李雪蔓,張 陽(yáng),何 淙,蘇亞軍,戴素明,李 娜,李大志

(1 國(guó)家柑桔改良中心長(zhǎng)沙分中心,長(zhǎng)沙,410000;2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,長(zhǎng)沙,410000;3 子長(zhǎng)市蔬菜開(kāi)發(fā)中心,陜西子長(zhǎng),717300)

一直以來(lái)果樹(shù)良種假冒的侵權(quán)現(xiàn)象泛濫,嚴(yán)重?cái)_亂了種苗市場(chǎng)秩序,急需加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)技術(shù)和手段的研發(fā),以凈化種苗市場(chǎng)[1-4],促進(jìn)種苗行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取其相關(guān)數(shù)據(jù)[5],具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、使用壽命長(zhǎng)、可在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。在國(guó)外,RFID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品溯源、物流管理、水果收獲、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理、監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[8-13],但其使用的硬件設(shè)備成本昂貴,芯片攜帶信息少,且側(cè)重于對(duì)電子芯片、閱讀器、植入工具、植入方式的單獨(dú)研究,缺乏對(duì)溯源系統(tǒng)的整體研究[14]。在國(guó)內(nèi),RFID技術(shù)多用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)、物流運(yùn)輸、軍用裝備、食品安全追溯等方面[15-20],在種業(yè)中的應(yīng)用尚處于摸索階段[21]。

本課題組前期研發(fā)出一套可對(duì)種苗身份信息溯源的系統(tǒng),包含電子芯片、閱讀器和植入槍3個(gè)硬件與1個(gè)用于溯源信息管理的軟件。電子芯片經(jīng)過(guò)5次迭代,外形較小(7 mm×1.25 mm);優(yōu)化了芯片的設(shè)計(jì),為全方向RFID天線;閱讀器UHF射頻發(fā)射功率為5～30 dBm,可調(diào)節(jié),充分考慮電子芯片與閱讀器匹配后,將閱讀器功率輸出設(shè)置為30 dBm。本研究主要對(duì)芯片植入種苗后的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

植物材料來(lái)自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)柑桔種苗基地。被測(cè)試硬件為電子芯片、閱讀器和植入槍。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 硬件測(cè)試 電子芯片:為驗(yàn)證莖粗對(duì)電子芯片信號(hào)強(qiáng)度的影響,對(duì)比芯片植入柑桔莖干前后讀取距離的變化。如圖1所示,在不同直徑(9、21、35、49和63 mm)的柑桔莖干上橫向垂直居中鉆孔,鉆孔深度為B[B=(A/2)+r,A為芯片長(zhǎng)度;B為鉆孔深度,r為莖干半徑],將芯片放入孔底,各植入9株,共計(jì)45株。

圖1 電子芯片植入柑桔成年樹(shù)橫切面示意

閱讀器:為測(cè)量閱讀器識(shí)別芯片的最大距離,將芯片橫向植入1年生柑桔容器苗(平均莖粗7.8 mm),待傷口愈合后,每株種苗隨機(jī)選擇4個(gè)方向并取任意角度,在距離芯片30 cm處為起點(diǎn),向內(nèi)移動(dòng)閱讀器,記錄成功識(shí)別的距離最大值,總計(jì)測(cè)試30株。

植入工具:為比較植入槍與嫁接刀、手電鉆植入芯片的工作效率,以1年生柑桔容器苗(平均莖粗7.8 mm)為材料,均在嫁接口上方5 cm處開(kāi)孔(口)。使用嫁接刀芽接植入芯片時(shí),將芯片放入切口內(nèi),用嫁接膜包扎。手電鉆與植入槍植入芯片時(shí),均橫向垂直居中鉆孔,將芯片放入孔內(nèi)。各植入方法均由相同的3個(gè)工人進(jìn)行植入,統(tǒng)計(jì)30和60 min內(nèi)各方法植入量,計(jì)算植入效率。

1.2.3 種苗溯源管理系統(tǒng)運(yùn)行 將柑桔種苗信息編碼寫(xiě)入電子芯片后,用植入槍將芯片置放到柑桔種苗內(nèi)。使用閱讀器采集柑桔種苗已植入芯片存儲(chǔ)的編碼數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)上傳至種苗溯源管理軟件后臺(tái),通過(guò)移動(dòng)端可查詢溯源管理信息。管理軟件包括信息錄入、信息查詢和信息管理三大功能。根據(jù)不同用戶功能,對(duì)種苗的品種信息、生產(chǎn)信息、銷(xiāo)售信息等錄入管理溯源。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子芯片信號(hào)強(qiáng)度

對(duì)比芯片植入不同莖粗(9、21、35、49和63 mm)柑桔莖干木質(zhì)部前后掃描成功識(shí)別的最大平均距離,發(fā)現(xiàn)芯片植入前后成功識(shí)別的最大平均距離差異不顯著,芯片在任意角度、距離10 cm內(nèi)均可確保被閱讀器成功掃描識(shí)別,即置入柑桔的莖粗達(dá)63 mm時(shí)電子芯片信號(hào)強(qiáng)度仍然是足夠的(見(jiàn)圖2)。

圖2 電子芯片植入多年生柑桔樹(shù)成功識(shí)別的最大平均距離

2.2 閱讀器讀取距離

用閱讀器掃描植入種苗的芯片,在讀取距離≤10 cm時(shí),識(shí)別成功率為100%;在10 cm<讀取距離≤15 cm時(shí),識(shí)別成功率為78%;在15 cm<讀取距離≤20 cm時(shí),識(shí)別成功率為30%;在讀取距離>20 cm后,不能被閱讀器識(shí)別(見(jiàn)表1)。另外,由于設(shè)計(jì)的RFID天線為全方向天線,從任意角度掃描,閱讀器對(duì)電子芯片的讀取距離無(wú)明顯差異。

表1 閱讀器在不同距離的識(shí)別成功率

2.3 不同工具植入效率

在60 min工作時(shí)長(zhǎng)內(nèi),使用嫁接刀、手電鉆和植入槍植入芯片的植入效率平均值分別約為1、2和4枚/min(見(jiàn)表2)。選用嫁接刀芽接植入芯片時(shí),因芯片容易滑動(dòng),用嫁接膜不易包扎,植入效率最低。選用手電鉆時(shí)植入效率高于嫁接刀,但柑桔種苗莖干呈圓柱形,表面較光滑,鉆頭不易定位到柑桔種苗莖干中間位置,打偏后破壞莖干周邊韌皮部組織面積較大。用植入槍可以快捷精準(zhǔn)地植入不同莖粗的柑桔種苗莖干中(見(jiàn)圖3)。

表2 嫁接刀的植入效率

圖3 采用嫁接刀(A)、手電鉆(B)和植入槍(C)3種植入工具植入芯片的場(chǎng)景

2.4 種苗身份溯源系統(tǒng)的應(yīng)用

2.4.1 后臺(tái)登陸界面 登陸界面根據(jù)用戶需求分為管理員、企業(yè)、種苗企業(yè)和政府四類(lèi)后臺(tái)管理用戶(見(jiàn)圖4),各類(lèi)管理用戶可以通過(guò)后臺(tái)錄入相關(guān)信息,進(jìn)行匯總查詢等管理。

圖4 種苗身份溯源管理流程及溯源系統(tǒng)相關(guān)界面

2.4.2 溯源系統(tǒng)查詢 使用手機(jī)連接閱讀器,若查詢成功,則顯示如圖4所示界面,顯示內(nèi)容包括:品種名、砧木類(lèi)型、嫁接時(shí)間、植入時(shí)間及地址等信息。種苗通過(guò)具有唯一編碼的芯片獲取了完整的“身份”信息,為種苗溯源提供基礎(chǔ)信息來(lái)源。

3 討論與結(jié)論

將電子芯片植入不同莖粗的柑桔材料中,使用閱讀器在不同距離掃描電子芯片,在距離≤10 cm的范圍內(nèi)成功率達(dá)100%,驗(yàn)證了電子芯片的信號(hào)強(qiáng)度和閱讀器的穩(wěn)定性;使用植入槍將芯片植入柑桔種苗莖干的效率可達(dá)4枚/min。以上3個(gè)硬件設(shè)備均達(dá)到預(yù)期效果。將掃描芯片獲得的信息上傳至管理軟件,即可實(shí)現(xiàn)種苗嫁接、生產(chǎn)、出圃、種植的全過(guò)程溯源,不僅能方便企業(yè)管理和政府監(jiān)管,還能重建種苗市場(chǎng)消費(fèi)者的信心。

國(guó)外研究使用的低頻硬件設(shè)備成本昂貴,芯片攜帶信息少,不能應(yīng)用在低價(jià)值的種苗中。國(guó)內(nèi)對(duì)RFID在農(nóng)業(yè)中的研究多應(yīng)用于豬、牛等家畜,在苗木產(chǎn)業(yè)中還未有施行。本研究開(kāi)發(fā)的超高頻芯片和閱讀器,既考慮到技術(shù)的可行性,又兼顧了經(jīng)濟(jì)的可行性,其中,芯片成本經(jīng)過(guò)5次迭代后僅為1.5元/枚。隨著5G技術(shù)的到來(lái),借助RFID技術(shù)推進(jìn)種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展,可以解決果茶等多年生作物種苗身份溯源困難的問(wèn)題,減少假冒等侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)象,為種苗的身份溯源與維權(quán)打假提供技術(shù)支持。柑桔種苗身份溯源系統(tǒng)有巨大的應(yīng)用前景。隨著開(kāi)發(fā)的芯片不斷迭代,以及溯源系統(tǒng)的不斷完善和升級(jí),其經(jīng)濟(jì)性、便捷性、實(shí)用性和穩(wěn)定性等將充分顯現(xiàn)。