有機(jī)rfid標(biāo)簽成本控制研究

0國內(nèi)外食品溯源的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，rfid高頻識別技術(shù)（id）在交通管理、物流運(yùn)輸、制藥、食品生產(chǎn)等10多個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。食品跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用已成為重要的食品安全保障。在動物性食品生產(chǎn)過程中存在原料、生產(chǎn)、加工、貯運(yùn)和銷售等諸多環(huán)節(jié),任何環(huán)節(jié)都有污染食品的可能。RFID作為一項易于操控、簡單實(shí)用、靈活的技術(shù),所具備的優(yōu)越性是條碼、磁卡、IC(integratedcircuit,IC)卡等其他識別技術(shù)無法比擬的,因此已被許多國家應(yīng)用于動物性食品的溯源。歐洲、美國、澳大利亞的很多飼養(yǎng)場都已經(jīng)運(yùn)用RFID標(biāo)簽來全程監(jiān)測畜禽動物生產(chǎn)的基本情況,并把RFID結(jié)合條碼技術(shù)的自動識別技術(shù)貫穿于食品安全監(jiān)管產(chǎn)業(yè)的全過程,以保證向市場提供優(yōu)質(zhì)的放心產(chǎn)品。相對于發(fā)達(dá)國家,中國對食品溯源研究起步較晚,但近年來的快速發(fā)展使中國在RFID的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了一些成果。目前已經(jīng)具備自主研發(fā)生產(chǎn)多類型多標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽和設(shè)備的能力,也出現(xiàn)了一批與RFID生產(chǎn)相關(guān)的企業(yè),RFID已經(jīng)在交通、物流、食品、票證等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。如國內(nèi)一些城市已將RFID技術(shù)應(yīng)用于城市智能交通,實(shí)現(xiàn)車流量信息的采集,據(jù)報道陜西省車載RFID標(biāo)簽用戶已經(jīng)達(dá)到6.8萬戶;2005年上海市將基于RFID技術(shù)的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”正式投入使用,該系統(tǒng)將RFID標(biāo)簽打在豬耳朵上,實(shí)時獲取生豬的飼料、病歷、喂藥、轉(zhuǎn)群、檢疫等信息;2008年北京奧運(yùn)會期間,畜禽類產(chǎn)品的追溯體系也采用了RFID射頻識別技術(shù)。但目前RFID在中國食品安全方面的應(yīng)用仍屬于起步階段,其應(yīng)用僅局限于北京、上海等發(fā)達(dá)城市,且使用的范圍與食品品種非常有限,處于應(yīng)用示范階段。這主要是由于RFID標(biāo)簽成本較高,大大影響了其在食品安全溯源系統(tǒng)中的規(guī)模應(yīng)用。要做到單件產(chǎn)品不論豬肉、牛肉、雞肉都貼有RFID標(biāo)簽,勢必要求標(biāo)簽價格非常低,像現(xiàn)在的條碼一樣。而有機(jī)RFID因其成本較低而備受關(guān)注。該文擬探討這種新型的低成本RFID——有機(jī)RFID,并對有機(jī)RFID這一新型技術(shù)在動物性食品溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討,為動物性食品追溯系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。1有機(jī)rfid標(biāo)簽RFID標(biāo)簽的高成本是其大量普及的最大障礙。為了降低成本,RFID研究者一直在尋找新的技術(shù)和生產(chǎn)工藝,近年來有機(jī)RFID技術(shù)成為該領(lǐng)域的重大突破。傳統(tǒng)的無機(jī)RFID標(biāo)簽由芯片和天線構(gòu)成,芯片部分由傳統(tǒng)IC工藝在硅片上制備得到,然后再把芯片和天線集成在一起構(gòu)成完整的標(biāo)簽。有機(jī)RFID標(biāo)簽則采用印刷電子技術(shù),把有機(jī)薄膜晶體管制備在便宜的塑料基底上形成電路。依據(jù)此技術(shù),把有機(jī)物墨水和金屬印刷在塑料基底上形成芯片和天線從而得到有機(jī)RFID標(biāo)簽。通過印刷批量生產(chǎn)有機(jī)RFID標(biāo)簽,簡化了制作工藝,大大降低了成本。世界各國都認(rèn)為有機(jī)RFID的市場前景巨大,紛紛加大有機(jī)RFID標(biāo)簽技術(shù)的研發(fā)力度,并且已經(jīng)取得了很大成就。一些國家已經(jīng)邁入了從實(shí)驗(yàn)室研究向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的起步階段,并且研究也在逐步的深入。如德國PolyIC公司在2006年開發(fā)出使用印刷技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)RFID標(biāo)簽,該標(biāo)簽集成了數(shù)百個有機(jī)晶體管,可以保存8bits的數(shù)據(jù);2007年該公司又開發(fā)出了32和64bits存儲能力的有機(jī)RFID標(biāo)簽,工作頻率為13.56MHz;2008年比利時微電子研究中心(interuniversitymicroelectronicscentre,IMEC)開發(fā)出了已接近實(shí)用水平的有機(jī)RFID標(biāo)簽;2007年德國有機(jī)電子大會在其大會票證上采用了有機(jī)RFID標(biāo)簽;另據(jù)報道,英國曼徹斯特大學(xué)Syngenta傳感器創(chuàng)新中心的研究人員正在開發(fā)一種有機(jī)RFID標(biāo)簽,應(yīng)用于水果等產(chǎn)品進(jìn)入供應(yīng)鏈后的質(zhì)量監(jiān)控和管理,該產(chǎn)品有望在2011年底用于為生產(chǎn)和種植企業(yè)提供可靠的追蹤方案。國內(nèi)關(guān)于有機(jī)RFID研究的報道幾乎空白,僅有北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所的徐征等對有機(jī)RFID標(biāo)簽的射頻信號調(diào)制方法進(jìn)行了研究,而對于其應(yīng)用還未見報道。有機(jī)RFID作為一種新的技術(shù),是有機(jī)半導(dǎo)體和RFID技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。有機(jī)RFID標(biāo)簽的工作原理、結(jié)構(gòu)、功能及頻譜劃分等與無機(jī)RFID基本類似,二者主要的區(qū)別在于材料和加工工藝的不同,并由此衍生出來部分差異,具體分析如下:1)成本。據(jù)NatureMaterialsCommentary雜志報導(dǎo),有機(jī)RFID標(biāo)簽成本有望降至每枚0.01~0.02美元甚至更低,而目前常用的無機(jī)RFID標(biāo)簽的成本約為0.2美元。2)讀取速度。PolyIC公司的有機(jī)RFID標(biāo)簽最大的讀取速度為196bits/s。無機(jī)RFID的讀取速度一般較高,意法半導(dǎo)體2010年推出的無機(jī)RFID芯片LRiS64K的讀取速度為53kbits/s。3)存儲容量。目前研發(fā)的有機(jī)RFID標(biāo)簽的存儲容量較小,一般只能存儲幾十到上百bit的數(shù)據(jù)。無機(jī)RFID的存儲容量一般較大,可達(dá)32~1024kbits。4)使用壽命。有機(jī)RFID標(biāo)簽的壽命較短。PolyIC公司的研究表明有機(jī)RFID標(biāo)簽在最初的10個月特性沒有下降,但是經(jīng)過較長時間特性會發(fā)生改變,認(rèn)為有機(jī)RFID標(biāo)簽?zāi)軌虼_保1a的使用壽命。無機(jī)RFID芯片則具有非常長的壽命,LRiS64K的壽命至少為40a。5)易用性。有機(jī)RFID標(biāo)簽的基底為塑料,厚度非常小并具有良好的柔韌性,可以制成柔性標(biāo)簽,使用時可以隨意粘貼,不受軟硬度及厚度等限制。無機(jī)RFID標(biāo)簽由于采用了硅芯片則不具有這方面的優(yōu)勢。6)重復(fù)使用性。有機(jī)RFID標(biāo)簽在印刷時已經(jīng)決定了內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù),在使用過程中只能讀取數(shù)據(jù)而無法修改數(shù)據(jù)。無機(jī)RFDI標(biāo)簽由于采用硅芯片,所以在使用中可以多次修改存儲的內(nèi)容,如無機(jī)RFDI芯片LRiS64K可以重復(fù)寫1000,000次。2有機(jī)rfid標(biāo)簽的優(yōu)越性目前,食品供應(yīng)鏈安全管理的技術(shù)手段主要有2大類技術(shù):RFID技術(shù)和條碼技術(shù),結(jié)合有機(jī)RFID標(biāo)簽技術(shù),這3類標(biāo)簽技術(shù)的比較如表1所示。由表1可知,有機(jī)RFID標(biāo)簽具有無機(jī)RFID標(biāo)簽方便易用的優(yōu)點(diǎn),又具有類似于二維條碼的低廉成本,雖然在讀取速度、容量和使用壽命方面劣于無機(jī)RFID,但是這些差距在很多應(yīng)用中并不是必須的,如對于許多貼有RFID標(biāo)簽的消費(fèi)品來說,RFID標(biāo)簽只是用于庫存、POS(pointofsale,POS)機(jī)及產(chǎn)品退貨,并需要特別長的使用壽命。因此這些應(yīng)用為低成本的有機(jī)RFID標(biāo)簽提供了發(fā)揮積極作用的空間。3動物食品的起源系統(tǒng)3.1物流、研發(fā)和信息模型動物食品安全溯源系統(tǒng)包括從“養(yǎng)殖場”到“消費(fèi)者”的諸多環(huán)節(jié),主要有:養(yǎng)殖場、運(yùn)輸物流、屠宰場、物流倉儲、超市和消費(fèi)者6個環(huán)節(jié),其構(gòu)成的溯源流程和與之相匹配的信息模型如圖1所示。為了保證消費(fèi)者從餐桌到養(yǎng)殖場的全過程追溯,需要在圖1的6個環(huán)節(jié)中依靠不同的標(biāo)簽對動物進(jìn)行標(biāo)識,并在每個環(huán)節(jié)中對標(biāo)識的動物食品管理和記錄圖中的信息。3.2標(biāo)簽式追溯系統(tǒng)設(shè)計溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在動物食品生產(chǎn)過程中的多個環(huán)節(jié)逐漸生成,并在相應(yīng)環(huán)節(jié)中添加到溯源系統(tǒng)中。大量多類型追溯信息的存儲和管理僅僅通過標(biāo)識標(biāo)簽是很難實(shí)現(xiàn)的,需要采用標(biāo)簽和數(shù)據(jù)中心結(jié)合的方式才能滿足追溯系統(tǒng)中信息管理的復(fù)雜需求。通過標(biāo)簽技術(shù)對動物性食品加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品進(jìn)行唯一標(biāo)識,如圖2所示。在每個加工環(huán)節(jié)都建立相應(yīng)的信息管理平臺,該平臺采集加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品的信息并匯總到食品安全數(shù)據(jù)中心。在整個環(huán)節(jié)中都有政府專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)管。消費(fèi)者可以根據(jù)產(chǎn)品的標(biāo)簽從數(shù)據(jù)中心查詢到該產(chǎn)品所歷經(jīng)的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其關(guān)鍵信息,任何環(huán)節(jié)的生產(chǎn)廠家都可以通過系統(tǒng)對產(chǎn)品向上追溯和向下跟蹤,政府可以通過數(shù)據(jù)中心的信息建立自動的食品安全監(jiān)測平臺。4生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)動物食品涉及畜牧養(yǎng)殖、屠宰加工、流通銷售等眾多環(huán)節(jié),其從養(yǎng)殖場到餐桌的整個生產(chǎn)流程與其他食品相比要復(fù)雜得多,因此追溯的信息涵蓋面更廣、信息量更大、追溯信息間的轉(zhuǎn)換頻率更高。在整個生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)中全部使用電子標(biāo)簽,在中國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和行業(yè)發(fā)展水平上還不現(xiàn)實(shí)。不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)對標(biāo)簽技術(shù)具有不同的需求,可針對需要進(jìn)行靈活選擇。4.1物流信息平臺的應(yīng)用在養(yǎng)殖場牲畜出生后,養(yǎng)殖場管理平臺生成唯一的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”,并在食品安全數(shù)據(jù)中心中進(jìn)行信息的登記,建立起牲畜個體信息數(shù)據(jù)庫。牲畜在飼養(yǎng)過程中的批次、飼料、免疫、檢疫等情況都分別通過管理平臺記錄在食品安全數(shù)據(jù)中心。由于牲畜養(yǎng)殖過程中二維條碼易受污染,且易受牲畜的破壞等,并且在信息的錄入環(huán)節(jié)需要逐個登記牲畜的標(biāo)簽,不適合多個標(biāo)簽同時錄入。因此養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中,適合采用RFID標(biāo)簽作為“生產(chǎn)標(biāo)識碼”的載體,每個RFID標(biāo)簽和“生產(chǎn)標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心一一對應(yīng)。綜合牲畜的養(yǎng)殖時間和無機(jī)RFID標(biāo)簽的壽命,對于養(yǎng)殖超過1年的牲畜采用無機(jī)RFID標(biāo)簽,低于1年的牲畜采用有機(jī)RFID標(biāo)簽。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)根據(jù)需要可選用有機(jī)RFID標(biāo)簽或無機(jī)RFID標(biāo)簽,盡管無機(jī)RFID成本比有機(jī)RFID標(biāo)簽高,但由于飼養(yǎng)階段牲畜數(shù)量有限,所以增加的成本對于大型動物是可接受的。4.2食品安全數(shù)據(jù)中心在物流運(yùn)輸中,通過物流運(yùn)輸管理平臺在食品安全數(shù)據(jù)中心中登記物流企業(yè)的基本信息和物流的基本情況。此時可仍舊按照養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的RFID標(biāo)簽作為管理的唯一標(biāo)識。4.3有機(jī)rfid在低碳經(jīng)濟(jì)過程中的應(yīng)用屠宰場存在若干生產(chǎn)環(huán)節(jié),可根據(jù)牲畜的標(biāo)識對生產(chǎn)過程進(jìn)行流水線的監(jiān)控,每個環(huán)節(jié)都分別通過屠宰場管理平臺登記在數(shù)據(jù)中心。屠宰場中牲畜被宰殺后進(jìn)行分割。分割前管理平臺讀取待分割肉類的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”,并根據(jù)將要分割的數(shù)量生成多個“屠宰標(biāo)識碼”,每個屠宰標(biāo)識碼對應(yīng)相應(yīng)的分割部位,比如頭、里脊、肝臟等。“屠宰標(biāo)識碼”和“生產(chǎn)標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行登記并建立對應(yīng)關(guān)系?！巴涝讟?biāo)識碼”再被標(biāo)記到標(biāo)簽上,成為特定牲畜特定部位的唯一標(biāo)識。通過“生產(chǎn)標(biāo)識碼”可以追蹤到分割后的肉類,通過“屠宰標(biāo)識碼”可以追溯到分割前的動物,完成了動物從整體到肉類的追溯信息的轉(zhuǎn)移和傳遞。在肉類分割后,每個部分都需要標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識,需要的標(biāo)簽數(shù)量相對較多,采用無機(jī)RFID標(biāo)簽會帶來極大的成本負(fù)擔(dān),因此只能對批次進(jìn)行跟蹤管理,難以對分割后的肉類進(jìn)行個體的跟蹤管理。采用價格非常低廉的有機(jī)RFID標(biāo)簽或二維條碼可以很好的解決成本問題。但二維條碼的讀取受限制,不適合屠宰場中多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對標(biāo)識碼的自動讀取,且二維條碼易受污染,不適合屠宰場的需要。鑒于屠宰環(huán)節(jié)的時間較短,有機(jī)RFID壽命可以滿足此環(huán)節(jié)的需要。有機(jī)RFID標(biāo)簽具有環(huán)境適應(yīng)性、成本、讀取方式等方面的優(yōu)點(diǎn),在屠宰、分割環(huán)節(jié)可以發(fā)揮不可替代的作用。4.4對信息的管理基于4.3中的分析,在物流倉儲環(huán)節(jié)采用“屠宰標(biāo)識碼”進(jìn)行信息的管理。通過管理平臺向信息中心匯總物流基本信息、倉儲基本信息、多個時間節(jié)點(diǎn)的物流溫度、倉儲溫度等信息,實(shí)現(xiàn)動物性食品在物流倉儲環(huán)節(jié)的個體化過程管理。4.5用戶標(biāo)識碼被標(biāo)記在超市肉類被繼續(xù)分割。超市管理平臺讀取有機(jī)RFID標(biāo)簽標(biāo)識的“屠宰標(biāo)識碼”,根據(jù)分割的情況自動產(chǎn)生多個標(biāo)識碼。“用戶標(biāo)識碼”和“屠宰標(biāo)識碼”在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行登記并建立對應(yīng)關(guān)系。“用戶標(biāo)識碼”被標(biāo)記在標(biāo)簽上?！坝脩魳?biāo)識碼”的數(shù)量非常龐大,由于成本的原因,無法采用無機(jī)RFID標(biāo)簽,只能采用二維條碼或者有機(jī)RFID標(biāo)簽。此時二維條碼和有機(jī)RFID標(biāo)簽不存在明顯的優(yōu)劣,可以根據(jù)用戶的習(xí)慣加以選擇。4.6查詢和追溯經(jīng)濟(jì)過程消費(fèi)者根據(jù)超市提供的用戶二維條碼或有機(jī)RFID標(biāo)簽可以通過公共查詢系統(tǒng)查詢到產(chǎn)品的“用戶標(biāo)識碼”。根據(jù)“用戶標(biāo)識碼”可以查詢到超市的信息,并且可以追溯到“屠宰標(biāo)識碼”。根據(jù)“屠宰標(biāo)識碼”可以查詢到肉類的運(yùn)輸、倉儲信息,肉類在屠宰場中的生產(chǎn)信息,并且可以追溯到肉類的“生產(chǎn)標(biāo)識碼”。由“生產(chǎn)標(biāo)識碼”可以查詢牲畜的運(yùn)輸銷售信息、飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的各種信息等。消費(fèi)者可以由終端產(chǎn)品追溯整個肉類的生產(chǎn)過程。根據(jù)肉類生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)的特點(diǎn)和需求,各種標(biāo)簽技術(shù)具有特定的適用性,如表2所示。5動物食品安全溯源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性不同有機(jī)RFID標(biāo)簽具有無機(jī)RFID標(biāo)簽方便易用的優(yōu)點(diǎn),又具有類似于二維條碼的低廉成本,雖然在讀取速度、容量和使