（通信与信息系统专业论文）基于rfid中间件的食品追溯系统的研究和实现.pdf

摘要 随着食品供应的国际化和全球化，食品生产的供应链环节和要素急剧增长， 也随之带来了众多的不安全问题。由于食品的不安全因素存在于食品的生产加 工，包装运输以及销售整个生命周期中，而近年食品质量问题发生率持续增加， 严重影响了人们的身心健康和社会的稳定。消费者需要一个安全的食品追溯体系 框架来保证食品生产、加工、流通各环节的安全，建立安全可靠的食品追溯系统 成为食品安全管理的重要手段。 本文主要研究了基于中间件模块的食品追溯系统。在一个安全可靠的食品追 溯系统中，射频识别技术和中间件模块设计技术是其中的关键，因此，研究射频 识别技术和中间件技术有着重要的意义。 为了更好的了解食品追溯系统，本文对食品安全问题的国际背景和国内外的 发展现状进行了调研，对射频识别中的关键技术和读写器与电子标签之间的有效 通信进行了分析，还对世博会期间食品追溯体系的应用进行了研究和总结，为更 好构建食品追溯系统奠定了基础。 由于r f i d 技术优点众多，其在食品的安全追溯中也被越来越广泛的应用， 但是仍然存在一些问题，比如，读写器和标签数据格式的多样性导致数据不兼容， 传统的数据信息在共享方面的局限性和追溯链上各个企业的通信数据标准的差 异性等都进一步限制了食品安全追溯系统的进一步发展。而r f i d 中间件的出现 很好地解决了这些问题，它屏蔽了不同的硬件设备在数据格式方面的差异性，能 够共享实时有效的事件信息，解决了食品追溯发展的技术障碍。基于该体系结构 构建食品安全追溯系统，在保障追溯链上各企业之间实时有效的信息共享的同时 还降低了食品企业r f i d 的维护费用和应用的投入。 基于中间件的发展背景，本文对分层的r f i d 中间件体系结构进行了改进， 设计了用于追溯系统的基于分层的中间件模型，根据分层的中间件模型实现屏蔽 不同设备的差异性的功能。并且依照一定的协议规范筛选、过滤冗余数据，通过 提取语义信息加强处理复杂事件的能力，通过发布一订阅模型还可以实时有效的 共享信息。 t 论文给出了食品追溯管理系统设计的新思想，设计实现了食品出入库管理和 手持设备管理单个食品等功能。追溯链上的每个食品都贴有唯一l d 编码的r f i d 电子标签，通过出入库的操作，食品在生产、加工、运输、销售等各个环节，电 子标签和r f i d 读写器进行信息的交流和传递，通过与数据库相连，自动的信息 传递代替了工作人员手动记录食品出入口库的操作，而且中间件模块可以识别不 同型号的r f i d 标签，无需更改数据结构和接口设计，只需由电子标签的i d 编 号就可以通过查询终端查询各类食品的信息，能够更加安全高效的对食品安全问 题进行管理。 关键词：射频识别，读写器，电子标签，中间件，追溯系统，冷链 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e r n a t i o n a l i z a t i o na n dg l o b a l i z a t i o no ff o o ds u p p l y , t h er a p i di n c r e a s e o fs u p p l yc h a i na n df a c t o r sa r ec o m i n g , f o l l o w e db yt h ef a c t o r si ni n s e c u r i t y b e c a u s e t h ei n s e c u r ef a c t o r sa r et h r o u g h o u tt h ee n t i r el i f ec y c l eo ff o o d , f r o mp r o d u c t i o nt o p r o c e s s i n g , p a c k a g i n g , s t o r a g e ，t r a n s p o r t a t i o na n ds a l eo ft h ee n t i r ep r o c e s s ，i nr e c e n t y e a r s ，d o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a lf o o ds a f e t yc r i s e sh a v eo c c u r r e d f r e q u e n t l y , a f f e c t i n gp e o p l e sh e a l t ha n ds o c i a ls t a b i l i t y f o o ds a f e t yi s s u e sc a u s ew i d e s p r e a d c o n c e r ni nt h ew o r l d ；c o n s u m e r sn e e das e c u r ef r a m e w o r kf o rf o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e m t oe n s u r et h es e c u r i t yo fv a r i o u sa s p e c t so ff o o di np r o d u c t i o n , p r o c e s s i n g , d i s t r i b u t i o n a n ds oo n e s t a b l i s h i n gs a f ea n dr e l i a b l e f o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e mb e c o m e sa n i m p o r t a n tm e a n sf o rf o o ds a f e t ym a n a g e m e n t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ef o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e mb a s e do nm i d d l e w a r e m o d u l e i nas a f ea n dr e l i a b l ef o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e m ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g no fm i d d l e w a r em o d u l ea r et h ek e yt e c h n o l o g i e s ，t h e r e f o r e t h es t u d y i n go fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm i d d l e w a r et e c h n o l o g y h a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i i i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ef o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e mb e t t e r , t h i sp a p e rs t u d i e st h e d e v e l o p m e n ts t a t u s0 1 1f o o ds a f e t yi s s u e si nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lb a c k g r o u n d a n dt h e ni t a n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o na n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r o n i cl a b e la n dr e a d e r a l s oi tr e s e a r c h e sa n d c o n c l u d e st h ea p p l i c a t i o no ff o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e md u r i n gt h ew o r l d e x p o t h e s e w o r k sb u i l das t a b l ef o u n d a t i o nf o rab e t t e r u n d e r s t a n d i n go fr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n db u i l d i n gf o o dt r a c e a b i l i t ys y s t e m b e c a u s eo fm a n ya d v a n t a g e so fr f i dt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fr f i d 。 b e c o m e sm o r ew i d e l yi nf o o ds a f e t yt r a c e a b i l i 够h o w e v e r ，r f i dl a b e l sa n dr e a d e r s a r en o tc o m p a t i b l ea n dd i v e r s i t y , t h ed a t as t r u c t u r e so ft h ee n t e r p r i s e si nt r a c e a b i l i t y c h a i na r ed i f f e r e n t , t h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o ns h a r i n gh a sac e r t a i nl i m i t a t i o n t h e s e i s s u e sr e s t r i c tt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tf o rr f i dt e c h n o l o g yi nv a r i o u sa s p e c t so ff o o d s a f e t yt r a c e a b i l i t ys y s t e mi nac e r t a i ne x t e n t t h ee m e r g e n c eo fr f i dm i d d l e w a r e s o l v e st h e s ep r o b l e m s ，w h i c hc a l lm a s kt h ed i f f e r e n c eo fd a t as t r u c t u r e sb e t w e e n d i f f e r e n th a r d w a r ea n dp r o v i d er e a l t i m es h a r i n go fe v e n ti n f o r m a t i o n i th a sb e c o m e t h em o s tu s e f u lw e a p o nt h a ts o l v e st h eo b s t a c l e so fr f i dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h i s a r c h i t e c t u r et ob u i l df 0 0 ds a f e t yt r a c e a b i l i t ys y s t e m ，w ec a nr e d u c et h ep u to fr f i d a p p l i c a t i o n sa n dm a i n t e n a n c ec o s t sf o rf o o dc o m p a n i e s ；a l s oc a n e n s u r er e a l t i m ea n d e f f e c t i v es h a r i n go fi n f o r m a t i o ni nt r a c e a b i l i t yc h a i ni nv a r i o u sa s p e c t s b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fm i d d l e w a r e ，t h i sp a p e ri m p r o v e s l a y e r e dr f i dm i d d l e w a r ea r c h i t e c t u r e , a n dd e s i g n sm i d d l e w a r em o d e lo nh i e r a r c h y t h a tu s e di nt r a c e a b i l i t ys y s t e m t h em i d d l e w a r eo nh i e r a r c h ys h i e l d st h ed i f f e r e n c e s o fd i f f e r e n td e v i c e s ，m a n a g e sd i s t r i b u t e dr e a d e re q u i p m e n t st o g e t h e r , a c c o r d i n gt o c e r t a i np r o t o c o lf i l t e r i n gr u l e s ，i tc a nf i l t e rr e d u n d a n td a t a ；o nt h eb a s i so ft h e s e ，t h i s p a p e re x t r a c t st h es e m a n t i ci n f o r m a t i o n , e n h a n c et h ec a p a b i l i t yo fh a n d l ec o m p l e x e v e n t ； u s i n gp u b l i s h - s u b s c r i b e m o d e lc a na l s os h a r ei n f o r m a t i o n t i m e l ya n d e f f e c t i v e l y i i i f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h eb a s i ci d e ao f t h ed e s i g nf o rf o o dm a n a g e m e n t , d e s i g n sa n di m p l e m e n t st h ef u n c t i o n so ft h em a n a g e m e n to ff o o do u to fw a r e h o u s e a n du s i n gh a n d h e l dd e v i c et ot r a c et h ef o o d e a c hf o o di sa f f i x e du n i q u er f i dl a b e l e n c o d e di di nt r a c e a b i l i t yc h a i n b yt h e o p e r a t i o no fi m p o r ta n de x p o r to ft h e w a r e h o u s e ，e l e c t r o n i cl a b e la n dr f i dr e a d e re x c h a n g ea n dt r a n s f e ri n f o r m a t i o ni n f o o dp r o d u c t i o n , p r o c e s s i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，s a l e sa n do t h e rl i n k s c o n n e c t e dw i t ht h e d a t a b a s e ，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o nr e p l a c e st h eo p e r a t i o n so fm a n u a l l y r e c o r d i n gt h ew o r ko ff o o di m p o r ta n de x p o r to ft h ew a r e h o u s e a n dt h em i d d l e w a r e m o d e lc a ni d e n t i f yd i f f e r e n tt y p e so fr f i dl a b e l sw i t h o u tc h a n g i n gt h ed a t as t r u c t u r e a n dt h ei n t e r f a c ed e s i g n w eo n l yn e e dt h ei dn u m b e rf r o mt h er f i dt oc h e c k v a r i o u st y p e so ff o o di n f o r m a t i o no nt h et e r m i n a lm a c h i n e , a n dt h i sm e t h o di ss a f e r a n dm o r ee f f i c i e n tf o rm a n a g e m e n to f f o o ds a f e t yi s s u e s k e y w o r d s ：r f i d ，r e a d e r , e l e c t r o n i cl a b e l ，m i d d l e w a r e ，t r a c e a b i l i t ys y s t e m ，c o l d c h a i n i v n a i s r f i d x m l h 竹p m q d e d a s 主要符号表 n a t i o n a la n i m a li d e n t i t ys y s t e m r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l m e s s a g eq u e u e d i s t r i b u t i n ge v e n td e l i v e r i n ga g e n ts e r v i c e 国家动物识别系统 无线射频识别技术 可扩展标记语言 超文本传输协议 消息队列 分布式事件代理服务 v i i 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景前言 第一章绪论 随着科技的进步和人民生活水平的不断提高，食品安全问题已经成为人们关 注的生活热点，但是，当前的技术使消费者很难获取食品各个环节的信息，而食 品的可追溯体系作为保障食品安全和质量管理的快速有效的途径，已经逐渐受到 各国政府和消费者的关注。研究并且开发一套系统，基于电子标签识别，实现食 品从田间到餐桌的可追溯性，不仅可以提高生产者的可信任度，增强消费者和生 产者之间的信息互通，而且还能够完善国家食品的监管系统，维护国家在食品安 全方面的信誉度。 1 9 9 6 年世界卫生组织定义食品安全为：按照食品原本的用途对其制作加工 以及使用时不会让消费者的身体健康受到伤害，在食品的生产加工或消费环节中 没有加入有毒害的物质，保障人体正常使用时不会遭受慢性或急性的危害，不仅 包括摄入者还包括对其后代的影响【l 】o 但是由于近年来食品供应链的不断增加，不安全因素贯穿食品制造的整个周 期，从生产到加工，包装，储存，运输和销售每个环节，导致食品安全问题频繁 发生，严重影响社会的稳定和人们的身心健康。建立包括食品从生产到消费者手 中各个环节的追踪系统对解决食品安全问题尤为重要。 因此，近年有学者将食品安全重新划分为三类：数量安全、质量安全和可持 续安全 2 1 。食品数量安全主要指在数量上一个地区和国家能够创造满足民族基本 生存所需的膳食需要，食品数量安全是世界任何国家必须解决的首要问题，比如 各国粮食的安全供给问题，贫困地区的温饱问题。食品质量安全主要指在营养安 全方面，所供给的食品能够满足要求，保障食用人群的健康，在食品源是否有毒， 食品添加剂是否违规超标或有毒，食品在进入市场前是否被污染，食品标签是否 规范等方面做出一定的要求。食品的可持续安全主要考虑生态的可持续发展和环 境的质量，在确保保护自然资源和生态平衡的前提下，合理的利用资源，确保不 会因为人类的过度索取而破坏自然生产力和生态系统的完整，不仅能够提供给当 代人生命健康所需的食品，更能够保证人类后代的健康。 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 为了确保食品安全，获取品牌优势和竞争力并且重拾消费者信心，全球食品 行业和很多国家已经通过制定法律法规来指导企业建立行之有效的食品可识别 和追溯系统。 食品追溯系统，也称为食品的跟踪和追溯系统，己成为管理食品安全的有效 途径。目前还没有一个权威的定论来定义食品的可追溯性。联合国食品法典委员 会指出，食品的可追溯性表示食品在生产、加工、流通等环节中的任何指定阶段 都能够被追溯查询的能力。而欧盟委员会给出了另一个定义，指在食品的生产、 加工和销售全过程中，所用的原料、饲料、或其中可能使用的物质都可以发现并 且可查询其踪迹的可能性【3 】。 1 2 国际发展现状和标准 食品追溯系统最初起源于欧盟，是欧盟为了控制疯牛病的发展在1 9 9 7 年提 出来，旨在加强食品安全的信息传递，控制食品根源性危害和保障消费者合法权 益的信息记录追溯体系。2 0 0 0 年1 月，欧盟公布了食品安全自皮书，提出了食 品安全体系的新框架，要求从2 0 0 5 年起在欧盟地区销售的食品必须要有可追溯 系统，不具备此条件的食品禁止进出口【4 】。同年，欧盟出台的新牛肉标签法规中， 要求自2 0 0 2 年1 月1 日起，在欧盟地区销售的牛肉产品中必须在标签上标明所 用牛的出生地、饲养地、屠宰场和加工厂等信息。多数欧盟国家已经实施了强制 性的牲畜和肉类产品追溯系统。欧盟还计划实施名为t r a e e f i s h 的计划，主要目 标是研究水产品供应链的可追溯性嘲。 目前，大多数农业发达国家都在积极的实施食品安全可追溯系统，虽然侧重 点不同，但是都相继出台了相关法律法规以保障食品安全。 2 0 0 2 年6 月，加拿大联邦政府计划在2 0 0 8 年之前实现全国8 0 的农产品的 可追溯性，以支持“加拿大品牌战略计划，其中关于牛和牛肉的识别系统于 2 0 0 2 年7 月1 日起强制性执行生效【6 】。2 0 0 3 年1 2 月，美国出台追踪食品安全的 法规，要求所有涉及食品运输、销售和进出口企业，产品的贸易信息必须能够追 踪【刀。此外，美国政府要求到2 0 0 9 年底7 0 的牛产品的信息要包含在n a i s ( n a t i o n a la n i m a li d e n t i t ys y s t e m 国家动物识别系统) 项目中【s 】。日本政府于2 0 0 3 年6 月通过新法例牛只个体识别情报管理特别措施法，强制要求实现从农场 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 到零售的牛肉类食品全链追溯系统，该系统允许消费者通过在互联网上输入牛肉 包装盒上的识别码获取牛肉的所有信息，2 0 0 4 年底，几乎每块牛肉都实现了其 信息的可追溯性，包括牛肉的产地、品种、生产加工销售信息、屠宰信息、运输 信息等。同时，日本也开始了其他产品追溯的研究，包括粮食等农产品认证制度 等【9 】。 1 3 国内发展现状和标准 我国在食品安全追踪方面的理论和实践发展起步较晚，近年来循着制定制度 研究试点完善制度的脚步，我国在食品追溯方面的发展也初见成效0 0 l 。2 0 0 3 年，国家物品编码中心针对我国追溯标准不规范的现状，同时参考国际物品编码 协会的相关规则，出台了牛肉产品跟踪与追溯指南食品安全追溯应用案例 集水果、蔬菜跟踪与追溯指南，随即在全国各地相继开展了“条形码推进工 程”的相关试点工作【l l 】。 2 0 0 4 年4 月，国家食品药品监督管理局和其他七个部门联合选择了肉类行 业作为试点行业，开始了对肉类产品可追溯性的机构建设和系统实施。主要任务 包括：发展适当的技术标准和管理规范，发布了肉类产品的跟踪和追溯系统跟 踪指南和新鲜产品跟踪和追踪指南0 2 。同年6 月，国家条形码管理部门调 查了对蔬菜管理的可追溯性，并在山东寿光市蔬菜生产基地引入蔬菜管理追溯项 目。该项目运用电子拍卖和电子商务，成功控制了食物源头的质量安全，执行了 市场入口、食品标识和食品召回等标准，建立了一个无公害的蔬菜追踪系统【1 3 】。 2 0 0 8 年8 月北京奥运会期间，通过实施了完整的食品供应链追溯系统来确 保食品质量安全，为奥运会提供了放心的食品。上海世博会期间，引入进口食品 质量安全监测追溯系统，以保证游客所用食品的安全【1 4 】。 2 0 0 9 年6 月1 日起实施了食品安全法，法规中规定食品在从生产到进入 市场中的每个环节都需要记录信息，以便商品流通到市场后出现问题及时召回。 实施条例作为食品安全法的配套条例使用，更确切规定了食品安全的第 一责任人应该是食品的生产经营者。其中还要求生产企业如实认真记录食品生产 整个周期的各项信息数据，记录要保持两年以上。食品零售批发业主同样要认真 记录其销售的食品来源，具体名称，购货者信息等，记录、票据等同样要保持至 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 少两年。食品安全法和相关条例的实施为之后制定更加详细的国家标准提供 了借鉴【1 5 1 ，也为我国食品追溯系统的发展提供了相关法律保障。 同年底，由中国物品编码中心组织编制的两项标准食品追溯信息编码与标 识规范与食品可追溯性通用规范通过审核【1 6 】。其中，通用规范中规定 了食品追溯管理的基本规则和要求以及详细的追溯过程，溯源单位应该采集并记 录好追溯信息，每个环节共享数据信息，适用于建立和管理各类食品追溯系统。 编码与标识规范制定了追溯信息的编码结构应尽量采用国际标准或国家标 准，如何标识数据结构和载体等。从事食品生产、加工、运输、销售等各个环节 的企业或个人，都可以依照这两项标准参与食品的安全追溯，消费者也可以提出 请求对相应食品进行追溯。2 0 1 0 年完成的猪肉可追溯体系基本要求农产品 追溯信息系统设计指南肉与肉制品的射频识别( 1 心l d ) 追溯技术要求等标 准【1 7 】，加上之前出台的多个食品安全追溯系统的规范和标准，标志着我国在食品 追溯安全管理体系方面的建立和发展日臻完善和走向成熟。 1 4 本课题研究的内容和安排 本文通过对食品安全问题的分析和近几年国内外食品安全追溯系统的发展 现状和标准的学习和总结，分析了已有的食品追溯系统的不足，学习了中间件系 统在食品追溯系统中的应用，并设计实现了基于中间件的食品的出入库管理。本 文内容共分为5 章，各章节安排如下： 第一章绪论，主要介绍了食品安全问题的国际背景，国际和国内的发展现状 以及标准，并对食品追溯系统进行了简单的背景介绍。 第二章对食品追溯系统中的关键技术一射频识别技术进行了详细的讲解。对 传统的条形码和电子标签优缺点进行了比较分析，并介绍了世博会期间食品追溯 系统在食品安全方面的应用。 第三章主要介绍了中间件技术应用于食品追溯系统中。首先介绍了传统的追 溯系统的缺陷和局限性，根据这种局限性，对分层的中间件追溯系统进行了改进， 加入语义事件的定义，实现高效安全的食品追溯。 第四章首先介绍了食品库房管理的基本思想，然后完成了基于中间件的食品 的出入库管理的系统设计和食品单品的出入库管理的设计，最后介绍了对于冷链 4 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 食品在追溯过程中的技术要求。 第五章对本文的工作做了总结，对系统的优缺点进行了分析，并对未来的发 展方向进行了展望。 1 5 本课题所需的软件硬件环境 该系统所需要的硬件主要有三个：9 1 5 m 的r f i d 读写器、挂壁式操作终端、 r f i d 手持设备。本系统采用频段在9 1 5 m h z 的读写器，读写器和r f i d 电子标 签之间通过电磁耦合的方式实现能量的传递和数据交换【1 8 】。 本系统的挂壁式操作终端是一个工控式掌上电脑，采用微软w i n d o w sc e 操 作系统，它是类似掌上电脑的开放、可升级的3 2 位嵌入式操作系统。这样的系 统能够很好的整合现有的w i n d o w s 桌面技术和可携式技术。w i n d o w sc e 的内核 拥有3 2 0 0 0 个处理器的并发处理功能，每个处理可实现2 g b 虚拟内存寻址空间， 还能确保实时响应系统。因此开发人员能够融入更多应用程序，使得系统更加强 大智能化。 作为信息移动的重要搜集工具，手持设备内部包含了条码扫描、r f i d 读写、 w i f i 的通讯等多项关键技术。该手持设备采用a r m 构架，设计出类似w i n c e 效果的界面，具有极高的性价比和市场应用前景。 该系统所需要的软件系统主要是m i c r o s o f ts q ls e r v e r 和v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 作为广泛应用的一种关系数据库管理系统，具有其自身的 优势，比如，易用性、可伸缩性、良好的性能、适合分布式数据管理、能够与其 他软件很好的集成等特点。此数据库采用s q l 语言实现服务器与客户端之间的请 求传递和处理结果的传输。利用m i c r o s o f ts q ls e r v e r 实现本课题中食品数据库 的管理，通过与服务器终端连接，实现客户机一服务器体系，从而实现数据库的 入库查询等功能。 利用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 完成本课题中挂壁式操作终端和手持设备上的操作 界面的设计。v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 专业版包含一个满足嵌入式开发平台需求的集成 环境模块p l a t f o r mb u i l d e r ，并且提供了一个从设备层到应用层都便于使用的工 具，使整个开发链能够很好的融为一体。 5 上海师范大学硕士学位论文第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追 溯系统架构 2 1 射频识别技术基本原理介绍 无线射频识别技术，简称r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术，它是 这几年国内外飞速发展起来的一种技术，主要通过在物体上附着电子标签，由天 线的射频信号读取被追溯物体的标签来自动获取信息，无需手动操作，实现了非 接触式的识别【1 9 】，而且能够正常工作在各种恶劣的环境下。与传统的自动识别技 术相比，比如条形码、磁条( 卡) 、i c 卡等，r f i d 具有识别距离远，存储量大， 体积小，环境适应性强等优势【2 0 】。r f i d 技术已被广泛应用到各个领域，如铁路 交通监控，高速公路收费，追踪和追溯农产品，食品，医药，动物识别，防伪， 物流运输等。 当今，由于r f i d 技术众多优势，引起了越来越多的企业和学术单位去研究 和应用此技术。r f i d 电子标签应用于供应链管理，从生产、加工、包装、运输 到仓库存储、零售等实现食品的追溯，渐渐成为提高食品质量安全的重要途径。 世界各国都在扩大食品追溯的应用范围，比如，美国政府规定市场上销售的牛肉 类食品都要附带r f i d 标签，以便追溯查询【2 1 1 。我国多个省市通过实行在饲养猪 的耳朵上佩戴r f i d 耳标，随时记录猪的喂养饲料、病史、所用药物和检疫信息 等，来实施r f i d 猪肉的信息追溯系统。 2 2r f i d 的工作原理 r f i d 技术依据射频磁场发出的信号和电磁波的空间耦合、雷达的反射原理， 完成对待标识物品的自动识别瞄】。在连接信道内，信号交互和数据信息获取的具 体过程为，待追溯的物品上的定位标签会周期性地发出信号，当物品进入读写器 天线覆盖的区域时，r f i d 读写器就会接收到标签发出的信号，并且将信号传送 给上层服务器系统。定位服务器系统根据信号的强弱或信号到达时差判断出物品 的位置，如有需求可通过电子地图显示物品的具体位置。 6 上海师范大学硕士学位论文第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 在r f l d 标签和读写器之间形成射频磁场信号，它们之间主要有两种耦合方 式。 ( 1 ) 电感耦合：根据法拉第电磁感应原理，电子标签和读写器之间的通信连 接由空间中高频交变磁场来完成【2 3 】。电感耦合类型适用于非高频作业的短程 r f i d 追溯系统。主要工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。有效的作业 范围 l m ，通常工作范围在3 至 l o m 之间。 2 3r f i d 系统基本组成 r f i d 系统不仅可以识别静止的物体，还能正确识别运动速率比较高的物体， 并且能同时识别多个r f i d 电子标签。基本的r f i d 追溯系统由三部分构成：电 子标签，r f i d 读写器，定位服务器r 2 5 】。 2 3 1 电子标签 r e i d 电子标签是一种具有唯一d 编码的定位标签，又称为射频标签、数据 载体，表示特定的携带者；主要由耦合元件和芯片组成，附着在待识别的物体的 表面。电子标签大部分时间处于休眠状态，当进入天线作用区域后，电子标签向 读写器网络注册并接受管理，标签定时发送射频信号，读写器网络根据信号对标 签进行定位和采集信息。 电子标签可根据需求设计成不同的样式，比如，胸卡式、腕带式等，用于食 品追溯的电子标签一般为纽扣式【2 6 】。如图2 1 为电子标签的芯片图，每个电子标 签的芯片虽然只有几毫米，但是内部结构却相当复杂，且能够实现相当强大的功 能。 7 l 海师范大学硕士学位论文 第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 2 3 2r f i d 读写器 可调有源读写器( r e a d e r ) 又称为读出装置，通常情况下，其发送的频率就 是其工作频率，读写器常见的工作频段【2 7 】有4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z ， 使用全向内置天线设计，支持8 0 2 1 1 b 儋模式【2 8 】，并且提供了大容量缓冲器，最 高可存8 0 0 个标签数据集。通过内置的全向天线，r f i d 读写器可同时检测和识 别多个标签，从电子标签那里读取或写入物品信息，识别距离高达1 0 米【2 9 】。读 写器可设置为掌上型或是固定式以满足不同环境下的需求。图2 2 是常用的固定 型读写器的外观。 图2 - 2 r f i d 读写器 r f i d 读写器分为直接模式和缓冲模式。工作在直接模式下，读写器把数据 直接传送给实时主机系统。而在缓冲模式下，读写器正常接收和储存信息，形成 一个消息队列，当上层应用系统要求时才上传信息。缓冲模式下，一方面消息队 列对数据进行缓存，降低相邻时段数据流量过大而造成的通道阻塞或死机状态。 另一方面，在网络环境不好或不可用时，本地消息队列起到临时保存消息的作用， 上海师范大学硕士学位论文第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 一旦网络环境恢复，消息队列中的数据会被送往上层服务器，因而保证了r f i d 传输数据的可靠性。通过x m l 接口，消息队列服务器将消息队列中的数据消息 储存为x m l 文件。x m l 是一种通用数据格式，由生成数据源模块完成临时数 据到后台数据的转换【3 0 】。 图2 - 3 消思缓存原理 非接触式的r f i d 读写器是射频识别系统最主要的组成之一，典型的读写器 由三部分组成：高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元和读写器天线【3 l 】。在无 源的电耦合r f i d 系统中，最重要的部分是内置的天线，天线主要实现传递读写 器和电子标签之间射频信号。电子标签附在被识别物品的表面，其中的数据信息 以约定的格式保存。r f i d 读写器天线可发送一定频率的射频信号，形成一个磁 场辐射区域，当电子标签进入此区域后，采用电磁耦合的方式产生感应电流，从 而获得足够的能量。同时，电子标签发送自身编码等信息给读写器，读写器接收 数据信息解码后发送给后台应用系统，从而完成读写器和r f i d 标签之间内存数 据的读写操作和信息交互等【3 2 】。这个过程如图2 _ 4 所示： 图2 - 4r f i d 读写器与标签电磁耦合示意图 9 上海师范大学硕士学位论文第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 2 3 3 定位服务器 定位服务器主要实现以下功能：计算标签位置、标签管理、标签位置查询服 务和读写器网络维护等【3 3 】。 在监控管理中心安装了定位服务器系统，实现分析处理实时数据的功能。根 据读写器网络上传的信息，定位服务器可计算标签的位置并记录；同时可根据系 统需求提供局域网查询轨迹、历史位置服务。监控各个标签的实时状态，必要时 发出报警信号；实时监控读写器网络中的读写器，监测其工作状态与故障。 2 4 与传统的条形码技术相比较 纵观消费品的供应链显示，传统的程序仍然是最常见的景观。尽管这些程序 已经开始高度的被优化，它似乎仍然达到了一个技术上的极限。换句话说，削减 物流和全球供应链中个别处理过程的成本，即从生产者或制造商到最终的消费 者，是当前我们需要付出巨大的努力来完成的。尽管如此，人们仍然在不断寻求 更大程度的自动化以超越当前在生产、加工等方面的技术。这一创新研究对供应 商来说是一个更大的要求，而且是越来越严格的管理，这对于零售商和监管机构 来说都是巨大的挑战。基于这些因素，首先看一下一条供应链是如何操作的【蚓。 一个典型的供应链需要众多参与者共同完成一个复杂的活动，他们之间需要 协调合作和信息之间的交流，以提高产量和工作效率。每天数以百万计的运输单 元( 箱，盒，集装架，集装箱等) 在世界范围内被有限的管理，甚至缺乏控制， 不知道它们的实时状态( 对供应链的可视性) 。例如，c h e p ，世界上最大的集装 箱租赁公司，拥有超过2 8 5 万台设备，其中有超过2 0 0 万个木质货板 3 5 】。他们不 得不面对巨大的物流和经济问题提供实时的服务，而公司统计的一段时间内集装 箱或货板在某一地区的数量和会在该地区呆多长时间与实际数据之间的误差一 直存在。 仅在欧洲，每年数以百万计的集装箱物流供应链被处理。即使这些几百万个 木质集装箱可能被重复使用，每年仍需要重新大规模的生产。新鲜产品经过层层 包装最终形成成品，在每一阶段都会生成许多垃圾残品，而这些残品的多样性取 决于阶段性残留品的再循环【3 6 1 。事实上，欧洲每年都会产生上千吨多种多样的残 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章系统关键技术r f i d 技术和食品追溯系统架构 品。欧洲联盟意识到了这个问题，要求食品包装符合标准，减少或禁止使用包装， 回收及循环再使用所有的残留品，并让生产者负责废物处理、回收和循环再造的 成本。这些规则是一个可持续增长的关键，但是也造成了供应链的参与者的额外 成本。 此外，自从2 0 0 5 年一月以来还有另外一个重要的欧洲指令，即消费品的可 追溯性：它要求在一个产品的整个生命周期里，登记注册任何步骤，所用材料， 制造过程等。如果发现其中任何一个环节出现问题，必须尽快从市场召回。因此， 必须有一套有效的程序跟踪受影响的批次，达到绝对的保证。注册可跟踪的信息 必须保存几年，信息中包括收集，处理，存储和管理等。最后，基于卫生安全等 问题，易腐产品的温度控制供应链( 冷链控制) 是一个重要的问题。冷链管理要 求非常细致的温度控制和快速的反应，也就是说，需要精确、实时的信息显示何 时何地冷链被打破等问题f 3 7 】。在食品供应链的问题上，需要一个比较智能的供应 链系统，在各参与者之间提供自动化的合作和信息交流。 冷链控制和可追溯性要求增加集装箱以及其所携带的产品在运输等过程中 的可见度。因此，至少在一个有限的时间内实时的自动收集信息流，成为越来越 多的食品供应链的重点。然而，当前的数据获取技术是基于依附的条形码标签。 条形码技术是众所周知的一种廉价的解决方案。然而，扫描多个标签是一个缓慢 的、容易出错的过程。因此，无源r f i d 技术作为一个革命性的数据采集获取技 术应用于箱子或是产品上，得到了许多关注。相对于传统的条形码技术的局限性 【3 8 】，r f i d 应用于食品追溯和冷链控制中具有以下优点： 识别距离远、环境适应能力强。传统的条形码技术要求工作人员手持扫描 器对条形码信息单个扫描，这种方法既费时又麻烦，并且工作环境受到限制。而 r f i d 技术采取无源的r f i d 读写器，通过天线接收电子标签上的信号来获取数 据，数据采集工作自动完