輸銷售信息、飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的各種信息等。消費(fèi)者可以由終端產(chǎn)品追溯整個肉類的生產(chǎn)過程。

　　根據(jù)肉類生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)的特點(diǎn)和需求，各種標(biāo)簽技術(shù)具有特定的適用性，如表2所示。

　　5 結(jié)論

　　有機(jī)RFID標(biāo)簽具有無機(jī)RFID標(biāo)簽方便易用的優(yōu)點(diǎn)，又具有類似于二維條碼的低廉成本，雖然在讀取速度、容量和使用壽命方面劣于無機(jī)RFID，但在動物性食品溯源過程的應(yīng)用中，這些特性并不是對每個環(huán)節(jié)都是必要的，這為低成本的有機(jī)RFID標(biāo)簽提供了發(fā)揮積極作用的空間。

　　動物食品安全溯源系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)包括養(yǎng)殖場、運(yùn)輸物流、屠宰場、物流倉儲、超市和消費(fèi)者等，根據(jù)每個環(huán)節(jié)的特點(diǎn)及其對標(biāo)簽技術(shù)的要求，有機(jī)RFID有望在屠宰場、運(yùn)輸倉儲中替代無機(jī)RFID，對于養(yǎng)殖時間較短的動物，也可在養(yǎng)殖與物流運(yùn)輸環(huán)節(jié)使用有機(jī)RFID,而在超市環(huán)節(jié)可選擇性使用有機(jī)RFID或二維標(biāo)簽。有機(jī)RFID的使用將大大降低動物食品溯源的成本，從而促進(jìn)動物食品溯源技術(shù)的廣泛使用。