有机RFID标签在动物食品溯源中的应用前景

　　0 引言

　　近年来，射频识别技术(radio frequency identification,RFID)已被广泛应用于交通管理、物流运输、医药、食品生产等十多个行业，其在食品追溯系统中的应用己成为食品安全的重要保障。在动物性食品生产过程中存在原料、生产、加工、贮运和销售等诸多环节，任何环节都有污染食品的可能。RFID作为一项易于操控、简单实用、灵活的技术，所具备的优越性是条码、磁卡、IC ( integrated circuit, IC)卡等其他识别技术无法比拟的,因此已被许多国家应用于动物性食品的溯源。欧洲、美国、澳大利亚的很多饲养场都己经运用RFID标签来全程监测畜禽动物生产的基本情况，并把RFID结合条码技术的自动识别技术贯穿于食品安全监管产业的全过程，以保证向市场提供优质的放心产品[f8l。相对于发达国家，中国对食品溯源研究起步较晚，但近年来的快速发展使中国在即ID的技术和应用领域都取得了一些成果[[9-10]。目前已经具备自主研发生产多类型多标准的RFID标签和设备的能力，也出现了一批与RFID生产相关的企业，RFID已经在交通、物流、食品、票证等领域获得应用。如国内一些城市已将RFID技术应用于城市智能交通，实现车流量信息的采集，据报道陕西省车载RFID标签用户已经达到6.8万户;2005年上海市将基于RFID技术的“安全猪肉监控追溯系统”正式投入使用，该系统将RFID标签打在猪耳朵上，实时获取生猪的饲料、病历、喂药、转群、检疫等信息 2008年北京奥运会期间，畜禽类产品的追溯体系也采用了RFID射频识别技术。但目前RFID在中国食品安全方面的应用仍属于起步阶段，其应用仅局限于北京、上海等发达城市，且使用的范围与食品品种非常有限，处于应用示范阶段。这主要是由于RFID标签成本较高，大大影响了其在食品安全溯源系统中的规模应用。要做到单件产品不论猪肉、牛肉、鸡肉都贴有RFID标签，势必要求标签价格非常低，像现在的条码一样。而有机RFID因其成本较低而备受关注该文拟探讨这种新型的低成本RFID—有机RFID，并对有机RFID这一新型技术在动物性食品溯源系统中的应用进行分析探讨，为动物性食品追溯系统的广泛应用提供技术支撑。

　　1 有机RFID及其特点

　　RFID标签的高成本是其大量普及的最大障碍。为了降低成本，RFID研究者一直在寻找新的技术和生产工艺，近年来有机RFID技术成为该领域的重大突破。传统的无机RFID标签由芯片和天线构成，芯片部分由传统IC工艺在硅片上制备得到，然后再把芯片和天线集成在一起构成完整的标签。有机RFID标签则采用印刷电子技术，把有机薄膜晶体管制备在便宜的塑料基底上形成电路。依据此技术，把有机物墨水和金属印刷在塑料基底上形成芯片和天线从而得到有机RFID标签。通过印刷批量生产有机RFID标签，简化了制作工艺，大大降低了成本。世界各国都认为有机RFID的市场前景巨大，纷纷加大有机RFID标签技术的研发力度，并且已经取得了很大成就。一些国家已经迈入了从实验室研究向应用转化的起步阶段，并且研究也在逐步的深入。如德国PoIyIC公司在2006年开发出使用印刷技术生产的有机RFID标签该标签集成了数百个有机晶体管，可以保存8bits的数据;2007年该公司又开发出了32和64 bits存储能力的有机RFID标签，工作频率为13.56 MHz; 2008年比利时微电子研究中心(interuniversity microelectronics centre IMEC ) 开发出了已接近实用水平的有机RFID标签;2007年德国有机电子大会在其大会票证上采用了有机RFID标签;另据报道，英国曼彻斯特大学Syngenta传感器创新中心的研究人员正在开发一种有机RFID标签，应用于水果等产品进入供应链后的质量监控和管理，该产品有望在2011年底用于为生产和种植企业提供可靠的追踪方案。国内关于有机RFID研究的报道几乎空白，仅有北京交通大学光电子技术研究所的徐征等对有机RFID标签的射频信号调制方法进行了研究，而对于其应用还未见报道。

　　有机RFID作为一种新的技术，是有机半导体和RFID技术相结合的产物。有机RFID标签的工作原理、结构、功能及频谱划分等与无机RFID基本类似，二者主要的区别在于材料和加工工艺的不同，并由此衍生出来部分差异，具体分析如下:

　　1)成本。据Nature Materials Commentary杂志报导，有机RFID标签成本有望降至每枚0.01 } 0.02美元甚至更低，而目前常用的无机RFID标签的成本约为0.2美元。

　　2)读取速度。PoIyIC公司的有机RFID标签最大的读取速度为196 bits/s。无机RFID的读取速度一般较高，意法半导体2010年推出的无机RFID芯片LRiS64K的读取速度为53kbits/。

　　3)存储容量。目前研发的有机RFID标签的存储容量较小，一般只能存储几十到上百bit的数据。无机RFID的存储容量一般较大，可达53kb/s。

　　4)使用寿命。有机RFID标签的寿命较短。PoIyIC公司的研究表明有机RFID标签在最初的10个月特性没有下降，但是经过较长时间特性会发生改变，认为有机RFID标签能够确保la的使用寿命。无机RFID芯片则具有非常长的寿命，LRiS64K的寿命至少为40a。

　　5)易用性。有机RFID标签的基底为塑料，厚度非常小并具有良好的柔韧性，可以制成柔性标签，使用时可以随意粘贴，不受软硬度及厚度等限制。无机RFID标签由于采用了硅芯片则不具有这方面的优势。

　　6)重复使用性。有机RFID标签在印刷时己经决定了内部存储的数据，在使用过程中只能读取数据而无法修改数据。无机RFDI标签由于采用硅芯片，所以在使用中可以多次修改存储的内容，如无机RFDI芯片LRiS64K可以重复写1000,000次。

　　2 有机RFID与传统的二维条码、无机RFID的比较

　　目前，食品供应链安全管理的技术手段主要有2大类技术:RFID技术和条码技术，结合有机RFID标签技术，这3类标签技术的比较如表1所示。

　　由表1可知，有机RFID标签具有无机RFID标签方便易用的优点，又具有类似于二维条码的低廉成本，虽然在读取速度、容量和使用寿命方面劣于无机RFID，但是这些差距在很多应用中并不是必须的，如对于许多贴有RFID标签的消费品来说，RFID标签只是用于库存、POS (point of sale POS)机及产品退货，并需要特别长的使用寿命。因此这些应用为低成本的有机RFID标签提供了发挥积极作用的空间。

　　3 动物食品溯源系统

　　3.1 动物食品追溯流程和信息模型

　　动物食品安全溯源系统包括从“养殖场”到“消费者”的诸多环节，主要有:养殖场、运输物流、屠宰场、物流仓储、超市和消费者6个环节，其构成的溯源流程和与之相匹配的信息模型如图1所示。

图1动物食品追溯流程和信息模型

　　为了保证消费者从餐桌到养殖场的全过程追溯，需要在图1的6个环节中依靠不同的标签对动物进行标识，并在每个环节中对标识的动物食品管理和记录图中的信息。

　　3.2 溯源系统的基本框架

　　溯源系统的数据在动物食品生产过程中的多个环节逐渐生成，并在相应环节中添加到溯源系统中。大量多类型追溯信息的存储和管理仅仅通过标识标签是很难实现的，需要采用标签和数据中心结合的方式才能满足追溯系统中信息管理的复杂需求。通过标签技术对动物性食品加工环节中每个产品进行唯一标识，如图2所示。在每个加工环节都建立相应的信息管理平台，该平台采集加工环节中每个产品的信息并汇总到食品安全数据中心。在整个环节中都有政府专门机构进行监管。消费者可以根据产品的标签从数据中心查询到该产品所历经的所有生产环节及其关键信息，任何环节的生产厂家都可以通过系统对产品向上追溯和向下跟踪，政府可以通过数据中心的信息建立自动的食品安全监测平台。

图2动物食品追溯系统框架

　　4 有机RFID在动物食品溯源系统中的应用探讨

　　动物食品涉及畜牧养殖、屠宰加工、流通销售等众多环节，其从养殖场到餐桌的整个生产流程与其他食品相比要复杂得多，因此追溯的信息涵盖面更广、信息量更大、追溯信息间的转换频率更高。在整个生产流通环节中全部使用电子标签，在中国现有经济基础和行业发展水平上还不现实。不同的生产环节对标签技术具有不同的需求，可针对需要进行灵活选择。

　　4.1 养殖场

　　在养殖场牲畜出生后，养殖场管理平台生成唯一的“生产标识码”，并在食品安全数据中心中进行信息的登记，建立起牲畜个体信息数据库。牲畜在饲养过程中的批次、饲料、免疫、检疫等情况都分别通过管理平台记录在食品安全数据中心。由于牲畜养殖过程中二维条码易受污染，且易受牲畜的破坏等，并且在信息的录入环节需要逐个登记牲畜的标签，不适合多个标签同时录入。因此养殖环节中，适合采用RFID标签作为“生产标识码”的载体，每个RFID标签和“生产标识码”在数据中心一一对应。综合牲畜的养殖时间和无机RFID标签的寿命，对于养殖超过I年的牲畜采用无机RFID标签，低于1年的牲畜采用有机RFID标签。在养殖环节根据需要可选用有机RFID标签或无机RFID标签，尽管无机RFID成本比有机RFID标签高，但由于饲养阶段牲畜数量有限，所以增加的成本对于大型动物是可接受的。

　　4.2 物流运输

　　在物流运输中，通过物流运输管理平台在食品安全数据中心中登记物流企业的基本信息和物流的基本情况。此时可仍旧按照养殖环节的RFID标签作为管理的唯一标识。

　　4.3 屠宰场

　　屠宰场存在若干生产环节，可根据牲畜的标识对生产过程进行流水线的监控，每个环节都分别通过屠宰场管理平台登记在数据中心。屠宰场中牲畜被宰杀后进行分割。分割前管理平台读取待分割肉类的“生产标识码”，并根据将要分割的数量生成多个“屠宰标识码”，每个屠宰标识码对应相应的分割部位，比如头、里脊、肝脏等。“屠宰标识码”和“生产标识码”在数据中心进行登记并建立对应关系。“屠宰标识码”再被标记到标签上，成为特定牲畜特定部位的唯一标识。通过“生产标识码”可以追踪到分割后的肉类，通过“屠宰标识码”可以追溯到分割前的动物，完成了动物从整体到肉类的追溯信息的转移和传递。

　　在肉类分割后，每个部分都需要标签进行标识，需要的标签数量相对较多，采用无机RFID标签会带来极大的成本负担，因此只能对批次进行跟踪管理，难以对分割后的肉类进行个体的跟踪管理。采用价格非常低廉的有机RFID标签或二维条码可以很好的解决成本问题。但二维条码的读取受限制，不适合屠宰场中多个生产环节中对标识码的自动读取，且二维条码易受污染，不适合屠宰场的需要。鉴于屠宰环节的时间较短，有机RFID寿命可以满足此环节的需要。有机RFID标签具有环境适应性、成本、读取方式等方面的优点，在屠宰、分割环节可以发挥不可替代的作用。

　　4.4 仓储物流

　　基于4.3中的分析，在物流仓储环节采用“屠宰标识码”进行信息的管理。通过管理平台向信息中心汇总物流基本信息、仓储基本信息、多个时间节点的物流温度、仓储温度等信息，实现动物性食品在物流仓储环节的个体化过程管理。

　　4.5 超市

　　在超市肉类被继续分割。超市管理平台读取有机RFID标签标识的“屠宰标识码”，根据分割的情况自动产生多个标识码。“用户标识码”和“屠宰标识码”在数据中心进行登记并建立对应关系。“用户标识码”被标记在标签上。“用户标识码”的数量非常庞大，由于成本的原因，无法采用无机RFID标签，只能采用二维条码或者有机RFID标签。此时二维条码和有机RFID标签不存在明显的优劣，可以根据用户的习惯加以选择。

　　4.6 消费者

　　消费者根据超市提供的用户二维条码或有机RFID标签可以通过公共查询系统查询到产品的“用户标识码”。根据“用户标识码”可以查询到超市的信息，并且可以追溯到“屠宰标识码”。根据“屠宰标识码”可以查询到肉类的运输、仓储信息，肉类在屠宰场中的生产信息，并且可以追溯到肉类的“生产标识码”。由“生产标识码”可以查询牲畜的运输销售信息、饲养环节的各种信息等。消费者可以由终端产品追溯整个肉类的生产过程。

　　根据肉类生产的不同环节的特点和需求，各种标签技术具有特定的适用性，如表2所示。

　　5 结论

　　有机RFID标签具有无机RFID标签方便易用的优点，又具有类似于二维条码的低廉成本，虽然在读取速度、容量和使用寿命方面劣于无机RFID，但在动物性食品溯源过程的应用中，这些特性并不是对每个环节都是必要的，这为低成本的有机RFID标签提供了发挥积极作用的空间。

　　动物食品安全溯源系统的主要环节包括养殖场、运输物流、屠宰场、物流仓储、超市和消费者等，根据每个环节的特点及其对标签技术的要求，有机RFID有望在屠宰场、运输仓储中替代无机RFID，对于养殖时间较短的动物，也可在养殖与物流运输环节使用有机RFID,而在超市环节可选择性使用有机RFID或二维标签。有机RFID的使用将大大降低动物食品溯源的成本，从而促进动物食品溯源技术的广泛使用。