王宇

曲阜师范大学 网络空间安全学院 山东 曲阜 273100

1 技术简介

1.1 射频识别技术

RFID射频识别技术，作为一种无线通信技术，又称为电子标签。与传统的条码扫描技术不同，RFID不需要扫描设备与标签进行物理或者光学接触，进入感应场中即可批量获取数据。该技术由标签、阅读器和天线构成，具备快速扫描、抗污能力强的优势[1]。

1.2 传感器技术

传感器技术作为知识密集型技术，在一切科学的生产试验过程中，特别是科技赋能的自动化导向养殖中，需要获取原始的一手信息，需要通过传感器转换为容易传输和处理的电信号。不同特点的敏感元件提供电子设备感知多变环境的可能，转换元件通过类人的感知特性将数据变换为处理设备进行存储转化的数字化信息。

产地作为整个溯源链条的起点，也是最为关键的节点。传统的管理方式为人工管理结合视频监控系统，在个体成长过程中，人为操作的内容过多且较为繁杂。果蔬类产品还需要控制光照、温湿度、土壤元素等因素，引入多种类的传感器实时测量监控环境变化情况，减轻工作人员的负担，且能获得较为精确的环境数据，自动存储与上传的特性，将数据中心中的各项指标进行对照与串联，实现环境的精准控制。

1.3 定位技术

随着北斗卫星组网的完成，构成了我国自行研发的北斗卫星体系。继全球定位系统GPS和俄罗斯导航系统GLONASS后，定位系统中集成了更为精确的北斗导航模块，提供全球范围内全天候、全天时的定位功能。

在室内无法用卫星定位的情况下，可采用红外线、超声波、射频识别、蓝牙、WIFI、ZigBee和超宽带技术进行室内精确定位，来追踪室内环境下的位置情况。

图1 系统技术框架

1.4 边缘计算、大数据与云计算

图2 数据技术关联

传感器数目激增，过程数据愈加庞大，常规的数据处理方式无法满足计算要求。融入大数据与云计算技术增强数据的分析处理效率。但是在传感器密布的体系中，数据体量与网络传输之间存在一定的矛盾，引入边缘计算，在靠近数据源头的传感器端进行智能高效的数据处理。

2 溯源过程方案设计

动物食品涉及畜牧养殖、检疫放养、屠宰加工、物流仓储和流通销售等环节，其从养殖场到餐桌的整个转换过程比其他种类的食品要复杂得多，因此完成整个溯源链条锁需要的信息涵盖面更广、信息量更大、追溯区域与时间转换频率更高。电子标签作为过程的记录者起到实时追踪记录的作用，传感器的存在更大程度上保证了环境变化的可控性。不同的流通环节对电子标签和传感器的要求不同，根据环境变化可以对不同种类的标签和传感器灵活选择。

图3 过程设计

（1）养殖场。在牲畜出生时进行打标，运用RFID的标签记录个体生长的详细过程数据，包括防疫、牧养等阶段，对于生长环境的监控结合多种传感器及视频监控系统完成[2]。

在养殖场阶段，每个牲畜出生后，数据库管理平台生成与之对应且唯一的标识码，并在食品安全数据中心进行信息的登记和备份，建立起个体信息数据库的入口。在个体成长的每个过程，包括饲料、免疫、检疫、称重等数据都分别通过管理平台记录在食品安全数据中心。在此阶段，动物养殖与植物养殖过程存在很大的区别，选择合适的记录工具尤为重要，常规的二维条码易受污染，易受破坏，且扫描识别有一定局限性，不适合多标签的录入。考虑多方面因素，将RFID标签作为溯源起点个体的信息载体更为合适，其感应识别、可重写等特点切合动物个体的生长环境，每个RFID标签和标识码一一对应，存放在数据库中。

在牲畜出生开始饲养时，安装上RFID标签，一般为耳标的形式，这些电子标签在牲畜一出生时就打在耳上，饲养员手持阅读器不断地设定、采集或存储成长过程的信息，从源头上根据过程数据对生产安全进行控制，同时记录牲畜在各个时期的防疫信息记录中。对于称重、饲养等固定区域的过程，采用加装固定阅读器的门式感应器对出入个体进行数据采集，在提升出栏速率与识别率的基础上，对数据异常的个体进行拦截筛查，保证无疾病的牲畜才能出栏。

（2）物流运输。在物流运输中，通过物流运输管理平台与食品安全数据中心对接，登记对应的物流信息。将RFID作为此过程的信息采集管理的唯一标识。此阶段运输的活体个体，为保证个体的健康状况，一般以公路运输为主，运输过程中不只对运输工具进行实时定位，还对每个个体进行实时监控。

（3）屠宰场。收购、屠宰、检疫时可以手持RFID读写器读取RFID标签中的过程信息，对每一个体的生长过程进行完全无遗漏的审查，确保其生长环境的安全无公害，并审核记录个体的健康数据。

屠宰场过程存在若干生产环节，根据牲畜的唯一标识对该过程进行流水线的监控，并将过程数据上传到数据中心。在此过程中，牲畜的完整个体进行归类分割，所对应的标识码也会在该阶段进行分割，分别对应不同的部分，为此添加对应的分割标识，称为屠宰标识码。将屠宰标识码与生产标识码建立对应关系，关联到数据中心的仓库，通过映射关系，可以基于生产标识码追踪到分割的肉类产品，也可以由每一个肉类产品追踪的先前的个体，从而完成该过程的溯源。

（4）冷链仓储。屠宰完成后进行冷链运输，对接屠宰阶段的肉类产品标识符进行数据管理。该阶段对流通和存放环境有严格要求，采用传感器对整体场景进行各项数据的监控。比如温度传感器实时监测确保运输和存储过程的温度不高于-18℃。同时应结合北斗和GPS定位系统，结合GIS，连接交通网络，自动搜索始发地道目的地之间的最优路径，选择更为高效的运输路径，排除因交通拥塞、天气突变带来的不确定因素。

（5）超市销售。加工完成的肉类食品摆上柜台，根据屠宰阶段产生的标识码对应加工完成的每一件商品，也可根据实际情况转换成对应的条形码。确保商品与屠宰码和养殖地的标识码建立起完善的对应关系。

（6）消费者。顾客进入商场购买商品，使用微信小程序扫描对应的条码即可获取商品信息，追溯到商品的产地源头，可以查询包括成长阶段所记录的所有数据。也可以查询在冷链和仓储阶段的存放数据，与数据中心对接，建立起系统的数据网络关联从产地到餐桌的每一个阶段。消费者可以根据查询的数据对有问题的商品信息进行维权以保证自己的合法权益[3]。

3 相关技术与实际应用分析

3.1 区块链与溯源融合

区块链会让更多的人参与整个信任链条，参与方越多，信息公开，其次，让信息形成共享信息链，由于区块链的去中心化和不可篡改性，溯源过程责任分明，链条关键节点清晰。将产地个体、防疫检疫组织、安全认证机构、食品加工销售企业、物流仓储企业等加入到区块链上，所有的数据一旦上链相互链接，记录将不能被改动，依靠不对称加密从根本上消除人为因素，从技术上突破了传统的溯源防伪系统信息不透明、数据容易篡改、安全性差、相对封闭等弊端和弱点。最后，信息登记智能化、非人工化。

区块链技术也被称之为分布式账本技术，其天然特性包括：公开透明，每个人均可参与数据记录，且链上信息无法被篡改，具有很强的可溯源性。一方面，基于区块链技术可以实现建立食品溯源体系的目标。一旦有食品安全事故发生，任何人均可回溯到每个交易节点，从而发现问题所在。另一方面，区块链技术提供了一种标准化的记账方式，统一食品从产至销的所有记账环节，进而切实实现食品溯源链条。

图4 溯源与区块链融合

3.2 RFID与条形码转换技术

当流通到食品环节，标签的形式根据所处场景需要变换其数据存储的方式，绝大多数食品属于低价值商品，由于数量巨大且标签信息的冗余性，在每一个单品上加载电子标签成本过高。在食品流通过程中，采用RFID技术与条形码技术结合来解决电子标签成本和自动数据采集效率之间的矛盾是一条可行的途径。由于RFID与条形码两者的信息存储格式不一致，RFID标签部分具有电子特性，而常规条码分为一维码和二维码，因其形式不同，识别方式和存储方式各不相同。因此需要兼容系统既能够转换电子标签存储格式到条形码格式，又能够将条形码存储格式转换成电子标签存储格式，并保证条形码与RFID标签上信息的关联性[4]。

图5 电子标签弯曲角度与识别率之间的关系

图6 电子标签-18℃下冷冻时间与识别率

4 结束语

食品安全问题愈发严峻，以物联网为基础的溯源策略进一步优化改进。基于智慧建筑的养殖地建设，将RFID应用于溯源过程的每一个阶段进行监控管理，搭载不同种类的传感器设备实时收集溯源数据，边缘计算与云计算数据中心融合，形成不可篡改的区块链链条，通过终端二维码扫描追踪每一个节点的关键数据，进而建立完整可追溯的溯源链条。