张志明，李建荣，王 辉

(河南牧业经济学院，河南 郑州，450046)

近年来，国内“注水肉”“瘦肉精”“毒火腿”等猪肉食品安全事件接连发生，引起了民众对猪肉生产安全的严重担忧[1]。我国猪肉生产的自动化程度低、有效监管不到位和生产可追溯性差等，使我国猪肉进出口出现巨大逆差。2016年和2017年我国分别进口猪肉162万吨和122万吨，成为世界第一大猪肉进口国[2-3]。猪肉安全事件频发和进出口的逆差，严重影响我国猪肉市场的稳定和食品安全，构建猪肉生产全程可追溯平台已成为当务之急。

欧盟于1997年建立了最早的可追溯系统，开创了食品追溯的先河[4]。随后，日本、美国、荷兰、加拿大和澳大利亚等国先后出台了食品安全相关法案，实施食品安全可追溯系统，食品安全追溯走到了世界前列[5-6]。与上述发达国家相比，我国的食品安全追溯起步较晚，自2004年起，我国颁布了《关于进一步加强食品安全工作的决定》等一系列相关文件，将食品安全追溯列为重点工程，组织专家并配套资金展开了系统研究。2008年，北京奥运会期间所用食品实现了全程监控和信息可追溯。2010年，我国开始在省会城市实施肉类蔬菜可追溯体系试点[7]。高永超等[8]研究了RFID应用标准在肉类食品生产的适用性；何玲等[9]运用物流网技术实现了生猪屠宰自动化监管；高绪等[10]采用北斗/GPS、RFID和GPRS等技术，实现了对病死猪无害化处理运输车辆的可追溯管理。

在猪肉生产全程可追溯平台中，运用RFID技术具有标签识别非接触、自动化和高安全性等优点，能够实现生猪养殖、屠宰、胴体分割和猪肉销售的全过程信息溯源，这也符合我国“互联网+”战略，有助于改善传统企业生产的自动化和信息化，提升食品安全可追溯水平，增强产品的国际竞争力。

1 RFID技术

RFID技术是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递的一种新兴自动识别技术。自1948年Harry Stockman发表《利用反射功率的通讯》奠定RFID理论基础以来，RFID技术经过了理论研究、实验尝试、标准制定和应用推广，已成为当下构建“物联网”的核心技术[11]。对比其它识别技术(如条形码、二维码、光学识别和生物识别技术等)，RFID技术具有工作环境要求低、抗干扰能力强、信息存储量大、自动识别准确率高和推广成本低等诸多优点。

图1 RFID系统构成结构图

RFID系统一般由标签、阅读器和天线三部分组成(如图1所示[12])，标签由耦合元件和存储控制芯片构成，存储了唯一识别目标的电子编码，并采用电感耦合、电磁逆散射原理与阅读器通信；阅读器是标签的读写设备，它通过天线向标签发送射频信号，并接收从标签返回的射频信号，经过处理传送给信息系统，阅读器除了可以单独作为标签读写设备外，还可作为功能模块嵌入到其它设备，通过接口与信息系统实现设备状态控制、信号编码与解码，以及标签防碰撞等功能，猪胴体分割管理子系统中的RFID称重器，就是利用这一特性而设计的。

2 平台架构设计

2.1 技术架构

该平台是基于WCF(Windows Communication Foundation，Windows通讯开发平台)和SOA(Service-Oriented Architecture，面向服务架构)设计实现的。SOA架构是由若干个具有统一接口和开放标准的组件，通过松耦合方式组合而成。系统中各服务可以采用统一的方式进行通讯，从而实现表现层和应用层的分离，以及系统各功能模块的独立开发[13]。

平台各环节的数据采集和管理由不同的子系统来完成，如生猪养殖环节由生猪管理系统借助RFID耳标实现，屠宰环节由屠宰管理系统借助嵌入挂钩中的RFID标签实现，胴体分割环节由企业的生产管理系统借助扎带式RFID标签实现，物流运输环节由物流管理系统借助包装箱内嵌式RFID标签实现，销售环节则由销售管理系统借助产品二维码实现。整个生产过程中的RFID标签环环相扣，又相互独立，子系统只需提供简单的接口，供开发人员调用即可，而开发人员则无需关心各系统的内部结构，从而简化了平台的实现。该平台的技术架构如图2所示。

图2 平台的技术架构图

2.2 应用架构

平台采用数据层、业务层和表现层三层软件架构，各层次间相对独立，支持技术开发，具有良好的灵活性和安全性[14]。其中，数据层由猪肉生产各环节的管理系统借助RFID技术自动完成数据采集，并及时上传至中央数据管理中心，为业务层提供数据支持。业务层处于数据层和表现层的中间，在数据访问过程中起到桥梁连接和业务请求规范性验证的作用。若消费者利用表现层的WEB信息查询功能溯源商品编码时，业务层首先要对商品编码和用户权限进行审核，然后将通过审核的访问请求发送至数据层，数据层完成请求处理后，再把结果通过业务层反馈给表现层的消费者，从而完成信息溯源。表现层是该平台的人机交互窗口，主要包含C/S结构的管理客户端、B/S结构的信息查询和基于移动网络的移动设备查询等。

3 平台功能分析与数据库设计

3.1 功能分析

平台是通过广域网结合猪肉生产过程中的养殖、屠宰、分割生产、物流和销售等五个信息管理子系统构成，如图3所示。子系统间相互独立运行，且通过能够唯一标识生猪和胴体的标签进行信息关联。

图3 平台的功能结构图

生猪管理系统采用高频RFID耳标实现生猪个体识别，记录生猪养殖过程中的出生、饲养、用药、检疫和出栏等信息，并通过相应的接口将数据上传至数据中心。屠宰管理系统收到屠宰请求后，首先访问数据中心审核生猪的屠宰请求，然后将其RFID耳标登记转换为屠宰RFID标签嵌入挂钩进入屠宰环节，屠宰后再将屠宰RFID标签转换为扎带式RFID标签捆绑在胴体上。屠宰环节所使用的RFID标签均为低频无源标签，屠宰管理系统记录了生猪耳标、宰前检疫、屠宰和胴体等信息。胴体分割生产管理系统继续沿用屠宰环节的低频RFID标签，记录分割流水线上的胴体和产出商品的对应关系。分割产出商品包装袋上贴有与扎带RFID标签相对应的二维码标签，同时外层的包装箱嵌入低频RFID标签，胴体分割生产管理系统记录了生产过程和分割产品等信息。商品销售管理系统记录了商品销售和再分割信息，主要借助于二维码来完成。养殖、屠宰、分割加工和销售环节，通过物流管理系统完成相应的运输管理。

五个子系统通过规范的程序接口，及时将相关数据上传至平台数据中心，从而保证生产信息的全程可追溯。同时，卫生防疫等管理部门可以通过平台获取准确的生产数据，进行实时检测和精准管控。

3.2 数据库设计

为了减少数据冗余，增加系统稳定性，该平台数据库的设计全部达到第三范式要求。同时，数据库的设计充分发挥关系数据库的优势，借助视图对象优化用户视角，并增强数据库的安全性。此外，通过使用SQL SERVER数据库的存储过程和触发器等提高代码执行效率，降低数据不一致的发生概率。

4 平台实现

WCF平台在实现SOA开发方面具有低系统耦合、跨平台易实现和开发效率高等优势，被广泛使用。该平台就是通过WCF对事务、编码统一管理与协调，最终实现基于局域网(各子系统内部使用)和广域网的C/S结构客户端管理系统、B/S结构的Web查询系统，以及移动网络的移动查询系统。开发过程中使用NET Framework框架下的C#语言，配合SQL Server数据库管理系统，完成平台开发。

该平台各子系统的数据采集与管理，主要是借助RFID技术完成。生猪养殖环节，系统借助移动式和立柱式RFID阅读器，读取耳标信息。屠宰环节是通过将RFID标签嵌入挂钩来唯一标识生猪个体，并与生猪RFID耳标建立联系。分割加工环节，借助捆绑在胴体上的扎带式RFID标签识别胴体，并结合RFID称重器(一种具有RFID阅读器功能的称重设备)实现胴体和分割产品的联系。销售环节是使用RFID标签和与之相关的二维码标签来实现。消费者可以通过识别二维码或者RFID标签，反向追溯整个猪肉生产流程，实现全程生产信息可追溯。

5 关键技术

5.1 元数据技术

元数据是描述数字资源或对象的数据，用于对象的识别与评价，该平台的元数据主要表现形式是RFID标签编码。平台中的RFID编码符合农业部《畜禽标识和养殖档案管理办法》和《动物射频识别代码结构》编码要求及国际编码标准的兼容性，再根据业务需求精心设计，从而保证相关管理部门的有效监管和产品境外销售。

5.2 标签防碰撞算法

标签防碰撞算法是RFID系统的关键技术之一，已有不少学者就此展开过研究[15-16]。比较常见的防碰撞算法主要有概率型ALOHA算法和确定型二进制树算法两种。其中，ALOHA算法具有低成本和易实现的优点，是笔者研究的重点[17]。

ALOHA防碰撞算法可分为纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时隙ALOHA算法和动态帧帧时隙ALOHA算法，以及改进的分组帧时隙ALOHA算法等[18]。ALOHA算法采用“标签先发言”的方式识别标签，以纯ALOHA防碰撞算法为例，当阅读器磁场内有多个标签请求时，系统存在完全碰撞、部分碰撞和成功读取三种可能性。在纯ALOHA算法研究的基础上，时隙ALOHA算法避免了标签部分碰撞，帧时隙ALOHA算法对时隙ALOHA算法的时间域进一步离散化，动态帧时隙ALOHA算法实现了帧时隙ALOHA算法的帧长度的动态调整。

该平台基于分组帧时隙ALOHA算法的改进算法[19]，将标签按照进入阅读器磁场范围的先后顺序分组，并定期发送指令，标签依据分组值顺序响应，如图4所示。

图4 分组帧时隙ALOHA改进算法

通过分析该算法中帧时隙数L、标签数量n，以及同一时隙出现多个标签概率间的关系。当将所有标签分成N组时，系统吞吐率S可以表示为：

由公式可知，当分组标签数量和帧长度相同时，系统吞吐率可以达到最高。

5.3 标签加密算法

标签安全是RFID技术应用的基础，是实现猪肉生产全程信息可追溯的关键，常见的解决途径主要有物理安全机制和标签加密两种，其中，标签加密是基于密码技术来实现的，具有低成本和强扩展性的特点[20]。

在对比多种算法的基础上，系统采用了Grain-128算法实现标签加密。Grain-128算法作为一种优秀的流密码算法，支持128bit的密钥和96bit的初始向量，具有低功耗、高吞吐率的特点，非常适用于低成本的RFID应用环境[21]。Grain-128算法由非线性移位寄存器(NFSR)、线性移位寄存器(LFSR)、布尔函数h(x)、反馈函数f(x)和g(x)等结构组成[22]，如图5所示。

图5 Grain-128算法结构图

经过数学证明，当初始向量不同时，算法所生成的密钥流是随机的，可以实现“一次一密”的数据加密，进而保证系统的信息安全[23]。

6 结论

RFID技术引入到猪肉生产过程，借助其独特优势来完成数据采集与存储，提升了数据采集效率，降低了猪肉产品追溯成本，提高了产品的市场竞争力。目前，该平台已在河南众品食业股份有限公司进行了实地测试，结果表明，平台能够准确完成产品的全程追溯，并在数据采集的效率和准确率方面优势明显，可提高企业产品竞争力和降低政府监管成本，具有很好的推广应用价值。