基于物聯網技術的豬肉防偽追溯系統研究

摘 要： 為了實現豬肉食品的可追溯性，基于物聯網技術的豬肉防偽追溯系統采用NFC技術和RFID技術協同實現雙向模式的追溯功能，在豬肉供應鏈中還可以防止竄貨。在NFC電子標簽中加入數字簽名，實現防偽功能，消費者通過NFC智能手機進行防偽驗證和向上溯源查詢。RFID電子標簽采用EPC編碼存儲豬肉的相關信息，根據EPC編碼，供應鏈中各個環節都可以通過防偽追溯系統平臺實現向下決策追溯。

關鍵詞： RFID； NFC； 數字簽名； 防偽追溯

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）03?0055?03

Study on pork anti?counterfeiting and traceability system based on IOT technology

LIU Yanfei1， YU Minghui2

（1. Zhongshan Polytechnic， Zhongshan 528400， China； 2. Guangzhou Panyu Polytechnic， Guangzhou 511483， China）

Abstract： To realize the traceability of the pork， NFC and RFID technology are cooperatively used in the pork anti?counterfeiting and traceability system based on IOT technology to realize the bidirectional traceability function and prevent the commodities fleeing in pork supply chain. The digital signature is added in the RFID electronic tag of NFC to achieve the anti?counterfeiting function， so the consumers can conduct anti?counterfeiting verification and query from source by smartphone of NFC. The EPC coding is adopted in RFID electronic tag to store the relevant information of the pork. According to the EPC coding， each link in the supply chain can implement the downward decision tracing by the anti?counterfeiting and traceability system platform.

Keywords： RFID； NFC； digital signature； anti?counterfeiting and traceability

0 引 言

肉類食品安全是一項從產品源頭到餐桌的社會性系統工程，直接關系人類的生存與健康。豬肉在我國居民日常生活消費結構中占有重大比例，是人們生活的主要食用消費品，其食品安全狀況涉及百姓身體健康和基本消費安全。據介紹，2013年我國的肉類產量達到8 536萬噸，比2012年增長1.8%，其中豬肉產量5 493萬噸，增長[1]2.8%。然而近年來，“瘦肉精”豬肉、“黃浦江死豬”、“死豬病豬流向餐桌”等豬肉食品安全事故的發生，引發了人們對豬肉食品安全的強烈關注，由此激發了巨大的網絡聲音。《中國食品安全網絡輿情發展報告（2013）》發布的數據顯示，豬肉在網民最關注的食品安全熱點問題排行榜中位居第二。2013年11月，復旦大學健康領域重大社會問題預測與治理協同創新中心發布的《我國食品安全領域問題靜態預測研究報告》中指出，食品安全追溯系統成為我國食品安全領域目前面臨的34個主要問題中最迫切需要解決的問題之一[2]。

1 RFID和NFC技術簡介

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，作為條形碼的無線版本，RFID電子標簽具有不耗電、ID號全球惟一，比條碼、二維碼壽命長達10年，可寫10萬次，防磨損、防水、防磁、防腐蝕。標簽能加密，無法造假，只有專用設備和軟件才能讀寫標簽，利用RFID讀寫器，遠距離識別，可批量快速采集或自動采集RFID標簽[3]。本文的防偽追溯系統在豬肉供應鏈物流領域采用RFID電子標簽。

NFC（Near Field Communication，近距離通信）是一種短距高頻的無線電技術，是從RFID的基礎上發展起來的，增加了點對點的通信功能，可以快速建立藍牙設備之間的P2P（點對點）無線通信，NFC設備彼此尋找對方并建立通信連接。P2P通信的雙方設備是對等的，而RFID通信的雙方設備是主從關系。NFC相較于RFID技術，具有距離近、帶寬高、能耗低等特點，具體如下：

（1） NFC只限于13.56 MHz的頻段，而RFID的頻段有低頻（125～135 kHz），高頻（13.56 MHz）和超高頻（860～960） MHz之間；

（2） 工作有效距離：NFC（小于10 cm，所以具有很高的安全性），RFID距離從幾米到幾十米都有；

（3） 同樣工作于13.56 MHz，NFC與現有非接觸智能卡技術兼容。

隨著移動互聯網和物聯網技術的發展，RFID技術已經廣泛應用于生產、物流、跟蹤、資產管理，我國著名的茅臺酒已經開始使用RFID技術進行防偽溯源。隨著智能手機的發展，從RFID發展而來的NFC技術應用越來越廣泛，由于其通信距離短、安全性高的特點，廣泛應用于移動支付、門禁等領域。本文的防偽追溯系統中采用NFC電子標簽存儲生豬的ID，實現防偽功能。

2 防偽追溯系統架構設計

2.1 防偽溯源系統中的信息模型

如圖1所示，基于物聯網技術的防偽溯源系統中豬肉的信息經過信息采集層、信息預處理層、信息傳輸層和信息智能處理和存儲層，最后存入Web應用系統的后臺數據庫中[4]。信息采集層主要采集養殖場和屠宰場生豬的有關信息（出生信息、飼養信息、病歷信息、疫苗注射信息）、檢驗檢疫信息、豬肉生產時間、豬肉運輸信息（貨品編號、運輸車輛、運輸時間等）、銷售信息等。信息預處理層主要負責在對數據進行處理前，先對原始數據進行必要的審查、集成、轉換、離散和規約等一系列處理工作，使殘缺的數據完整，將錯誤的數據糾正，將多余的數據去除，將所需的數據挑選出來并進行數據集成，將不合適的數據格式轉換為所要求的格式，消除多余的數據屬性，從而達到數據類型去異化、數據格式一致化、數據信息精確化和數據存儲規范化。信息傳輸層主要負責將采集到的信息傳輸到數據庫中存儲起來。信息智能處理通過規則定義處理同一電子標簽的重復讀取、讀取失敗、錯誤讀取、數據驗證等問題，并通過智能信息處理技術對海量信息進行實時的高速處理，對數據進行智能化的挖掘、管理、控制與存儲。信息存儲層將從實體環節中采集的信息經預處理后存儲到后臺數據庫中。

2.2 防偽溯源系統架構

鑒于NFC和RFID的各自優勢，本系統采用NFC和RFID相結合來實現豬肉的雙向追溯。NFC標簽用來存儲生豬的ID，每頭豬具有惟一的ID，由養殖場生成并在其后附上數字簽名后保存到NFC標簽，其他的飼養信息、疫苗注射信息、屠宰信息、檢驗檢疫信息、物流配送等信息通過EPC編碼存儲到RFID標簽中。NFC標簽和RFID的信息通過中間件或手持讀寫器寫入并上傳到系統的后臺數據庫。消費者通過NFC智能手機或NFC讀寫器終端查詢豬肉信息。系統架構如圖2所示。

2.3 防偽溯源系統的雙向追溯模式

文獻[4]中提出的追溯系統是單向模式，一旦豬肉出現問題，對于企業和總銷售點難以確定問題豬肉的去向。本文設計的系統對于消費者可以向上防偽溯源，追溯到豬肉的物流信息、檢驗檢疫信息、養殖信息等信息流，對于企業和批發市場可以向下決策統計追溯，追溯豬肉的分銷點信息和消費群體，當發現問題豬肉時可以協助政府部門處理，同時在供應鏈上可以防止串貨的現象[5]。雙向追溯模式如圖3所示。

3 防偽溯源系統的關鍵技術

3.1 電子標簽的選擇

NFC標簽主要有4種類型：類型1基于ISO14443A，目前由Innovision研究和技術公司獨家供應 （TopazTM），具有96 B內存，成本低，應用廣泛。類型2同樣基于ISO14443A，目前由Philips獨家供應 （MIFARE UltraLight），內存是1類標簽的一半。類型3基于FeliCa，目前由Sony獨家供應，具有較大內存（目前為2 KB）和較高傳輸速率（212 KB/s），適用于更復雜的應用。類型4完全兼容ISO14443A/B，很多制造商都有生產，包括Philips（典型產品如MIFAREDESFire）。內存更大，讀取速率在106～424 KB/s之間。本文設計的防偽追溯系統主要采用NFC智能手機進行讀取數據，NFC電子標簽選擇類型1，傳輸速度為106 KB/s，識別距離約為10 cm。

按照工作頻率來劃分，RFID標簽主要有低頻RFID標簽、中高頻RFID標簽和超高頻與微波段RFID標簽。低頻標簽典型的工作頻率為125～134.2 kHz，中高頻標簽的典型工作頻率為13.56 MHz，超高頻與微波段RFID標簽通常簡稱為“微波標簽”，典型的超高頻工作頻率為860～928 MHz，微波段工作頻率為2.45～5.8 GHz。微波標簽主要有無源標簽與有源標簽兩類。微波無源標簽的工作頻率主要在902～928 MHz；微波有源標簽工作頻率主要在2.45～5.8 GHz。微波標簽工作在讀寫器天線輻射的遠場區域。本文中的防偽追溯系統中RFID主要用來存儲養殖信息、檢驗檢疫信息、物流信息等，RFID電子標簽選擇超高頻RFID標簽。

3.2 EPC編碼設計

EPC（Electronic Product Code，電子產品編碼）技術是美國Auto?ID開發的，通過互聯網平臺、利用無線數據通信技術、RFID技術等，旨在構建一個能實現實時共享物品信息的網絡平臺，能夠實現對物品信息的跟蹤及回溯[6]。EPC系統中應用的編碼類型主要有64位，96位和256位三種。EPC編碼由版本號、序列號、產品域名管理和產品分類部分四個字段組成。本系統采用96位的EPC編碼，如圖4所示。8位用來存儲EPC版本號，28位用來存儲豬肉品牌和養殖場信息，24位用來存儲豬肉分類代碼，36位用來存儲豬肉的檢驗檢疫、物流配送信息、屠宰日期、批發市場、分銷點等信息，當實際編碼長度小于預留的長度時在后面補0。

3.3 電子標簽的防偽實現

本文的系統采用RSA數字簽名方式來實現防偽[7?8]。養殖場通過在防偽追溯系統平臺注冊并審核后獲取私鑰[d，]養殖場利用私鑰[d]和模數[n]將生豬ID加上數字簽名后寫入NFC標簽，消費通過平臺獲取公鑰[e]和模數[n]對數字簽名進行驗證。具體步驟如下：

Step1：養殖場注冊并等候審核；

Step2：平臺通過審核后，選擇大素數[p，q，]生成[n，d， fn。]其中[n=q×q，][fn=（q-1）?（p-1），]選一整數[e（1

Step3：養殖場對生豬ID（M）進行數字簽名，S=Md（mod n）；

Step4：養殖場在生豬ID（M）后附上數字簽名S，并寫入NFC電子標簽；

Step5：消費者或豬肉供應鏈上的各個環節通過平臺獲取公鑰e和模數n，對簽名進行驗證。如果Se（mod n）=M，則說明NFC標簽不是偽造的，否則說明NFC標簽是偽造的。如果驗證成功，則返回相關豬肉的信息。

4 結 語

為解決肉類蔬菜的食品安全問題，我國自2010年開始分批在全國范圍開始進行肉類蔬菜流通追溯體系建設的試點工作，截止2014年底，已經有5批共58個城市參與了試點建設。本文提出的基于物聯網技術的豬肉防偽追溯系統結合RFID技術和NFC技術對豬肉從養殖、檢驗檢疫、屠宰、批發、分銷等供應鏈環節上實現對上可以防偽溯源、對下可以決策追溯的雙向追溯模式，對我國肉類蔬菜實現可追溯具有一定的應用價值。

參考文獻

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[[2014?02?24].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201402/t20140224_]

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[4] 白忠賀.基于物聯網技術的肉品追溯系統研究[D].江蘇：南京郵電大學，2013.

[5] 朱燕妮，雷堅，龍陳鋒.基于雙向追溯模式的黑茶防偽溯源系統的構建[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2014，40（5）：552?555.

[6] 李文勇，孫傳恒，劉學馨，等.嵌入式農產品追溯碼加密算法設計與實現[J].農業工程學報，2012，28（17）：253?258.

[7] 黃幀.基于物聯網技術的乳業食品安全追溯平臺分析與設計[D].北京：北京郵電大學，2012.

[8] 胡方.改進的 RSA 算法及其在數字簽名中的應用[D].沈陽：東北大學，2008.

[9] 黃葉玨.基于 NFC 的茶葉防偽驗證可追溯系統的設計與研究[J].農村經濟與科技，2013，24（3）：151?152.