賈 浩,沈 岳,2,溫佑杰
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南省農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410128)
無線射頻識(shí)別(RFID)是一種具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、穿透能力強(qiáng)、讀寫距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),同時(shí)是唯一可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器以及天線組成。
隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展向農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化、精細(xì)化和智能化管理的轉(zhuǎn)變,RFID 技術(shù)成為了農(nóng)業(yè)物物相連和農(nóng)業(yè)感知的關(guān)鍵技術(shù)之一,實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的每個(gè)農(nóng)業(yè)個(gè)體的追蹤和溯源,其目的是為了快速、精確、高效地給出每個(gè)農(nóng)業(yè)個(gè)體的種植情況、流通情況、生產(chǎn)加工情況以及銷售情況等相關(guān)信息[1]。
項(xiàng)目組通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐,研究了RFID 技術(shù)在溫室大棚、大田種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)流通領(lǐng)域中的使用情況,提出了RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的常見問題以及針對(duì)不同問題的解決方法。
RFID 系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和天線三部分組成,一般由閱讀器收集數(shù)據(jù)信息傳送到后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行處理[2]。RFID 系統(tǒng)的組成如圖1 所示。RFID 電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別的物體上,當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識(shí)別物品進(jìn)入讀寫器工作范圍時(shí),讀寫器可自動(dòng)以非接觸方式讀寫電子標(biāo)簽中記錄的包括在生產(chǎn)、流通、加工和銷售等環(huán)節(jié)的相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)物品標(biāo)識(shí)信息的準(zhǔn)確、快速、高效的采集[3-4]。
圖1 RFID 系統(tǒng)的組成
(1)電子標(biāo)簽的基本組成結(jié)構(gòu)為耦合元件、芯片和電路,在電子標(biāo)簽芯片中的ROM 中存放著全球唯一的ID 號(hào)碼,無法修改。這使得每個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。
(2)讀寫器是用于讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備,是連接RFID 標(biāo)簽和后端信息處理系統(tǒng)的通道。一般情況下,由后端信息處理系統(tǒng)識(shí)別、讀取和寫入收集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)使用方法不同,讀寫器可分為移動(dòng)式和固定式。
(3)天線是電子標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號(hào)的裝置。
RFID 標(biāo)簽分為無源和有源2種。對(duì)于無源RFID標(biāo)簽,當(dāng)RFID 標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器天線輻射形成的磁場(chǎng)范圍時(shí),標(biāo)簽天線通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)RFID 芯片電路,芯片電路通過標(biāo)簽天線將存儲(chǔ)在標(biāo)簽內(nèi)的標(biāo)識(shí)信息發(fā)送給讀寫器,讀寫器再通過天線將接收到的標(biāo)識(shí)信息發(fā)送給上位計(jì)算機(jī)。無源標(biāo)簽的工作過程就是讀寫器向電子標(biāo)簽傳遞能量,電子標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送標(biāo)識(shí)信息的過程。工作原理如圖2 所示。
圖2 無源RFID 工作原理
對(duì)于有源RFID 電子標(biāo)簽,處于遠(yuǎn)場(chǎng)的有源RFID 標(biāo)簽由內(nèi)部配置的電池供電。為了節(jié)約能源、延長(zhǎng)標(biāo)簽的工作壽命,有源RFID 標(biāo)簽可以不主動(dòng)發(fā)送信息。當(dāng)有源標(biāo)簽收到讀寫器發(fā)出的讀寫指令時(shí),標(biāo)簽才向讀寫器發(fā)送存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)信息。有源標(biāo)簽的工作過程就是有源標(biāo)簽收到讀寫器發(fā)送的讀寫指令后再向讀寫器發(fā)送標(biāo)識(shí)信息的過程。工作原理如圖3所示。
圖3 有源RFID 工作原理
近年來,食品安全問題(禽流感、瘋牛病、蔬菜農(nóng)殘、病死豬、農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)等)越來越嚴(yán)重,影響著人類的健康,嚴(yán)重威脅到了人們的生命安全。隨著全球化的加速,各國(guó)農(nóng)產(chǎn)品之間的流通將會(huì)越來越頻繁,出口農(nóng)產(chǎn)品的要求也會(huì)越來越高。為此,各國(guó)為了保證本國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)-流通-銷售全程跟蹤和識(shí)別。以增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的溯源機(jī)制,保障農(nóng)產(chǎn)品的安全。我國(guó)農(nóng)業(yè)部頒布實(shí)施的《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯操作規(guī)程通則》(標(biāo)準(zhǔn)編號(hào):NY/T 1761-2009)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯作了一個(gè)詳細(xì)的定義,所謂的追溯信息為具備質(zhì)量追溯能力的農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、流通以及銷售各環(huán)節(jié)相關(guān)信息的總和,追溯信息的內(nèi)容應(yīng)覆蓋該環(huán)節(jié)操作時(shí)間、地點(diǎn)、責(zé)任主體、產(chǎn)品批次及質(zhì)量安全相關(guān)內(nèi)容[5]。
2.1.1 在農(nóng)業(yè)種植方面的應(yīng)用 在農(nóng)作物種植方面,將電子標(biāo)簽和傳感器綜合利用,感知土壤溫濕度、土壤電導(dǎo)率、土壤肥力、土壤重金屬的含量以及光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的變化。記錄農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期、農(nóng)藥使用情況等信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)的精細(xì)化、智能化。同時(shí),利用讀寫器將農(nóng)產(chǎn)品的大小、重量、品種、質(zhì)量、生產(chǎn)地址和采摘日期等詳細(xì)信息寫入電子標(biāo)簽中,為農(nóng)產(chǎn)品溯源提供數(shù)據(jù)。
2010年,財(cái)政部、商務(wù)部在海南省啟動(dòng)海南農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代流通綜合試點(diǎn),將提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的追溯作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作,建立農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)養(yǎng)殖、加工、流通和銷售全過程的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系。海南惠民農(nóng)產(chǎn)品出口配送有限公司以“統(tǒng)一標(biāo)識(shí),源頭可追溯”為經(jīng)營(yíng)理念,是海南最先實(shí)行食品追溯的企業(yè)之一。該公司對(duì)6 666.67 hm2農(nóng)產(chǎn)品種植基地的農(nóng)戶推行科學(xué)、統(tǒng)一的管理,對(duì)農(nóng)民進(jìn)行了關(guān)于溯源相關(guān)信息的培訓(xùn),提供大量的科技服務(wù),建立了農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng),使所有的農(nóng)產(chǎn)品都擁有一張“有著成長(zhǎng)記錄的身份證”,能夠查詢到農(nóng)產(chǎn)品從播種、生產(chǎn)、加工、收購(gòu)、流通和銷售全過程的基本信息,以信息可追溯的方式保障生產(chǎn)種植、田間管理、化肥農(nóng)藥、加工和流通環(huán)節(jié)符合國(guó)際無公害食品標(biāo)準(zhǔn)[6]。
2.1.2 在動(dòng)物養(yǎng)殖方面的應(yīng)用 在動(dòng)物養(yǎng)殖方面,在幼崽出欄的時(shí)候就佩戴RFID 電子耳標(biāo),電子標(biāo)簽中包含的數(shù)據(jù)包括動(dòng)物的品種、出生日期、上輩信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。在養(yǎng)殖過程中,由飼養(yǎng)員將動(dòng)物的飼養(yǎng)情況、疫苗注射情況、生長(zhǎng)環(huán)境信息,通過RFID 手持設(shè)備,以一種非接觸的方式寫入電子標(biāo)簽中,并通過無線通信GPRS/3G 將采集到的動(dòng)物的相關(guān)信息上傳到食品安全平臺(tái)數(shù)據(jù)中心,并在數(shù)據(jù)中心建立完整的個(gè)體養(yǎng)殖檔案,以便實(shí)現(xiàn)追溯查詢。實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物的跟蹤與識(shí)別,提高了動(dòng)物溯源的精確度。
2000年7月1日,英國(guó)政府規(guī)定境內(nèi)所有生牛必須采用數(shù)字識(shí)別,實(shí)現(xiàn)對(duì)牛肉從生長(zhǎng)到銷售全過程的溯源。2008年1月1日起,歐洲強(qiáng)制對(duì)綿羊推行電子識(shí)別技術(shù)[7]。在國(guó)內(nèi)基于 RFID 技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品安全檢測(cè)系統(tǒng)已正式應(yīng)用于生產(chǎn),如上海市于 2005年投入使用的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過將 RFID 標(biāo)簽打在豬耳朵上的方式,實(shí)時(shí)獲取生豬的喂養(yǎng)飼料、生豬的病歷、疫苗注射情況、喂藥等信息,通過對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)、道口、屠宰場(chǎng)、批發(fā)市場(chǎng)及超市獲取的相關(guān)信息建立信息鏈接,實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程的安全控制和對(duì)流通環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。
RFID 技術(shù)具有讀取速度快、可穿透物體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)對(duì)象的特點(diǎn)。如果在農(nóng)產(chǎn)品上粘貼RFID 標(biāo)簽,不僅可以節(jié)省大量的人力物力,縮短農(nóng)產(chǎn)品在流通中所花費(fèi)的時(shí)間,保持了農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度,還有效的提高了農(nóng)產(chǎn)品信息在“生產(chǎn)養(yǎng)殖-加工-流通-銷售”全過程的采集速度和信息共享程度,提高了農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益,保障了農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)。
在國(guó)內(nèi),一些地方的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品流通過程中的應(yīng)用做了積極、深入的研究。上海農(nóng)業(yè)大學(xué)和上海農(nóng)業(yè)信息公司對(duì)于如何提高農(nóng)鮮產(chǎn)品供應(yīng)鏈的效率的問題,將農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品銷售環(huán)節(jié)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息讀入公共數(shù)據(jù)庫(kù),不但可以確保在各環(huán)節(jié)獲取的信息的高質(zhì)量數(shù)據(jù)交流,而且還能實(shí)現(xiàn)食品全過程的溯源以及蔬菜供應(yīng)鏈的完全透明度[9]。
在超市、商場(chǎng)、市場(chǎng)等銷售點(diǎn)設(shè)置溯源查詢終端,消費(fèi)者只要通過電子標(biāo)簽的識(shí)別碼進(jìn)行查詢,就可以查詢到農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的信息。包括農(nóng)產(chǎn)品的品種、農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、農(nóng)產(chǎn)品的檢疫情況、農(nóng)產(chǎn)品的用藥情況和農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地等。這樣,在保證消費(fèi)者權(quán)益的同時(shí)也保障了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)者起到了監(jiān)督作用。由于農(nóng)產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)的信息都發(fā)送到了中心數(shù)據(jù)庫(kù),這樣就形成了一個(gè)完整的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈。通過農(nóng)產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽,就可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤和識(shí)別。實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品從種植到餐桌的安全狀況。
在RFID 技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用過程中,項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn):RFID 標(biāo)簽粘貼的位置、讀寫器天線的位置、以及標(biāo)簽的方向、與讀寫器天線的距離與方位,對(duì)標(biāo)簽信息的讀寫效果影響都很大[10]。同時(shí),由于RFID 標(biāo)簽與讀寫器通信使用的是無線射頻通道,無線射頻通道具有不穩(wěn)定、易干擾的特點(diǎn)。RFID 技術(shù)還不夠成熟。如何克服這些因素的影響,提高RFID 的使用效率,是RFID 在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究要解決的關(guān)鍵問題。
RFID 系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽RFID 讀卡器和及天線,價(jià)格成本都很高。與普通的二維碼標(biāo)簽進(jìn)行對(duì)比,電子標(biāo)簽的價(jià)格是二維碼標(biāo)簽價(jià)格的幾十倍。加上管理軟件的升級(jí)和維護(hù)的費(fèi)用,使農(nóng)民難以接受。
隨著集成電路制造技術(shù)以及RFID 技術(shù)的快速發(fā)展,電子標(biāo)簽成本有望下降,預(yù)計(jì)2019年,單體標(biāo)簽的平均價(jià)格將達(dá)到1 美分,其中高容量、有芯片、數(shù)據(jù)讀取快、安全性高的版本約為 4 美分,而無芯片的版本僅為 0.4 美分[11]。隨著電子標(biāo)簽價(jià)格的下降,RFID 在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。
RFID 技術(shù)要求每一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品都粘貼上RFID 電子標(biāo)簽,然而,電子標(biāo)簽畢竟是電子產(chǎn)品,讀寫器和標(biāo)簽的所產(chǎn)生的電磁輻射及材料釋放物對(duì)空氣、水、植物和動(dòng)物等都有影響。特別是進(jìn)行遠(yuǎn)距離應(yīng)用的RFID 標(biāo)簽,其電磁波輻射對(duì)公共通信的影響是需要人們注意的問題[12]。
隨著RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,必定會(huì)大量的使用電子標(biāo)簽,若不對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行多次的讀寫,對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行回收利用,勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染。因此建立一個(gè)確保 RFID 標(biāo)簽有效回收與利用的管理體制,是解決RFID 對(duì)環(huán)境污染的有效方式。另外,可以對(duì)同品種、同批次、同品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品,進(jìn)行裝箱銷售,減少RFID 標(biāo)簽的使用,降低對(duì)環(huán)境的污染。
當(dāng)前,隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,信息的安全問題越來越受到人們的關(guān)注。同樣,在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中,電子標(biāo)簽內(nèi)的大量信息以及用戶的私人信息如何加密,如何得到安全的保護(hù),成為了當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)。RFID 系統(tǒng)本身的安全問題可歸納為隱私和認(rèn)證兩個(gè)方面:在隱私方面主要是標(biāo)簽內(nèi)存取的信息可追蹤性問題,即如何防止攻擊者對(duì)RFID 標(biāo)簽中存取的信息進(jìn)行任何形式的跟蹤;在認(rèn)證方面主要是要確保只有合法的閱讀器才能夠與標(biāo)簽進(jìn)行交互通信[13]。目前通過Kill 命令機(jī)制、靜電屏蔽機(jī)制以及對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行加密處理,能夠一定程度上解決電子標(biāo)簽的信息安全問題。
提高RFID 標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)的兼容性,是RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?;年P(guān)鍵因素之一。RFID 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題日益成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。RFID 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題主要有4 類:技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如符號(hào)、射頻識(shí)別技術(shù)、IC 卡標(biāo)準(zhǔn)等);數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)(如編碼格式、語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)等);一致性標(biāo)準(zhǔn)(如印刷質(zhì)量、測(cè)試規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn));應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(如船運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等)[14]。其中編碼標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議是構(gòu)成RFID標(biāo)準(zhǔn)的核心。目前3 大標(biāo)準(zhǔn)組織(美國(guó)EPCglobal、日本UID 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO)已經(jīng)建立了ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)已于2006年發(fā)布了《中國(guó)射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)政策白皮書》,成為了中國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的里程碑。
RFID 電子標(biāo)簽的應(yīng)用前景非常廣闊,就目前應(yīng)用情況來看,還沒有不成功的,只有不成熟或不適[15]。雖然RFID 技術(shù)還存在成本、技術(shù)、環(huán)境、信息安全和標(biāo)準(zhǔn)化等問題,但隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展,RFID 的成本會(huì)不同程度地下降,技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)度也會(huì)不斷改善, RFID 技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用已是指日可待。因此,
[1]李道亮. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M]. 北京:科學(xué)出版社,2012.
[2]李彥明. 無源超高頻電子標(biāo)簽(UHF RFID)芯片天線與整流系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 天津:天津大學(xué),2007.
[3]羅春彬,彭 龑,易 彬. RFID 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]. 通信技術(shù),2009,12:112-114.
[4]孫 曄,王艷秋. RFID 射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電大理工,2009,(1):12 -14.
[5]陶君成,初葉萍. 中美農(nóng)產(chǎn)品物流的分類比較[J]. 經(jīng)濟(jì)社會(huì)體制比較,2010,(1):187-190.
[6]周 朝,杜 錚,李良鵬. RFID 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2012,(1):5-9.
[7]宋豫曉,喬曉軍,王 建,等. RFID 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)展望[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2010,(10):1-5,10.
[8]青果物EID 商會(huì). RFID 技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品流通中的應(yīng)用試驗(yàn)[J]. 物流技術(shù)應(yīng)用,2005,(12):38-48.
[9]袁勝軍,黃立平,詹錦川,等. 射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)在蔬菜供應(yīng)鏈中的應(yīng)用研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,(6):1069-1070.
[10]Raghu D, Dr P H. RFID Forecasts, Players and Opportunities 2009-2019[EB/OL]. http://www.idtechex.com/research/reports/rfid-forecastsplayers-and-opportunities-2009-2019-000226.asp.
[11]吳功宜,吳 英. 物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論[M]. 北京:機(jī)械出版社,2012.
[12]葉執(zhí)東. 無線射頻識(shí)別系統(tǒng)( RFID) 在農(nóng)產(chǎn)品的應(yīng)用之簡(jiǎn)介[J]. 農(nóng)政與農(nóng)情,2005,(5):40-45.
[13]李桂林. RFID 電子標(biāo)簽安全問題研究[J]. 電子世界,2011,12:59-61.
[14]李泉林,郭龍巖. 綜述RFID 技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J]. 中國(guó)電子商情(RFID 技術(shù)與應(yīng)用),2006,(1):51-62.
[15]管會(huì)生. 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2009.