（控制理论与控制工程专业论文）基于rfid技术的食品安全关键技术研究.pdf

摘要 摘要 射频识别( r f i d ) 是一种新兴的自动识别技术，它的最大的特点是非接触 识别，能快速地实现多目标跟踪与识别，具有数据量大、保密性高、抗干扰能力 强、识别时间短等显著优势，近年来被广泛应用于许多领域。 食品安全问题是关系到国家发展和人民生命健康的重大问题，目前食品一般 采用条形码技术，该技术无法做到实时快速的获得大批量食品的质量信息，而且 其在流通环节上也无法提供食品所处环境信息的实时记录。因此论文详细论述了 基于r f i d 技术的食品安全系统，并对应用中的几个关键问题进行了研究： 食品安全系统网络与一般的r f i d 网络相比具有以下特点：1 由于食品的特 殊性使得食品从生产、流通、到售出需全过程监控，网络庞大，延续时间长；2 很 多食品对环境提出较高的要求，例如：温度、湿度、通风度、某种化学药剂的含 量要求等；3 需要存储较多的信息4 能够实现追溯管理，实现从上到下与从下 到上的追溯，以便食品出现问题时可以迅速找到食品的产地，或者知道某产地的 食品出现问题时可以迅速找到顾客，以最大程度减少对顾客的伤害；5 完善的 食品安全评估方法保证食品的安全。 根据以上食品安全系统的需求和网络的特点，论述了基于r f i d 的食品安全 系统网络架构的建立方法，完成了带有多种传感器的r f i d 网络架构和相应的硬 件组成及系统软件的选择等工作，实现了r f i d 食品流通领域数据处理食品安全 流通过程的开发工作。 食品安全系统中多个对象( 电子标签) 同处于读写器感应区域时会出现碰撞 问题。针对食品安全系统中对象数量大，需要辨识准确率高的特点，本文提出了 一种改进的二进制搜索防碰撞算法，该算法与传统的二进制搜索防碰撞算法相 比，不仅可以提高系统的可靠性，而且信道的利用率也大大提高，具有更快的标 签辨认速度和更高的标签辨认准确率，减轻了无线射频识别系统中防碰撞算法的 运行负担，适用于数量较大的物品辨识。 针对基于r f i d 的食品安全系统信息传输过程中面临的主要安全威胁及相应 的安全需求，提出了系统安全问题的解决方法一种基于h a s h 的安全协议的 广东工业大学工学硕士论文 设计方法。该方法有效防止重放攻击、假冒攻击、窃听攻击和位置跟踪，具有前 向安全，计算量低、成本低的特点，适合于大量射频标签的场合，能较好的实现 食品安全系统的数据传输安全工作。 关键词：射频识别；食品安全；防碰撞；安全协议；h a s h 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i 0f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i san e wt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o na n dd a t ac a p t u r e ( a i d c ) s u p r e m et y p i c a lo fr f i di sa n o n c o n t a c t l e s sa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e r f i dh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm u l t i t a r g e tt r a c ka n di d e n t i f i c a t i o n i t s a d v a n t a g e s ，s u c ha sa b u n d a n c eo fd a t ai n f o r m a t i o n ，h i g hs e c u r i t yo fd a t a ， g r e a ta b i1it yo fa n ti - e m i ( e 1e c t r om a g n e tici n t e r f e r e n c e ) a n ds h o r t r e c o g n i z i n gt i m ee t c t h i st e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r y ， p u r c h a s i n ga n dd i s t r i b u t i o nl o g i s t i c s ，t r a n s p o r t a t i o n ，v e h i c l e m a n a g e m e n t ，a n t i c o u n t e r f e i t i n ga r e a s ，b u r g l a r p r o o fc o n t r o la tg a t ea n d e l e c t r o n i cc u r r e n c y ，a n ds oo n f o o ds e c u r i t yi sr e l a t e dt od e v e l o p m e n to fc o u n t r ya n dp e o p l e sli f e a n dh e a l t h a tp r e s e n t ，b a rc o d eo ff o o disu s e d ，b u tt h a tc a nn o ta c q u i r e al o to fi n f o r m a t i o no ff o o d q u a l i t ya n dt h a tc a nn o tf u r n i s hr e a l t i m e r e g i s t e ro ff o o d c o n d i t i o n f o ri m p r o v et h es e c u r i t y o ff o o d ，t h e r e s e a r c hd e s i g n sam a n a g e m e n ts y s t e mo ff o o d ，t o g e t h e rw i t hi t ss t r u c t u r e s a n df u n c t i o n s ，b a s e do nr f i d ，a n dd oi n d e p t hr e s e a r c ho ns e v e r a lk e y q u e s t i o n si na p p l i c a t i o n f o o ds e c u r i t yn e t w o r kh a ss o m et r a i tc o m p a r i n gw i t hg e n e r i cn e t w o r k o fr f i d ：( 1 ) n e t w o r kh u g e n e s sa n dl o n g - t i m ec o n t i n u i n go ff o o ds e c u r i t yi s r e q u i r e ds i n c en e e d i n gw a t c hf r o mp r o d u c i n gt ow o r k i n go f fo ff o o d ：( 2 ) ag o o dm a n yf o o dr e q u i r ec o n d i t i o nw e l l ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ， a i r i n e s s ，c h e m is t r y c o n t e n t ，a n ds oo n ：( 3 ) m u c hi n f o r m a ti o ns h o u l db e m e m o r i z e d ：( 4 ) b a c k w a r dm a n a g e m e n tc a nb ea c h i e v e d ，w h i c hc a nr e d u c eh a r m t ob u y e r ：( 5 ) p e r f e c tm e a s u r eo fe v a l u a t i o na s s u r e st h es e c u r i t yo ff o o d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to ff o o ds e c u r i t ya n dc h a r a c t e r i s t i co fr f i d ， an e t w o r ko fs e c u r i t ys y s t e mi sb r o u g h to u t h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e i i i 广东工业大学工学硕士论文 n e t w o r kw i t hm a n i f o l ds e n s o r sa r ef i n i s h e d d a t ap r o c e s s i n ga b o u tf o o d c i r c u l a t ei sd e v e l o p e d a l lt a g st h a tr e c e i v er e s p o n s er e q u e s tc o m m a n df r o mt h er e a d e rr e s p o n d a l ；t h es a m et i m et ot h er e a d e r t h e r e b y ，t h ep r o b l e mt h a to n er e a d e rm u s t r e c o g n i z es e v e r a lt a g ss i m u l l ；a n e o u s l yh a p p e n s t h em e t h o dt os o l v et h i s p r o b l e mi st h ea n t i c o l l i s i o na l g o t i t h m t h es y s t e mt a k eab i n a r y t r e e s e a r c h i n ga n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ，t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c ean e w a l g o r i t h mb a s eo nt h eb i n a r y t r e es e a r c h i n ga n t i c o l l i s i o na l g o r i t h mt o i m p r o v et h ea b i l i t yo ft h es y s t e m s i m u l t a n e o u s l y ，t a gc o d i n g ，d a t a v e r i f y i n g ，a n dm u l t i a c c e s s ，a r e1 u c u b r a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n o p e r a t ea g a i n s ts e c u r i t ym e n t c ea n dr e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o no ff o o ds e c u r i t ys y s t e m sb a s e do nr f i d ：w eg i v eo n es o l u t i o n o fs e c u r i t yq u e s t i o n i t sk e yt e c h n 0 1 0 9 i e s ，s u c ha s ，s e c r e tk e ya l g o r i t h m ， s o m ek i n d so ft y p i c a ls e c u r i t yp r o t o c o l ，a r e1 u c u b r a t e di nt h e d i s s e r t a t i o n an e wd e s i g no fs e c u r i t yp r o t o c o lb a s e do nh a s h 一1 0 c ki s p r o p o s e d ，w h i c ha c h i e v e si 1 3r e p l a ya t t a c k ，c o u n t e r f e i ta t t a c k ， w i r e t a p p i n ga t t a c k ，a n dp o s i t i o nt r a c k i n g a n di th a sf o r w a r ds e c u r i t y ， i n1 0 w c o s t ，1 i m i t e dc o m p u t a t i o ns y s t e m ，s ot h i sp r o t o c o lc a nu s e di nt h e s y s t e mo fal a r g eo ft h et a g sa n dc a nr e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o nv e r yw e l l k e y w o r d s ：r a d i 0f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ：f o o ds e c u r i t y ： a n t i c 0 1 1 i s i o n ： c r y p t o g r a p h i cp r o t o c o l ：h a s hf u n c t i o n i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性! 声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：妖篝 指导教师签字： 2 口p g 年j , 目z o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 民以食为天，食以安为先。三尺餐桌虽小，但它事关千家万户的身体健康， 近几年来，诸如疯牛病、禽流感、口蹄疫、猪链球传染病、三聚氰胺食物中毒等 食品安全事件频繁发生，不仅给全球造成了巨大的经济损失，而且严重地危害了 人们的身体健康。 美国联邦政府每年拿出1o 多亿美元，用于食品安全的监管。然而，美国人 仍然十分担心本国的食品安全，这是因为，美国的食源性疾病仍然是一个重大的 公共卫生问题。美国每年约发生7 6 0 0 万食源性疾病感染病例，3 2 万余人住院治疗， 5 0 0 0 多人死亡，造成7 0 亿美元的损失。严重的食品安全问题已引起了美国国会的 高度重视心3 。 中国轻工业联合会副会长潘蓓蕾在“食品安全高层论坛”上透露，我国每年 食物中毒报告例数约为2 4 万人，但专家估计这个数字尚不到实际发生数的1 1 0 ，也就是说我国每年食物中毒例数至少在2 0 4 0 万人。由此可见，中国的食品 安全问题已日趋严重，已经成为危害人民生命和健康的严重问题1 。 食品安全问题已成为影响市场竞争秩序和出口、制约经济发展的重大问题。 据报道，我国近年来出口到美国、日本和欧盟等国家的牛奶、茶叶、蘑菇、肉类 等农产品和食品由于出现食品卫生问题，纷纷被进口国退货。货物被扣或退货不 仅使我国蒙受了巨大的经济损失，而且也使我国食品产品丧失了良好的信誉。 食品安全问题还影响到人们对经济和社会安全的预期，从而降低社会福利。 由于食品安全问题和每个居民的生活息息相关，频繁爆发的食品安全大案会影响 居民对于经济社会未来发展的预期，从而影响社会的长期稳定。同时，由于食品 安全问题时有发生，居民不得不将许多时间和精力花费在对于食品安全性的鉴别 上，这是社会资源的极大浪费，从而导致整个社会福利的下降。 目前，对食品供应链安全管理的手段还不是很多。传统的方法无法实现追 溯管理，某些食品行业中用到了条形码技术或i c 卡进行安全追溯，但这种方法 广东工业大学工学硕士学位论文 一般均采用人工方法近距离读取条码，无法做到实时快速获得食品的质量信息， 而且其在流通环节上也无法提供食品所处环境信息的实时记录。由于缺少食品流 通过程中的环境参数，仅根据保质期来对食品的变质程度所做的判定和实际情况 会有一定的差距。 r f i d 作为一种新兴的自动识别技术h 1 ，已经广泛应用于工业、物流、交通、 车辆管理、电子钱包、药品管理、物品防伪、门禁防盗、电子货币等诸多领域， 实现空间定位跟踪、普适计算、系统安防等多种功能哺。 和条形码相比r f i d 电子标签具有以下优点哺1 ：无可见性要求( 可以透过外部 材料读取数据) ；可以在恶劣的作业环境下工作，使用寿命较长；更大的读取距 离范围并且可同时读取多个电子标签；读、写数据所需的时间短，而且可以对内 部数据进行安全存取；存储容量更大，存储内容可变化( 具有数据升级及多次读 写能力) 。和i c 卡相比具有以下优点：无接触式通讯不存在机械触点磨损的情况， 大大提高了应用的可靠性；不必插拔卡，可以同时读取多个标签提高了使用的速 度 。 r f i d 技术为食品安全管理带来新契机哺3 ，若能妥善运用r f i d 的优势，将可 改善以往食品安全管理系统，最大程度的提高食品的安全程度，提高人们的生活 质量。 ， 一 鉴于食品安全的重要性和目前的食品安全管理体系还不能完全满足食品安 全的需求，本文提出了一种基于r f i d 技术的食品安全体系，从食品种养殖及生 产加工环节开始加贴电子标签，记录包括生产、运输、包装、分装、销售等流转 过程中的全部信息，能随时随地自动获得食品供应链上的信息，在流通过程中自 动识别目标对象并读写相关数据，并可自动判断食品是否安全。 但是r f i d 技术也存在一些问题，这些问题在一定程度上制约了其在食品安 全领域中的推广应用。 l - r fld 系统成本由于电子标签不可能像条形码一样便宜到可以基本忽略 成本呻3 。这是阻碍r f i d 系统在食品安全行业中发展中的瓶颈，因为食品行业中 的大多数商品的价格低且数量多，要真的做到单件产品都贴有r f i d 标签势必行 不通。 2 准确性方面由于液体和金属制品等对无线电信号的干扰很大n 引，而在食 品行业不可避免使标签处于一些特殊的条件下：如电子标签贴于饮料或有金属包 2 第一章绪论 装的商品上。这些情况下标签的读写性能和准确性会受较大影响。在识别距离上 由于无源标签可识别范围比较小，在货物尺寸比较大时会出现识别不了的情况 【1 i 】 o 3 在数据安全方面由于当前广泛使用的无源标签还没有非常可靠的安全机 制n 羽，无法对数据进行很好的保密，标签内的数据还容易受到攻击，易染传播 病毒，并且r f i d 芯片在读或者写数据的过程中都很容易被别人所利用n 引。 因此，r f i d 在食品安全领域今后的发展将主要朝着降低标签成本，开发多 功能标签，开发适合食品工业中特殊条件下工作的标签( 高温，高压，潮湿，辐 射) n 引，增加标签数据安全性，制定统一行业标准，开发与其他行业r f i d 系统 通信接口等方向发展n 钉。可以预见，在不久的将来随着r f i d 技术的不断改进和 人们逐渐积累的应用经验，r f i d 技术应用将日趋成熟n 引。 1 1 2 研究意义 安全的食品涉及到国家和广大群众的利益，而目前国内大部分食品的生产管 理基本处于人工管理或半自动化管理状态，管理相对落后，效率不高。如何找到 ，一种有效的跟踪、管理、追溯与评估方法来保证食品的安全，是目前亟待解决的 重要问题。 ，r f i d 技术在食品安全管理上有强大的优势n7 1 ：，非接触式自动识别技术( 标 签，读写器，天线) ；数据储存量大、可读写、穿透力强、读写距离远、读取速 率快、使用寿命长、环境适应性好而且是唯一可以实现多目标识别的自动识别技 术m 1 。 基于r f i d 食品安全系统，可以提高食品供应运行效率、提高食品安全程度、 实现食品生产流通的信息集成。同时，从根本上解决食品防伪、追踪、监控、溯 源的问题，完善食品的生产管理模式和提高中国食品企业的竞争力。 本设计的主要优势在于： 1 提出了基于r f id 和传感器的食品安全网络，能够及时、准确的采集食品的 信息，提高食品的安全评估质量，可以实现有效的食品跟踪、追溯。 2 有效的实现食品品质监控。在食品的加工和贮藏时，温度，湿度，时间， 等因素对食品品质影响很大，对这些因素进行实时记录分析就显得十分重要。 r f i d 技术与传感器技术相结合，可以感知周围物品和环境的温度、湿度和光照等 状态信息。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 节约了大量的人力、物力。相对于传统的条形码技术，可以实现远距离、 大批量信息的采集、传输； 4 食品辨认准确率高，食品数据传输完整。提出的改进的动态二进制算法不 仅降低系统运行成本，且能有效的实现食品数据的完整传输； 5 成本低、占用资源小。针对食品安全系统中数据安全传输问题，提出一种 安全、有效的基于h a s h 函数的算法。 1 2 国内外研究现状 r f i d 系统对于确保人们的食品安全，有效控制食源性疾病的爆发，以及排 除我国食品的出口面对进口国食品跟踪与追溯法律法规的限制等方面起到积极 的作用，其在食品行业的发展有着巨大的潜力n 引，同时也是促进食品行业自身 提高的强大推动力。在食品安全系统中基于r f i d 技术开发的系统主要有以下几 个方面： 1 食品品质监控由于食品在加工和贮藏时，温度、湿度、时间、细菌等因 素对食品品质影响极大，故对这些因素进行实时记录分析就显得十分重要。例如： 使用生物传感器与无线标签结合监测食品中含细菌的状况，结果表明该技术应用 于食品的品质监控极具潜力他们。a u b u r n 大学食品安全中心开发出能感应细菌的 传感器标签可以通过直接扫描标签测定食品是否被细菌污染心。 2 食品防伪伪劣食品不仅欺骗消费者，扰乱市场秩序，而且对人们的身体 健康造成危害。市场上伪劣食品以价格昂贵的名酒、保健品、名优特产居多。利 用射频识别技术防伪心羽，与其他防伪技术如激光防伪、数字防伪等技术相比， 其优点为：每个标签都有一个全球唯一的i d 号码且无法修改和仿造；读写器具有 不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性：数据安全方面可以写 入生产商独有的加密的编码；标签容易集成进各种商品里，因而大大提高伪造者 造假的难度和成本。美国食品药品监督局已经推荐使用r f i d 技术作为预防假冒 产品的措施之一。意大利著名的芯片和标签制造商l a b - i d ，研发了采用r f i d 技 术的新型葡萄酒瓶塞乜3 1 ，由于无线射频识别技术的可追溯性，葡萄酒制造商就 可以将每一瓶酒的惟一编码和其他相关信息写入瓶塞，并通过近距离射频通讯 心 ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，n f c ) 技术可以让消费者通过他们的n f c 手机获 得存储在瓶塞里面的葡萄酒信息，从而分辩真伪。中国科学院自动化研究所r f i d 研究中心提出了基于r f i d 技术的酒类防伪系统及方法，这套解决方案将r f i d 4 第一章绪论 技术应用于酒类及其他带有瓶盖的容器中，通过瓶体结构设计和后台认证系统实 现商品的防伪。该系统由经过特殊设计的瓶盖和瓶体、r f i d 读写器、通信网络 和防伪数据库服务器组成。当酒瓶被开启时，标签同时被破坏，从而防止酒瓶的 二次利用。消费者通过查看销售者读写器显示屏幕上的信息，便可判断该酒的真 伪。 3 食品的跟踪和溯源食品的跟踪和溯源乜朝是r f i d 技术在食品行业中的主要 应用方面，r f i d 系统可确保食品供应链的高质量数据交流，从而实现两个最重 要的目标：彻底实施“源头 食品追踪方案和在食品供应链中提供完全透明度的 能力。r f i d 系统可提供食品链中食品与来源之间的联系，确保食品来源清晰心引， 并可追踪到具体的动物或植物个体及农场，实现“从源头到餐桌的全程质量监 控和追溯心 。 在畜禽跟踪和溯源系统中首先要解决的是对动物进行识别。传统的识别方法 有：耳标、背标、项链、尾标、冻印、纹身、漆标和腿标等心引。这些识别方法应 用普遍但存在着一些局限，比如信息存储量少、读取不方便、不利于计算机数据 采集、信息追加困难、有些方法对动物造成一定伤害。使用r f i d 的动物识别与 跟在动物识别中使用r f i d ，代表了当前动物识别技术的最高水平。在动物身上 安装电子标签，并写入代表该动物的1 d 代码。当动物进入r f i d 固定式阅读器的 识别范围，或者工作人员拿着手持式阅读器靠近动物时，阅读器就会自动将动物 的数据信息识别出来。如果将阅读器的数据传输到动物管理信息系统，便可以实 现对动物的跟踪乜们。优良的r f i d 阅读器可以同时识别的电子标签数量多达3 0 0 多个口引。因此，使用r f i d 的动物识别与跟踪系统，能够用一个阅读器同时读取 多头动物( 带有电子标签) 的信息数据。因此，对动物的识别与跟踪能力大大提高， 非常适合用在对动物群的识别与跟踪，这是任何其它识别技术所不能做到的b 。 上海建立基于r f i d 的猪肉监控系统阳羽，该系统通过在猪耳朵上打上电子射频耳 标记录生猪的饲料、病历、喂药、转群、检疫等信息。 4 食品生产过程优化通过r f i d 标签标记食品生产过程中的加工对象，加工 工位和对该产品加工的工人，将流水线上的加工对象装上读写器。r f i d 用于加 工对象和加工工位的控制，可以保证产品的精确配方精细控制，提高产品质量 引。r f i d 对工人标记是为了产品出现问题的时候可以快速追迎到生产该产品的 工人。另外，r f i d 还可以快速查明产品不合格的原因，及时改进产品质量。德 广东工业大学工学硕士学位论文 国著名食品供应商l e b k u c h e ns c h m id t 在h e r m o si n f o r m a t i k 公司的协助下实现 食品制造配料流程r f i d 跟踪系统们并应用于面包制作过程中，工人通过读取贴 有r f i d 标签的混合罐来确保每炉烘焙的面包产品配料恰当、数量正确。部署后 系统运转正产，使公司产品质量大幅度的提高，不合格产品造成的支出大幅下降， 同时，该r f i d 系统使公司可以追踪获得所有产品的生产信息。意大利北部有9 4 家成员的p a r m e s a n 干酪制造厂成功地在自己的运营中引入了r f i d 芯片，在干酪 皮中嵌入r f i d 芯片可以独特地跟踪和更新每一块奶酪的状态，向奶酪的购买者 提供产品的真实性阳引。 5 食品物流管理食品在运输过程应尽量减少搬运次数，缩短运输时间，这 对于新鲜农产品和冷冻食品尤其重要阳6 1 。有资料显示，与条形码标签相比，r f i d 标签在货物提取识别效率上提高2 5 ，装货时间降低5 0 。通过保质期管理快 速识别存储在标签里产品的生产日期，从而保证早生产的产品早出库，同时也可 以方便快捷地分离出超过保质期的食品。运输企业和销售企业还可以掌握货 物的最新位置，并可防止盗窃、调包等问题。澳大利亚m o r a lt is 公司已采用r f i d 系统替代条形码管理其溶液培养番茄的运输销售，该系统能够为公司提供精确的 数据，包括包装的时间、地点、包装日期以及类别、品质及大小等引。加拿大 阿特拉斯冷冻仓储集团在其食品物流冷链在低温环境中广泛使用r f i d 系统，；不 仅降低了工人在低温中的劳动强度，而且大幅度提高了效率，促进了食品冷库和 冷链的经营管理一体化h 0 1 。 1 3 本论文的主要研究内容与结构 针对食品生产、流通、存储和销售中的食品的安全信息提取、食品的有效跟 踪管理、问题食品的追溯与食品评估数据库信息获取等问题，本文设计了基于 r f i d 的食品安全系统，在r f i d 实现过程中不可避免的会出现电子标签冲突h ， 以及标签信息泄露列等问题，妥善处理好这些关键问题可以使r f i d 系统更加稳 定和安全的运行。因此本文同时主要针对无线射频识别系统应用到食品安全管理 中的几个关键问题进行了研究，主要研究内容如下： 1 完成基于r fid 的食品安全系统的基本网络架构； 2 提出了一种解决食品安全系统中数据完整传输( 即防碰撞问题) 的新算法； 3 针对食品安全系统中数据安全传输问题，提出一种安全、有效、占用资 源小的算法； 6 第一章绪论 文章结构层次安排如下： 第一章介绍本课题的研究背景及研究意义。通过对国内外食品安全形式的 分析，说明提高食品安全管理的重大意义。进一步通过对食品安全管理现状的分 析及r f i d 优势的分析，阐述了r f i d 应用于食品安全管理的重大意义。 第二章根据食品安全系统的需求和特点，提出了基于r f i d 的食品安全系统 网络架构的建立方法，完成了带有多种传感器的r f i d 网络架构和相应的硬件组成 及系统软件的选择等工作，实现了r f i d 食品流通领域数据处理食品安全流通过程 的开发工作。 第三章食品安全系统中多个对象( 电子标签) 同处于读写器感应区域时会出 现碰撞问题。针对食品安全系统中对象数量大，需要辨识准确率高的特点，本文 提出了一种改进的二进制搜索防碰撞算法，该算法与传统的二进制搜索防碰撞算 法相比，不仅可以提高系统的可靠性，而且信道的利用率也大大提高，具有更快 的标签辨认速度和更高的标签辨认准确率，减轻了无线射频识别系统中防碰撞算 法的运行负担，适用于数量较大的物品辨识。 第四章针对基于r f i d 的食品安全系统信息传输过程中面临的主要安全威 胁及相应的安全需求，提出了系统安全问题的解决方法一种基于h a s h 的安 。全协议的设计方法。该方法有效防止重放攻击、假冒攻击、窃听攻击和位置跟踪， 具有前向安全，计算量低、成本低的特点，适合于大量射频标签的场合，能较好 的实现食品安全系统的数据传输安全工作。 1 4 本章小结 本章介绍分析了基于r f i d 的食品安全系统的选题背景及选题意义，总结了无 线射频识别( r f i d ) 系统的发展历程及其基本组成，其主要组成部分有读写器和标 签。结合国内以及国外情况综述了无线射频识别技术在食品生产、加工和流通过 程中的应用，并分析了国内食品安全现状和发展趋势。最后提出了论文的主要研 究内容以及文章结构。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章基于r f id 的食品安全系统的架构研究 2 1 引言 目前的食品工业，从食品的生产到最终被消费，需要经过一系列的加工、运 输和存储环节，任何环节出现问题，都可能使食品处于不安全状态，准确及时地 收集、加工、存储、利用这些信息，可以实现食品的安全管理、追溯和评估。本 章从食品安全系统的需求分析与特性分析出发，给出了安全系统的架构图，并分 析了完成该系统的方法步骤及所需的相应的软、硬件基础。 2 1 1 系统需求分析 基于r f i d 的食品安全系统主要目的是在食品的生产过程、检测环节和流通 环节通过对标签信息的记录、传递、交换和评估，实现供应链中食品原料、加工、 包装、运输、贮存、销售全过程的跟踪、管理和追溯，实现食品全生命周期的管 理。在实际应用中，食品安全系统有如下需求： 1 数据采集的需求系统的管理中一个重要的功能就是对数据的管理。我们 需要采集的数据包括食品的品种、来源、保质期、去向等信息。 2 食品的防伪和追踪防伪是食品管理的重要一环，我们设计的系统必须能 够实现食品防伪的功能；且能够追踪产品流通渠道，便于问题产品的召回和处理。 3 对食品的安全等级判定通过食品安全数据库和食品安全评估算法，不仅 能对食品在生产、运输和储存过程中的外界环境参数加以储存，通过分析还能对 食品的安全等级做出判定。 4 减少人工劳动，降低标签成本通过电子标签跟踪食品，可以在流通过程 中自动获取食品安全信息，减少人工劳动；通过在读写器上集成温度、湿度等环 境状况传感器，可以大幅减少存储在电子标签上的信息量，从而降低电子标签的 成本； 5 建立自动质量评估系统确保食品安全并提供销售建议。 2 1 2 系统特性分析 系统具有以下几方面的特性： 8 第二章基于r f i d 的食品安全系统的架构研究 1 有效性系统有效性包括两个方面：一是数据采集的有效性，必须保证数 据采集设备在露天的环境下能正常工作，数据采集不受环境变化影响；二是系统 工作的有效性，必须保证消费者可以及时、准确的了解食品的相关信息。 2 经济性系统的成本在食品安全系统设计中是一个极其重要的因素，必须 考虑降低系统成本，不能在食品安全性提高的同时，将系统成本大幅提高并转嫁 到食品的价格上。 3 信息化管理食品安全系统设计的目标是提高食品的安全管理水平，增加 食品的透明化管理。因此，整个系统将结合计算机技术、网络通信技术和无线通 信技术，实现系统的信息化管理。 4 非人工参与，批量读取信息。 2 2 基于r fid 的食品安全系统网络架构 2 2 1r fid 系统硬件组成 r f i d 技术的基本原理是通过读写器和粘附在物体上的标签之间的电磁耦合 或者电感耦合来进行数据通讯以达到对标签物品的非接触式自动识别。由读写器 发送指令到天线，由天线发送无线电波“扫描 射频标签，射频标签接到信号后 将数据信息返回成无线电波的形式，再由天线接收后解码成计算机可以使用的数 据。射频识别系统一般由以下二部分构成： 1 电子标签( 1 ) 电子标签的工作原理电子标签n 3 3 是可被识别信息的数 据载体，标签中一般保存有约定格式的数据。当系统工作时，读写器发出微波查 询( 能量) 信号，对于无源电子标签收到微波查询能量信号后，将其一部分整流 为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存 的数据信息调制( a s k ) 后反射回读写器。读写器接收反射回的幅度调制信号， 从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。从而完成电子标签的识别。图2 1 是典型的电子标签原理图，其电路可以分为：天线、检波电路、调制电路及数字 电路组成。 ( 2 ) 电子标签的种类电子标签可分为主动式和被动式标签h 。主动式标 签内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号 9 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 一l 电子标签原理图 f i 9 2 1s c h e m a t i co fe l e c t r i cl a b e l 传送的距离远。另外，主动式标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时 间和使用次数进行限制，它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的 地方，如一年内，标签只允许读写有限次。主动式标签的缺点主要是标签的使用 寿命受到限制，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小， 影响系统的正常工作。被动式标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工 作。被动式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区 域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，再经过整流电路给标签 供电。下表是两种标签的性能对比： 表2 - 1 主动式标签和被动式标签对比 t a b l e 2 1c o m p a r ea c t i v el a b e lw i t hp a s s i v el a b e l 主动( a c t i v e ) 标签被动( p a s s i v e ) 标签 能量来源自身电池供电，可持续通过电磁感应获取 供电 工作距离可达1o o m可达2 0 ，- - 4 0 m ，一般3 5 m 存储能量可达16 k 字节以上通常小于12 8 字节 信号强度要求低局 平均价格高 低 工作寿命2 4 年长 根据上表的对比，结合食品安全管理系统中每个流通环节所涉及的食品数量 可能比较大，且周围环境的参量也可能随时发生变化。因此本系统适宜选用读取 距离远的h f 频段或u h f 频段电子标签；由于降低成本的需求，我们可以选择被动 式可多次读写的标签来标识食品及其货箱，标签可以回收利用以降低成本。 l o 第二章基于r f i d 的食品安全系统的架构研究 由于本系统中传感器信息直接在读写器端打入数据包，因此电子标签中所储 存的信息量无需很大，只需存储由国家食品安全标准确定的唯一代码可以选择 低成本低存储量的电子标签。根据实际情况，不适宜在每件单件食品上嵌入电子 标签，因此选择在一个比较大的包装单位上粘贴一个标签如一头牛、一箱牛奶、 一筐海产品等。不同的包装形状和材质有很大的区别。具体的粘贴方式和粘贴部 位需要根据具体的包装而定，其原则是标签不易损坏、容易对标签进行读取。 2 读写器读写器一般包含如下几个重要组成部分：微波信号源、微波信号 调理电路、微波开关、检波电路调理、环形器、标准天线、标签信号调理电路、 数字信号处理器( 简称d s p ) 以及中央处理器h 钉等组成，如图2 2 所示。 微波开关 环形器 标签 图2 2 读写器工作原理图 f i 9 2 2s c h e m a t i co fr e a d w r i t ed e v i c e 其基本工作原理是：微波信号源产生的微波射频信号经过微波调理电路进行 放大和调制，将中央处理器的指令信息调制到载波上，并经过适当放大产生携带 指令信息的微波射频能量。微波射频能量通过电控微波开关经调理后直接进入检 波器进行检波，并经高速a d 采样送入d s p 芯片进行数字信号预处理以及存储。 然后，d s p 芯片将相关信息通过串口输送到中央处理器进行进一步处理，校准微 波信号的强度、显示标签处的场强值以及给出信号源的功率、频率等信息。其次， 微波信号源产生的微波射频能量也可以通过电控微波开关经过环形器后被标准 天线发射出去，照射电子标签，电子标签接收到微波射频信号后，将载有标签内 容信息的微波信号反射给标准天线。标准天线接收载有标签内容信息的微波信 号，经过环形器传送到检波电路进行检波，并经高速a d 采样、d s p 芯片进行 广东工业大学工学硕士学位论文 数字信号预处理( 如f f t 等) 来测量电子标签的电性能参数、解释电子标签的 内容信息、显示其相关的电性能参数，实现可视化读写器的各种功能。 在r f i d 系统中，读写器的频率决定了射频识别系统的工作频率。根据工作 频率的不同r f i d 系统分为低频、中频和高频系统。典型的工作频率为13 5 k h z 以 下、1 3 5 6 m h z 、4 3 3 m h z 、8 6 0 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 等。不同频率r f i d 系统的工作距离不同，应用的领域也有差异。低频段的r f i d 技术主要应用于动 物识别、工厂数据自动采集系统等领域；1 3 5 6 m h z 的r f i d 技术已相对成熟， 并且大部分以i c 卡的形式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域，工作 、距离 1 m 。较高频段的4 3 3 m h zr f i d 技术则被美国国防部用于物流托盘追踪管 理；而r f i d 技术中当前研究和推广的重点是高频段的8 6 0 9 6 0 m h z 的远距离电 子标签，有效工作距离达到3 6 m ，适用于对物流、供应链的环节进行管理； 2 4 5 g h z 和5 8 g h zr f i d 技术以有源电子标签的形式应用在集装箱管理、公路 收费等领域。考虑到食品安全系统的特点，食品的流通阶段管理系统中我们选用 高频段8 6 0 9 6 0 m h z 工作频率的固定式读写器，而在生产、零售环节选用工作频 率为1 3 5 6 m h z 的手持式读写器。 2 2 2 传感器的选择 r f i d 技术与传感器技术相结合，可以感知周围物品和环境的温度、湿度和 光照等状态信息，并利用无线通信技术方便地把这些状态信息及其变化传递出 来。在温度监控方面：日本n t t 公司开展了使用r f i d 技术保持酒质新鲜的试验， 通过严格监控运输过程中的温度变化来掌握米酒的品质变化。该公司将r f i d 标 签贴在米酒酒瓶上，标签中有内置的温度传感器，随时感应周围的温度变化并将 温度数据以无线通信方式发送到总控制台，从而判定酒能否保持新鲜品质。北美 最大的食品服务营销和分配组织s y s c o 公司已经完成低温储运系统的无线射频 和传感系统测试，试验证明r f i d 在食品运输过程中监控温度和环境条件的能力， 在保证食品品质和安全方面前进了一大步。f r e s h a l e r t 公司则将温度传感器和 定时器内置于r f i d 标签中，从而能够在食品腐烂无法食用时发出信号。德国k s w 公司研制出集成了温度传感器的r f i d 智能标签一一v a r i o s e n s 标签，该标签遵 循工5 0 15 6 9 3 3 空中接口协议，工作在h f l3 5 6 m h z 频段，可以测量7 2 0 个温度 值数据并调整存储在标签内存里的温度数据的类型和数据的保护等级。细菌监控 方面：o n g e t a l 使用生物传感器与无线标签结合监测食品中含细菌的状况，实验 1 2 第二章基于r f i d 的食品安全系统的架构研究 结果表明该技术应用于食品的品质监控极具潜力。a u b u r n 。大学食品安全