射頻識別(RFID)技術在食品溯源中的應用研究進展

趙訓銘 劉建華

(1. 浙江工業大學信息工程學院，浙江 杭州 310023；2. 浙江工業大學海洋學院，浙江 杭州 310014)

1 食品安全與溯源體系的技術需求

隨著中國社會經濟的發展和人們生活水平的日益提高，人們的食物消費觀念已由“吃得飽”向“吃得好”轉變，對食品的質量安全和營養結構提出了更高要求。當下，中國食品行業尚存質量安全隱患，近年來出現了一系列影響食品質量安全問題。

從供應鏈角度看，食品的生產、加工、流通、銷售環節都可能產生食品質量安全問題。在生產環節，環境污染和農藥獸藥的不規范使用都會帶來較大的食品安全隱患；在加工環節，添加劑使用不規范、衛生管理不規范、生產工藝落后等會造成食品添加劑超標、微生物污染、加工過程產生大量有害物質等；而在流通環節，運輸條件不合格、包裝材料不達標、摻假造假現象等均可能導致大量的食品安全問題；在銷售環節，貯存條件不合格、產品滯銷導致的超保質期銷售等也會產生諸如微生物含量超標等質量安全問題。因此，設法有效地控制食品供應鏈的每一個環節，將食品安全隱患降到最低。

食品安全溯源，指在食品生產、加工、流通、銷售等各個環節中，涉及食品質量安全的相關信息能被順向追溯(“生產源頭”至“銷售終端”)或被逆向回溯(“銷售終端”至“生產源頭”)，從而使得食品在各個環節的質量安全得到有效控制[1]。食品安全追溯體系是一種設計能應用于食品生產、加工、流通、銷售等各環節中，追蹤某一產品及其特性的信息記錄與應用系統，該系統記錄食品各個環節中的信息流，并且保障信息流的連續性。當發現不安全因素時，可以通過溯源或追蹤來識別問題產品的源頭以及流向，有利于有效、精確地召回食品[2]。現代的食品安全溯源體系主要是建立在RFID、WSN、二維碼、物聯網、區塊鏈技術上，使得參與食品安全控制各相關方進行互聯，實現食品安全溯源。

近年來，RFID技術作為一項簡單易控、實用靈活的溯源應用技術，已被廣泛應用于交通管理、物流運輸、醫藥及食品生產等行業[3-4]，其在食品行業追溯系統中的應用已成為保障食品安全、追查事故責任的重要環節[5-7]，已廣泛應用于乳制品、畜產品、水產品、果蔬品、茶葉和酒類等食品中。

2 RFID技術及其原理

無線通信識別是識別技術的一個里程碑式的發展，其特別之處在于識別的非接觸性和識別的自動性、智能性。射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是其發展最快、最完善、應用最廣的一種類型，其信息存儲量大，可同時自動識別多個目標，識別效率遠高于人工識別且識別結果客觀、正確率高，環境條件及其變化對識別結果幾乎無影響，可進行長時間的連續性的識別作業。RFID系統組成并不復雜，系統主要包括標明身份的電子標簽(依據電源的有無又分為有源電子標簽和無源電子標簽)，查驗身份的標簽讀寫器，以及用于通訊的天線等幾部分[8]。

與人工識別相比，條形碼、磁卡、IC卡等識別技術大大方便了消費者，識別效率和正確率大幅度提高[9-11]。而上述這些識別技術與RFID相比，后者顯示出諸多優越性：①機動性強，適合各種環境與條件；②組織系統性強，在復雜目標的識別與管理方面輕松自如；③技術性強，裝備其標簽的物體既能達到一定的智能化程度，又能與系統進行實時的信息交流。因此，RFID識別技術應用于食品的溯源追蹤便在情理之中了。

3 RFID技術在食品溯源中的應用研究

3.1 RFID技術在乳品中的應用

乳品是中國最重要的食品原料之一，乳品行業在最近十幾年發展十分迅猛，據統計，目前中國乳業市場規模約2 500億元，該數據還將不斷增加[12]。但乳品長期存在的質量安全問題一直是限制其發展的瓶頸，加強監管保障國產乳品質量與安全對中國乳業發展至關重要。保障原料乳的質量與安全是保障乳制品質量與安全的基礎，是首要關鍵點。而要保證原料乳質量，首先必須建立可溯源的奶牛養殖系統，系統涵蓋奶牛養殖的各個問題關鍵點；其次是運用現代化養殖與管理技術，盡量高效率、低成本；另外，基于奶牛的健康是合格奶源的基礎，防止和控制奶牛的各種疫情。

在國外，利用RFID技術和WSN技術的結合在奶牛健康監測與食品質量監督等方面已進行了深入研究。Andonovic等[13]利用WSN技術，將多節點的無線傳感器佩戴于每一頭牛的頸部區域，既能監測牛群集體活動特征又能監測牛個體活動特征，通過這種實時監測奶牛活動特征的變化，可以及時有效發現疫情或重大疫情。Warren等[14]的方法簡單直觀，主要針對牛個體，直接在牛體上安裝心電圖儀器，通過監測牛的心跳頻率來判斷牛的健康狀況，匯總個體資料便可得出牛群的健康狀況。澳大利亞的溯源追蹤系統比較發達，包括畜牧標示體系以及追溯體系，RFID技術不僅已經廣泛應用于養殖環節的動物識別，而且也廣泛應用于牛羊等肉制品的溯源[15]。通過對奶牛個體生命體征和健康狀況的實時監控可在源頭上規避了原料乳的安全隱患。

在中國，農業的高度機械化生產與監控跟發達國家相比尚處于發展階段，但基于RFID技術應用在奶源質量安全控制上也取得了一些進展。蔡文青等[16]運用RFID技術得到了原料乳追溯管理模型。模型啟動過程如下：在擠奶時奶牛的位置正好處于讀寫器的感應范圍，通過認讀牛體上的電子標簽，就能即時識別奶牛的身份以及該頭奶牛的其它完整信息資料，了解和分析管理系統的數據之后，牧場管理員便能及時掌握奶牛的產奶量、原料乳的各類指標、奶牛的健康指數等，進而量身定制綜合管理方案，保證高品質飼料及時準確供應給高產量奶牛，既均衡又高營養的飼料供給泌乳旺盛期的奶牛。通過檢測原料乳中體細胞含量，可以判斷奶牛是否患有乳房炎等病癥，對于患病的奶牛，及時建立治療方案，詳細記錄治療過程，以及使用藥物劑量和治療效果。有了這樣的原料奶質量安全控制過程，才能保證原料奶合格并安全地進入后面的消費環節。龐超等[17]創建了更為復雜和完善的模型，該模型將RFID技術與WSN技術相合，研究了奶牛養殖信息采集與傳送方法，溯源網絡架構形成、信息交互與轉換等方面內容。該模型對牛舍內部各節點及牛舍間各節點的通信距離都有準確的規定，從而保證了較高的信息數據傳送率。運行結果表明，該模型運行穩定，性能可靠，數據信息發送快速準確，方便用戶采集。通過WSN網絡，讀寫器節點可直接接入到數據中心，即可在線查詢多種信息，包括飼養記錄、繁殖記錄、保健記錄等。此外，系統還能對管理人員進行提醒，應用前景廣闊。蘇中濱等[18]將重點放在乳制品方面，運用RFID技術，通過編碼形式研究了乳制品質量與安全的溯源技術，所編制溯源碼的信息覆蓋面廣，涵蓋了飼養場地、奶桶、奶缸、奶槽車容器信息和物流信息，乳制品加工企業名稱與資質、乳制品檢測機構名稱與資質、乳制品加工班次日期和批次等各種重要信息，使得奶源信息得到全面可追溯。此外，丁玄等[19]利用RFID技術對乳制品溯源系統進行了初步構建，能夠實現消費者使用標識在該產品上的電子標簽，通過查詢終端，便可以查詢到產品的整個生產加工環節。使得生產加工過程透明化、信息公開化。相較于國外針對奶牛個體的RFID技術的應用，中國目前的研究更傾向于對牧場工業化養殖過程的監控，通過獲取奶牛養殖各個環節反饋的信息進而提高牧場的乳品品質。

3.2 RFID技術在畜產品中的應用

由于養殖和加工技術的不斷提高，多年來中國畜牧業得到快速發展，各類畜產品產量持續高速增長，畜產品質量得到大幅度提升，基本能夠滿足國民的需求。但是限制中國畜產品進一步發展的因素依然存在，主要因素是畜產品質量與安全問題。從全球視角看，重大食品安全事件時有發生，畜產品也不例外，眾所周知的世界范圍內的瘋牛病、口蹄疫、禽流感等疫情的爆發和流行，嚴重阻礙了各國經濟尤其是食品行業的發展，限制了人民生活水平的提高。近期發生的非洲“豬瘟”又給各國帶來了巨大的經濟損失和食肉恐懼。由此可見，利用近年來快速發展的RFID技術對畜產品建立跟蹤與追溯體系顯得特別重要與迫切[20-21]。

英國從21世紀開始，對出生牛犢在20日內強制安裝標識標簽。該標簽內容豐富而詳實，記載了每一頭牛的出生信息，成長發育信息，進口牛的相關進口詳細資料，農場里奶牛活動信息、疫情信息與死亡信息，并形成數據庫，保證每頭牛的情況一目了然[22]。澳大利亞的追溯體系講究政府與民眾互動，監管部門通過互聯網建立公共平臺，同時向牧民提供RFID電子耳標，該耳標具有唯一識別編碼，在價格上也會得到政府補貼。牧民在使用RFID耳標飼養動物時，首先需要在網站上登記注冊，隨后系統會跟蹤記錄該只動物在整個飼養過程中的全部信息，追溯性資料完整[23]。美國實施的是分階段過渡管理策略，最初段使用耳標認證方式，該耳標標注了包括企業信息在內的多項內容；中間段是由個體耳標認證逐步過渡到射頻讀取；如今完全采用RFID技術和電子標簽，信息內容涵蓋工廠加工和集市等各個環節，各環節都安裝了RFID數據資料讀取器，隨時可得到可追溯信息[24]。通過RFID技術與互聯網平臺的構建，讓牧場與消費者之間實現了畜產品生產加工等各個環節的信息對稱。

在中國，自2003年起，一些較具規模的養殖場也陸續開始采用RFID技術并取得了較好的效果。焦玉聰等[25]建立了肉產品質量與安全追溯系統，其技術核心是利用成熟的二維碼技術，并集成電腦通信與信息庫技術，從而形成完整的溯源體系。畜牧養殖過程中，在動物身體上安裝專用RFID標簽，以方便各類管理員隨時采集并錄入牲畜的生長信息、生長發育信息、飼料供給信息、疫情與藥品使用信息、畜牧原料肉的檢驗檢疫信息等，并能夠將所有信息傳至溯源系統的數據中心。牲畜宰殺前需查閱所有RFID標簽信息，確認牲畜經過了防疫環節且未患病的情況下才能宰殺和進入下一步的流通環節。宰殺后，RFID溯源信息又要增加新的內容，除了宰殺前二維碼包含的信息外，還將宰殺單位、宰殺的日期、宰殺肉質量等其他計量信息一并打印到二維碼，并與胴體肉一道進入下一步的檢疫環節。同樣，宰殺后的肉品經過檢驗檢疫，也需將檢疫的信息結果傳至追溯系統數據中心。中心會將與檢驗檢疫有關的所有信息，比如檢驗結果、檢驗時間、檢驗單位名稱等，全部同樣輸入到二維碼中，并與肉品一道進入物流環節。運輸環節運輸工具很重要，要求先讀取信息后再進行裝卸，例如汽車運輸，先讀取汽車信息，內容包括汽車車牌號、所屬運營單位、汽車檢驗消毒單位等等，再進行裝卸。肉品裝卸后，溯源采集器都會及時錄入相關信息，內容包括裝卸時的環境情況、裝卸時間、裝卸出發地與目的地，以及車載RFID卡數據等，并對信息數據進行處理生成對應的加密信息。最后一道是銷售環節，售賣商將所獲肉品信息與基本經營戶信息合并成溯源二維碼，此二維碼具有唯一性，它與肉品基本包裝單位一起流入到千萬消費者手中，便于消費者溯源。自此完成了肉產品的追溯，同時保障了肉產品的品質與安全。

宋薇[26]設計了專門針對豬肉的安全追溯系統。對豬肉生產流水線進行分段，針對各個加工環節的主要特點，該溯源系統從硬件、網絡以及軟件方面進行量身定制，對不同種類豬肉制品采取一一對應的定位方式，既能快速查詢豬肉制品又能精確到具體是哪一種產品。程靜等[27]構建了RFID中間件追溯模型，該模型有3層結構即邊緣層、數據層和應用層。RFID中間件具有多種強大功能，它不僅能進行信息的平滑處理，重復過濾，進行數據聚集與分組，而且能為后續環節繼續提供綜合信息，包括加工、物流、銷售等各個環節。趙秋燕等[28]研究的重點是分析與對比，分析內容包括有機RFID標簽的特點，對比內容包括條形碼、無機RFID標簽等，從技術特征方面為RFID的應用提供了參考。馬從國等[29]研究重點是監控的完整性，構建了豬生長條件與環境的監控系統，運用模糊神經網絡控制計算方法，取得理想的效果。申光磊等[30]引入了“RFID+條形碼”技術，對牛個體進行一一標示，對牛肉也進行分班、分批、分次進行標示，在牛肉生產、加工和銷售環節中，采集各個關鍵控制點的信息，并將所采集信息傳送到信息中心，從而實現了牛肉品的追溯。

中國南方大部分地區的夏季處于長時間的濕熱氣候，容易滋生各類疫情，對畜產品的加工生產造成較大的影響。因而，RFID技術在畜產品中的應用仍需要在中國得到更廣泛的普及。通過RFID技術的應用能夠及時避免不合格的畜產品流通到市場與消費者手中。

3.3 RFID技術在水產品中的應用

中國的水產品總量名列世界第一并持續了20多年不變[31]，其中，動物水產品作為人類最優質食品來源之一是水產品中的主流。多數動物水產品富含優質蛋白質和多種氨基酸，脂肪含量低但相對而言不飽和脂肪含量高，其中具有功能性的ω-3脂肪酸含量特別豐富，綜合營養成分均衡。因而，水產品的質量和安全關系到中國水產行業的長期穩定發展，建立水產食品的可追溯系統已勢在必行，而RFID技術無疑是最具潛力的解決方案。

2009年，陳雷雷等[32]提出了基于RFID系統的水產品可追溯系統的框架體系，也指出了RFID技術在應用過程中會遇到的一些難題。顏波等[33-34]基于前人的研究設計構建了水產品可追溯平臺，其核心技術基于RFID和EPC，平臺包含以下子系統：養殖監管、加工監管、配送監管、銷售監管、查詢管理。該技術從養殖地出水到銷售店上架全部使用RFID標簽，信息涵蓋養殖基地、加工中心、物流、銷售等各個環節，追溯查詢方式就是掃描基本單位包裝上的條形碼。EPC標識產品具有唯一性，而RFID電子標簽內的EPC編碼可以改寫，改寫可使標簽重復利用，企業的材料成本和管理成本可以大幅度下降。夏俊等[35]的溯源系統相對比較復雜與完整，綜合考慮廣大消費者、相關政府管理機構以及有關企業3個方面，通過分析水產品存在的主要質量與安全問題，應用物聯網的理念構筑了水產品的溯源體系，并且示范了具體實踐和應用。以RFID和二維碼對中華絨螯蟹蟹苗種進行標識，綜合運用GPS和GIS技術，構筑了基于Web的該蟹精細養殖物聯網智慧系統，形成了質量的全過程動態溯源體系。RFID技術在水產品加工中的應用雖起步較晚，但目前已達到了較高的技術成熟度，可普及開來。而同樣也需要行業內更多的關注與參與，以解決各類特殊環境下的技術難點，使得RFID技術能夠在各不同種類的水產品加工中得以廣泛應用。

3.4 RFID技術在果蔬中的應用

果蔬是人類最重要的食品原料之一。果蔬從農田采摘到餐桌需經過較長時間的流通運輸，且因多種果蔬具有極易腐爛、極易變質等特點，在流通過程中存在高損耗問題，相關的流通成本約占最終價格的2/3[36]。因此，必須高度重視果蔬的高損耗現實，重視因腐爛變質導致的食用安全問題。為保障果蔬的質量與安全，目前已有很多研究者將RFID技術應用于果蔬的追溯。

李彪等[37]構建了新疆哈密瓜的追溯系統。該系統同樣基于RFID和二維碼技術，融合了信息庫技術、互聯網技術等，詳細采集了哈密瓜的田間種植、產地采購與包裝、物流與銷售各環節的信息數據。這些數據有助于政府部門對哈密瓜質量實行有效監管，也便于消費者了解到想要知道的信息，達到放心消費的目的。沈敏燕[38]綜合運用RFID等網絡技術，構建了水果蔬菜類的冷鏈物流追溯系統。以子系統的形式進行分配與管理，系統包含果蔬的生產、批發、物流、銷售、監督與檢測及追溯查詢等子系統。各子系統具有對應的信息數據庫，子系統的功能也是獨自發揮的。利用編碼標識果蔬從產地到消費的各個環節，能使溯源信息完整無缺。蒲皎月等[39]的RFID技術設計主要針對中小型企業者。系統采取統一編碼、集中管理信息庫的方式，在蔬菜的種植與預加工、蔬菜的物流與倉儲、蔬菜的銷售等環節，進行RFID技術的規范化監管，無論企業多么分散都能實現統一監管，并且細致到具體環節。劉世明等[40]的監管追溯視角較獨特，從檢驗部門實際管理角度出發，構建了基于RFID技術的蔬菜安全追溯系統。系統包括業務框架模塊、技術框架模塊和安全保障體系模塊，并進一步涵蓋蔬菜種植基地、蔬菜加工廠、蔬菜進出口岸和銷售點的功能需求，并制定了追溯系統的接口標準。運行結果表明了該溯源系統既可靠又有效。目前針對果蔬種植加工中的食品安全問題更多地集中在農藥殘留、獸藥殘留的檢測，該方向雖能實現監控，但并未從源頭上消除隱患，而RFID技術的應用則實現了這一要求，再輔以管理部門的相關法規的制定將進一步完善果蔬行業食品安全的控制。

3.5 RFID技術在其他食品中的應用

RFID技術在其他食品中也得到了廣泛的應用。江進[41]針對茶葉構建了茶葉品質量安全追溯體系。該技術同樣基于RFID，先在茶園設放RFID標簽，采集記錄茶葉種植生長情況，施肥信息，蟲害程度及噴施農藥情況，采摘時間及當時的氣候情況等信息，然后將以上信息上傳到溯源系統信息處理中心，這是第一道環節。采摘后的鮮葉加工是第二道環節，此過程收集的信息包括茶葉的來源，鮮葉加工的企業名稱，加工的主要技術參數等。第三道環節是茶葉的包裝與成品，除采集有關包裝的普通信息外，建立茶葉成品的RFID標簽與茶園RFID標簽之間的緊密關聯，以方便消費者追溯。茶葉制品的倉儲、物流和銷售的所有相應信息數據構成了第四道環節。由于RFID電子編碼的唯一性特征以及能以相對應的ID編號存儲，只要把ID編號與茶葉流通環節的數據信息捆綁，就可以完成基于RFID電子標簽的溯源過程。

何飛等[42]研究了較為有效的基于RFID技術的酒類溯源防偽系統。系統嵌入高頻15693RFID標簽芯片，此芯片具備獨到特征：標識符唯一，采用對稱密碼計算法，單向身份鑒別，存儲器部分應符合商務部有關規定和標準，芯片有防止被復制的功能。將該系統應用到酒類企業中，從酒類釀造加工、酒產品流通、酒產品銷售、甚至酒終端消費等各個環節，都有明確可靠的信息數據可查詢追溯。由此可見，該溯源系統可全面提升企業的運營效率和管理水平，杜絕假酒，凈化酒類市場，保障消費者健康。劉鶴[43]以射頻技術和數據庫為基礎，設計了基于RFID的冷凍冷藏食品的物流倉儲管理系統，可有效提高冷凍冷藏食品的倉儲管理效率。

隨著相關軟件性能的進一步優化和硬件功能與設計的日趨完善，RFID技術將滲透到更多食品品類的溯源中，也將為消費者提供更全面的食品安全信息。

4 結論

食品安全問題是現代人們日益關注的焦點，通過建立溯源體系可以有效保障食品安全。RFID作為一種易于操控、簡單實用、靈活的技術，是食品安全溯源體系中最重要的技術之一。RFID節約了成本，減少了人工操作的誤差，提高了工作效率，目前已被許多國家應用于乳品、畜產品、水產品、果蔬等食品生產和流通各環節的溯源系統中，很大程度上保障了食品及其原料的質量與安全。但是，RFID的廣泛推廣與應用還存在以下問題：① RFID 標簽價格偏高，還有進一步降價的技術空間；② RFID 技術缺乏相關標準，如信息內容、信息流程、軟件、閱讀器、標簽等尚需建立統一標準；③ 有些食品信息采集困難，例如水產品；④ 食品原料種類繁多，溯源信息千差萬別，分門別類信息工作量巨大；⑤ 缺乏相應技術人才，尚待培養；⑥ 缺乏大量研發經費投入以提升技術；⑦ RFID 的技術集成及應用是最大難點。