RFID在農業物聯網中的應用

賈 浩，沈 岳,2，溫佑杰

（1.湖南農業大學信息科技學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南省農村農業信息化工程技術研究中心，湖南 長沙 410128）

無線射頻識別（RFID）是一種具有數據存儲量大、穿透能力強、讀寫距離遠、環境適應性好等特點的自動識別技術，同時是唯一可以實現多目標識別的自動識別技術。RFID 系統由電子標簽、閱讀器以及天線組成。

隨著農業的發展向農業精準化、精細化和智能化管理的轉變，RFID 技術成為了農業物物相連和農業感知的關鍵技術之一，實現了對農業物聯網中的每個農業個體的追蹤和溯源，其目的是為了快速、精確、高效地給出每個農業個體的種植情況、流通情況、生產加工情況以及銷售情況等相關信息[1]。

項目組通過農業物聯網技術應用實踐，研究了RFID 技術在溫室大棚、大田種植、水產養殖、禽畜養殖和農產品生產流通領域中的使用情況，提出了RFID 技術在農業物聯網中的常見問題以及針對不同問題的解決方法。

1 RFID 技術

1.1 RFID 系統的組成

RFID 系統主要由電子標簽、讀寫器和天線三部分組成，一般由閱讀器收集數據信息傳送到后臺系統進行處理[2]。RFID 系統的組成如圖1 所示。RFID 電子標簽附著在被識別的物體上，當帶有電子標簽的被識別物品進入讀寫器工作范圍時，讀寫器可自動以非接觸方式讀寫電子標簽中記錄的包括在生產、流通、加工和銷售等環節的相關信息，實現對物品標識信息的準確、快速、高效的采集[3-4]。

圖1 RFID 系統的組成

（1）電子標簽的基本組成結構為耦合元件、芯片和電路，在電子標簽芯片中的ROM 中存放著全球唯一的ID 號碼，無法修改。這使得每個電子標簽具有唯一的電子編碼。

（2）讀寫器是用于讀取或寫入標簽信息的設備，是連接RFID 標簽和后端信息處理系統的通道。一般情況下，由后端信息處理系統識別、讀取和寫入收集到的數據。根據使用方法不同，讀寫器可分為移動式和固定式。

（3）天線是電子標簽和讀寫器之間傳遞射頻信號的裝置。

1.2 RFID 識別工作原理

RFID 標簽分為無源和有源2種。對于無源RFID標簽，當RFID 標簽進入讀寫器天線輻射形成的磁場范圍時，標簽天線通過電磁感應產生感應電流，感應電流驅動RFID 芯片電路，芯片電路通過標簽天線將存儲在標簽內的標識信息發送給讀寫器，讀寫器再通過天線將接收到的標識信息發送給上位計算機。無源標簽的工作過程就是讀寫器向電子標簽傳遞能量，電子標簽向讀寫器發送標識信息的過程。工作原理如圖2 所示。

圖2 無源RFID 工作原理

對于有源RFID 電子標簽，處于遠場的有源RFID 標簽由內部配置的電池供電。為了節約能源、延長標簽的工作壽命，有源RFID 標簽可以不主動發送信息。當有源標簽收到讀寫器發出的讀寫指令時，標簽才向讀寫器發送存儲的標識信息。有源標簽的工作過程就是有源標簽收到讀寫器發送的讀寫指令后再向讀寫器發送標識信息的過程。工作原理如圖3所示。

圖3 有源RFID 工作原理

2 RFID 技術在農業物聯網中典型的應用

近年來，食品安全問題（禽流感、瘋牛病、蔬菜農殘、病死豬、農產品重金屬含量嚴重超標等）越來越嚴重，影響著人類的健康，嚴重威脅到了人們的生命安全。隨著全球化的加速，各國農產品之間的流通將會越來越頻繁，出口農產品的要求也會越來越高。為此，各國為了保證本國農產品的質量，對農產品從生產－流通－銷售全程跟蹤和識別。以增強農產品的溯源機制，保障農產品的安全。我國農業部頒布實施的《農產品質量安全追溯操作規程通則》（標準編號：NY/T 1761-2009）對農產品質量安全追溯作了一個詳細的定義，所謂的追溯信息為具備質量追溯能力的農產品在生產、加工、流通以及銷售各環節相關信息的總和，追溯信息的內容應覆蓋該環節操作時間、地點、責任主體、產品批次及質量安全相關內容[5]。

2.1 RFID 技術在農產品安全種養殖環節中的應用

2.1.1 在農業種植方面的應用 在農作物種植方面，將電子標簽和傳感器綜合利用，感知土壤溫濕度、土壤電導率、土壤肥力、土壤重金屬的含量以及光照強度等環境因素的變化。記錄農作物的生長周期、農藥使用情況等信息，實現農作物生產的精細化、智能化。同時，利用讀寫器將農產品的大小、重量、品種、質量、生產地址和采摘日期等詳細信息寫入電子標簽中，為農產品溯源提供數據。

2010年，財政部、商務部在海南省啟動海南農產品現代流通綜合試點，將提升農產品質量安全水平以及實現農產品的追溯作為一項重點工作，建立農產品在生產養殖、加工、流通和銷售全過程的農產品追溯體系。海南惠民農產品出口配送有限公司以“統一標識，源頭可追溯”為經營理念，是海南最先實行食品追溯的企業之一。該公司對6 666.67 hm2農產品種植基地的農戶推行科學、統一的管理，對農民進行了關于溯源相關信息的培訓，提供大量的科技服務，建立了農產品溯源系統，使所有的農產品都擁有一張“有著成長記錄的身份證”，能夠查詢到農產品從播種、生產、加工、收購、流通和銷售全過程的基本信息，以信息可追溯的方式保障生產種植、田間管理、化肥農藥、加工和流通環節符合國際無公害食品標準[6]。

2.1.2 在動物養殖方面的應用 在動物養殖方面，在幼崽出欄的時候就佩戴RFID 電子耳標，電子標簽中包含的數據包括動物的品種、出生日期、上輩信息等相關數據。在養殖過程中，由飼養員將動物的飼養情況、疫苗注射情況、生長環境信息，通過RFID 手持設備，以一種非接觸的方式寫入電子標簽中，并通過無線通信GPRS/3G 將采集到的動物的相關信息上傳到食品安全平臺數據中心，并在數據中心建立完整的個體養殖檔案，以便實現追溯查詢。實現了動物的跟蹤與識別，提高了動物溯源的精確度。

2000年7月1日，英國政府規定境內所有生牛必須采用數字識別，實現對牛肉從生長到銷售全過程的溯源。2008年1月1日起，歐洲強制對綿羊推行電子識別技術[7]。在國內基于 RFID 技術的農產品安全檢測系統已正式應用于生產，如上海市于 2005年投入使用的“安全豬肉監控追溯系統”。該系統通過將 RFID 標簽打在豬耳朵上的方式，實時獲取生豬的喂養飼料、生豬的病歷、疫苗注射情況、喂藥等信息，通過對養豬場、道口、屠宰場、批發市場及超市獲取的相關信息建立信息鏈接，實現了企業內部生產過程的安全控制和對流通環節的實時監控[8]。

2.2 RFID 技術在農產品流通中的應用

RFID 技術具有讀取速度快、可穿透物體、數據存儲量大、可同時識別多個目標對象的特點。如果在農產品上粘貼RFID 標簽，不僅可以節省大量的人力物力，縮短農產品在流通中所花費的時間，保持了農產品的新鮮度，還有效的提高了農產品信息在“生產養殖－加工－流通－銷售”全過程的采集速度和信息共享程度，提高了農產品的經濟效益，保障了農產品的穩定供應。

在國內，一些地方的科研機構對于RFID 技術在農產品流通過程中的應用做了積極、深入的研究。上海農業大學和上海農業信息公司對于如何提高農鮮產品供應鏈的效率的問題，將農產品生產環節、農產品加工環節、農產品倉儲環節、農產品流通環節、農產品銷售環節各個環節的信息讀入公共數據庫，不但可以確保在各環節獲取的信息的高質量數據交流，而且還能實現食品全過程的溯源以及蔬菜供應鏈的完全透明度[9]。

2.3 RFID 技術在農產品銷售中的應用

在超市、商場、市場等銷售點設置溯源查詢終端，消費者只要通過電子標簽的識別碼進行查詢，就可以查詢到農產品相關的信息。包括農產品的品種、農產品的生產日期、農產品的檢疫情況、農產品的用藥情況和農產品的產地等。這樣，在保證消費者權益的同時也保障了農產品質量，對農產品的生產者起到了監督作用。由于農產品的各個環節的信息都發送到了中心數據庫，這樣就形成了一個完整的農產品產業鏈。通過農產品上的電子標簽，就可以對農產品進行跟蹤和識別。實現了農產品從種植到餐桌的安全狀況。

3 RFID 技術在農業物聯網中的問題

3.1 技術問題

在RFID 技術的實踐應用過程中，項目組發現：RFID 標簽粘貼的位置、讀寫器天線的位置、以及標簽的方向、與讀寫器天線的距離與方位，對標簽信息的讀寫效果影響都很大[10]。同時，由于RFID 標簽與讀寫器通信使用的是無線射頻通道，無線射頻通道具有不穩定、易干擾的特點。RFID 技術還不夠成熟。如何克服這些因素的影響，提高RFID 的使用效率，是RFID 在農業物聯網應用研究要解決的關鍵問題。

3.2 成本問題

RFID 系統中的電子標簽RFID 讀卡器和及天線，價格成本都很高。與普通的二維碼標簽進行對比，電子標簽的價格是二維碼標簽價格的幾十倍。加上管理軟件的升級和維護的費用，使農民難以接受。

隨著集成電路制造技術以及RFID 技術的快速發展，電子標簽成本有望下降，預計2019年，單體標簽的平均價格將達到1 美分，其中高容量、有芯片、數據讀取快、安全性高的版本約為 4 美分，而無芯片的版本僅為 0.4 美分[11]。隨著電子標簽價格的下降，RFID 在農產品中的應用將會越來越廣泛。

3.3 環境問題

RFID 技術要求每一個農產品都粘貼上RFID 電子標簽，然而，電子標簽畢竟是電子產品，讀寫器和標簽的所產生的電磁輻射及材料釋放物對空氣、水、植物和動物等都有影響。特別是進行遠距離應用的RFID 標簽，其電磁波輻射對公共通信的影響是需要人們注意的問題[12]。

隨著RFID 技術在農業領域中的廣泛應用，必定會大量的使用電子標簽，若不對電子標簽進行多次的讀寫，對電子標簽進行回收利用，勢必會對環境造成較大的污染。因此建立一個確保 RFID 標簽有效回收與利用的管理體制，是解決RFID 對環境污染的有效方式。另外，可以對同品種、同批次、同品質的農產品，進行裝箱銷售，減少RFID 標簽的使用，降低對環境的污染。

3.4 信息安全問題

當前，隨著電子信息技術的快速發展，信息的安全問題越來越受到人們的關注。同樣，在農業物聯網中，電子標簽內的大量信息以及用戶的私人信息如何加密，如何得到安全的保護，成為了當前研究的一個重點。RFID 系統本身的安全問題可歸納為隱私和認證兩個方面：在隱私方面主要是標簽內存取的信息可追蹤性問題，即如何防止攻擊者對RFID 標簽中存取的信息進行任何形式的跟蹤；在認證方面主要是要確保只有合法的閱讀器才能夠與標簽進行交互通信[13]。目前通過Kill 命令機制、靜電屏蔽機制以及對電子標簽進行加密處理，能夠一定程度上解決電子標簽的信息安全問題。

3.5 標準化問題

提高RFID 標準在全球范圍內的兼容性，是RFID 技術在農業領域的規模化的關鍵因素之一。RFID 技術的標準化問題日益成為行業關注的焦點。RFID 技術的標準化問題主要有4 類：技術標準(如符號、射頻識別技術、IC 卡標準等)；數據內容標準(如編碼格式、語法標準等)；一致性標準(如印刷質量、測試規范等標準)；應用標準(如船運標簽、產品包裝標準等)[14]。其中編碼標準和通信協議是構成RFID標準的核心。目前3 大標準組織（美國EPCglobal、日本UID 和國際標準化組織ISO）已經建立了ISO/IEC 標準體系。我國已于2006年發布了《中國射頻識別（RFID）技術政策白皮書》，成為了中國RFID產業發展的一個新的里程碑。

4 結 語

RFID 電子標簽的應用前景非常廣闊，就目前應用情況來看，還沒有不成功的，只有不成熟或不適[15]。雖然RFID 技術還存在成本、技術、環境、信息安全和標準化等問題，但隨著農業信息化的發展，RFID 的成本會不同程度地下降，技術應用的適應度也會不斷改善， RFID 技術在農業物聯網中的應用已是指日可待。因此，

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