基于超高頻rfid技術(shù)的生豬屠宰溯源系統(tǒng)設(shè)計

基于超高頻rfid技術(shù)的生豬屠宰溯源系統(tǒng)設(shè)計

0豬肉溯源的現(xiàn)實技術(shù)—引言自1986年英國發(fā)生瘋牛病以來，瘋牛病和高度致感染的溪流等人類疾病并存。蘇丹紅、低脂肪牛奶等食品的質(zhì)量安全事件頻發(fā)。食品安全隱患引起了人們的廣泛關(guān)注。中國對動物產(chǎn)品質(zhì)量的溯源體系首先源于農(nóng)業(yè)部于2002年開始實施的動物免疫標識制度,繼2005年《畜牧法》出臺后,農(nóng)業(yè)部頒布了《畜禽標識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》(簡“管理辦法”),并從2006年7月1日開始實施。“管理辦法”的實施,主要從構(gòu)建動物疫病溯源體系著手,逐步建立畜產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)部試點實施的“動物疫病溯源系統(tǒng)”主要采用二維條碼識讀技術(shù)對家畜個體進行標識,以IC(integratedcircuit)卡作為動物檢疫防疫流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)載體,采用GPRS(generalpacketradioservice)通信與PDA(personaldigitalassistant)設(shè)備結(jié)合,與遠程中央數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)冷鏈運輸、分割包裝等環(huán)節(jié)的標識及其溯源數(shù)據(jù)的采集、傳輸與交換等。該計劃主要解決了家畜在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)如何建立電子養(yǎng)殖檔案,及其活體在運輸途中的監(jiān)管與數(shù)據(jù)采集問題,而對于家畜如豬只在屠宰環(huán)節(jié)及其后的信息采集,由于分管部門變更等原因,從官方無論是農(nóng)業(yè)部,還是商務(wù)部,目前未見相關(guān)的技術(shù)與規(guī)范出臺。因此,從技術(shù)上探索包括屠宰環(huán)節(jié)在內(nèi)的肉類中間產(chǎn)品直到終端產(chǎn)品的可靠標識技術(shù)、可靠數(shù)據(jù)采集等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù),是全面構(gòu)建我國畜產(chǎn)品,尤其是豬肉產(chǎn)品的整個跟蹤與溯源體系的重要內(nèi)容。無線射頻識別(radiofrequencyIdentification,簡稱RFID)按其工作頻率分為:低頻(124~134KHz)RFID系統(tǒng)、高頻(6~13.56MHz)RFID系統(tǒng)和超高頻(840~960MHz)RFID系統(tǒng)。超高頻RFID系統(tǒng)防沖突性好、穿透性強、可多次讀寫、數(shù)據(jù)的記憶容量大,無源電子標簽成本低,體積小,使用方便,可靠性和壽命高,耐受惡劣環(huán)境,并便于在流水線上作業(yè)等特點,得到了世界各國的重視與應(yīng)用開發(fā)。在實際應(yīng)用方面,國內(nèi)最早見于報道的既有用于低頻RFID芯片植入仔豬體內(nèi)直到出欄,也有用于豬只屠宰后胴體的標識,高頻RFID(13.56MHz)應(yīng)用于牛肉溯源體系建設(shè)中的屠宰環(huán)節(jié)。但是,就我國目前大多數(shù)生豬屠宰廠流水作業(yè)線而言,環(huán)境往往較之牛肉加工屠宰線惡劣,如潮濕、陰暗,加之從業(yè)人員文化水平因素,如采用條碼標識,需要人工干預(yù)的工作量大,保證標識不出差錯較難;若采用低頻或高頻RFID系統(tǒng),同樣會因屠宰流水作業(yè)的特殊性和上述RFID系統(tǒng)自身特點,尚不能建立高效的現(xiàn)場自動識別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是,由于生豬疾病免疫溯源監(jiān)管是建立在生豬二維塑料耳標基礎(chǔ)上,所以生豬RFID胴體標識編碼需要與二維耳標編碼有效銜接。另外,在RFID標簽讀寫過程中,應(yīng)用軟件中間件及數(shù)據(jù)庫技術(shù),研究建立避免RFID編碼重讀誤寫等相應(yīng)機制,提高RFID標簽信息采集、傳輸及處理效率。因此,本文旨在通過研制能夠?qū)ωi只胴體進行電子標識、自動連續(xù)獲取標識數(shù)據(jù)的屠宰環(huán)節(jié)的超高頻RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并開發(fā)與采集標識數(shù)據(jù)相連接的屠宰環(huán)節(jié)肉品質(zhì)量溯源數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)與前端養(yǎng)殖檔案數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和后端的銷售環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)查詢平臺的銜接,為構(gòu)建中國生豬及其產(chǎn)品質(zhì)量安全的全過程的跟蹤與溯源平臺,探索生豬屠宰環(huán)節(jié)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效、可靠的數(shù)據(jù)采集解決方案。1材料和方法1.1豬使用商品豬使用場景,采用中間產(chǎn)品/終端產(chǎn)品的商品運維商品單本研究以天津市商品豬屠宰加工廠為研究模型,以生豬及其產(chǎn)品(中間及終端產(chǎn)品)為研究對象,研究商品豬屠宰環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方案。試驗屠宰商品豬累計1.08萬頭。1.2東縣6位數(shù)字代表法理-《法國民法典》第20頁依據(jù)農(nóng)業(yè)部“管理辦法”規(guī)定,豬只必須取得唯一的標識編碼,標識編碼由15位數(shù)字組成,其中,第一位數(shù)字代表家畜的類別,如1代表豬。接著的6位數(shù)字代表養(yǎng)殖場或散養(yǎng)戶所在縣市區(qū)域的行政區(qū)劃代碼且服從GBT2260-1999(2006年12月31日更新);從第8位到15位共8位代表在同一行政區(qū)域內(nèi)同一畜種如豬種的出欄順序號。1.3嵌入式打印功能考慮豬胴體進入超市或農(nóng)貿(mào)市場后,其后的分割包裝產(chǎn)品即終端產(chǎn)品的編碼,一般與中間產(chǎn)品編碼相同,而打印終端產(chǎn)品編碼的條碼打印機,一般要求能脫離計算機工作,通過調(diào)用自帶的嵌入式模塊可打印簡單的一位條形碼,達到操作方便、成本便宜和盡可能減少工序的效果。因此,本研究確定胴體標識的編碼為20位數(shù)字,其構(gòu)成規(guī)范為:前6位為行政區(qū)劃代碼,第7~8位為屠宰場在所屬縣級行政區(qū)劃內(nèi)指定的屠宰廠順序號,隨后8位為屠宰日期(yyyymmdd),最后4位為屠宰廠本批次的順序號,每批次最大標識數(shù)為9999,一般能滿足較大規(guī)模的屠宰豬只數(shù)量要求。1.4標簽芯片和隔熱膜考慮不同頻率的RFID技術(shù)具有不同的特性,而在生豬屠宰作業(yè)流水線上,具有高溫、高濕和周邊環(huán)境惡劣的特點,且屠宰線為流動作業(yè),本研究采用超高頻RFID識讀技術(shù),實施對胴體的標識和在工作環(huán)境下的無干擾識別設(shè)計。超高頻標簽設(shè)計:RFID標簽芯片為ALN-96342×2Inlay,其工作頻率為902MHz,EPC內(nèi)存容量為96bits,用戶區(qū)可記錄64個字符或者32個漢字;隔熱膜為3M隔熱膜材料?？紤]屠宰流水作業(yè)環(huán)境比較惡劣,要求使用的標簽材質(zhì)具有防水功能,并且不影響標簽的快速讀寫,本研究RFID芯片外面采用PET+EVA塑封膜材料,將芯片封裝在2個大小一致的盒體內(nèi)粘貼而成,在標簽上部設(shè)計有長方形小孔,通過塑料扣環(huán)將標簽佩帶在白條豬的適當位置,如豬腳的掛鉤處或者豬胸腔的肋骨上。1.5信息線路與視頻顯示圖1為本研究采用對豬只胴體的標識數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案。圖中(1)為屠宰車間白條豬分割現(xiàn)場;(2)為選用的超高頻RFID天線,頻率范圍902~928MHz,尺寸大小450mm×450mm×55mm,可置于屠宰流水線上胴體經(jīng)過之處,用鋼管支立起來,以不妨礙流水作業(yè)為宜;(3)為型號RL9001的超高頻RFID讀寫器,能夠讀寫符合ISO-18000-6C/EPCCLASS1G2標準的“電子標簽”。讀寫器采用鋁合金外殼,安裝于屠宰廠內(nèi)部機柜防護箱內(nèi),工作頻率同天線(2),有效讀取距離≥5m,寫入距離≥3m,每bit讀寫時間分別為6ms和50ms,尺寸大小為280mm×165mm×37mm。讀寫器通過RS-232通信接口,將閱讀的標簽信息傳輸?shù)胶罄m(xù)介紹的屠宰廠信息管理系統(tǒng)中,以與胴體對應(yīng)的相關(guān)信息建立關(guān)聯(lián);經(jīng)由天線(2)和閱讀器(3)閱讀胴體電子標簽的內(nèi)部信息,同樣通過(3)另一數(shù)據(jù)通信接口與在現(xiàn)場部署的如圖1所示的、帶計算機系統(tǒng)的觸摸一體機(4)連接,在線讀取的胴體標識信息直接反映在觸摸機的顯示屏上如圖中(6)放大部分所示,動態(tài)顯示順序讀取的編碼,并在線統(tǒng)計已經(jīng)讀取的標簽數(shù)量。讀取的數(shù)據(jù)可以通過內(nèi)部局域網(wǎng)上傳到屠宰廠數(shù)據(jù)服務(wù)器(5)系統(tǒng)中。由此完成對胴體標簽的無干擾識別、解析、傳輸與記錄。1.6規(guī)范加工后的東南角改造如圖2所示,構(gòu)成屠宰廠基于RFID技術(shù)的溯源信息系統(tǒng)設(shè)計,首先需要記錄生豬的收購信息進入系統(tǒng),其次在生豬進入流水線上后,用工業(yè)級識讀器,識別并順序記錄生豬的二維耳標編碼進入計算機系統(tǒng);下一步將要使用的超高頻RFID標簽,通過RFID閱讀器(圖1中(2)和(3))寫入胴體編碼,并由特定的數(shù)據(jù)庫表進行管理;第三步是接受來自通過圖1系統(tǒng)傳輸來的胴體標簽系列號碼,并與本部分(1)處理的耳標編碼實現(xiàn)嚴格的2對應(yīng)1的關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)的屠宰胴體數(shù)據(jù)記錄需要記錄屠宰環(huán)節(jié)宰前檢驗和宰后檢疫共16道工序的定量、定性檢驗結(jié)果。最后,針對屠宰環(huán)節(jié)自動記錄和人工錄入的相關(guān)模塊,建立屠宰溯源信息維護模塊,最重要的當某批次的、經(jīng)官方獸醫(yī)檢驗的豬白條豬肉出廠進入專賣店或超市時,需要通過本模塊,完成該批次的屠宰溯源數(shù)據(jù)向遠程溯源中央數(shù)據(jù)庫的提交。一般而言,提交的數(shù)據(jù)是經(jīng)過駐廠官方獸醫(yī)認可后才能提交,為保證出現(xiàn)質(zhì)量問題時責任可追究。1.7分割標簽的設(shè)計圖3所示為帶有電子標識的豬白條(或胴體)進入超市后,在消費終端的胴體標簽與終端產(chǎn)品分割溯源標簽的轉(zhuǎn)換方案。胴體標簽(1)經(jīng)一種平面式超高頻RFID閱讀器(2)識讀,識讀的標簽數(shù)據(jù)經(jīng)RS232接口轉(zhuǎn)PS2數(shù)據(jù)線,輸出到分割標簽打印機(3)。平面式閱讀器讀取距離小于10cm,寫入距離小于5cm。在標簽打印機(3)的內(nèi)存區(qū),嵌入有標簽打印模塊,以及為不同部位豬肉設(shè)計的快捷打印模塊。此解決方案的特點如下:一是實現(xiàn)了胴體電子標簽向終端豬肉產(chǎn)品的一維條碼標簽的轉(zhuǎn)換;二是標簽的轉(zhuǎn)換與條碼的打印是在無需計算機系統(tǒng)的支持下完成的,簡化了技術(shù),方便了銷售現(xiàn)場的干預(yù)與操作,具有經(jīng)濟適用性與可操作性。分割標簽的設(shè)計如圖3中(4)為終端分割標簽。標簽內(nèi)容主要包括產(chǎn)品的類型、企業(yè)的標識、批號、生產(chǎn)日期及溯源條碼和溯源編號。溯源碼實質(zhì)上是轉(zhuǎn)換來的胴體編碼。即來自同一豬只胴體的分割肉擁有相同的溯源碼。1.8ft系統(tǒng)團隊系統(tǒng)開發(fā)是在Windows2003企業(yè)版上進行,主要工具軟件包括MicrosoftVisualStudio.NET、WindowsMobile6.0SDK、MicrosoftActiveSync4.5、MicrosoftSQLServer2005、MicrosoftVisualBasic6.0等。2系統(tǒng)功能和分析2.1耳標信息上上傳承擔源中心在屠宰開始前,打開計算機并啟動耳標采集系統(tǒng),調(diào)試好掃描槍。在豬屠宰過程中,工作人員在去頭、剪下耳標的同時用掃描槍讀取耳標信息,通過計算機終端把耳標信息上傳到屠宰溯源數(shù)據(jù)中心,圖4為屠宰廠屠宰起始處在線采集耳標的界面,采集的耳標數(shù)據(jù)分批次傳輸?shù)酵涝讖S局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)器中。在豬燙毛過程中,豬耳標時有脫落。為了不影響屠宰流水線的正常進行,最大限度保障溯源屠宰信息的完整性,耳標采集系統(tǒng)通過圖4中的“登記無耳標豬”模塊,產(chǎn)生替代號碼并傳到屠宰溯源信息中心。由于屠宰場在收豬和屠宰過程中,都是以商品豬供貨商為單位依次屠宰,因此,商品豬的來源或所屬養(yǎng)殖場信息的準確性不會受到影響。2.2rfid肉標簽寫寫系統(tǒng)RFID標簽佩戴位置選擇在豬胴體二分切割工藝處,安放一臺裝有“RFID標簽讀寫系統(tǒng)”的計算機終端觸摸系統(tǒng)、超高頻RFID讀寫器及天線,計算機通過局域網(wǎng)與屠宰溯源數(shù)據(jù)中心連接(圖1)。根據(jù)屠宰流水線速度(2~9m/min)或相鄰胴體間距(大于0.5m),調(diào)整讀寫器發(fā)射功率和RFID天線安放位置(與流水線距離1.5m左右),減少金屬物品等電磁反射干擾,結(jié)合軟件系統(tǒng)模塊輔助以避免連續(xù)胴體上標簽的重讀等操作。在屠宰開始前,準備好RFID胴體標簽,然后啟動“RFID胴體標簽讀寫系統(tǒng)”。該系統(tǒng)會從屠宰場溯源數(shù)據(jù)中心按照順序獲取耳標編碼,按RFID胴體標簽制作規(guī)范產(chǎn)生胴體標簽編碼,并寫入到超高頻RFID胴體標簽。屠宰廠工作人員在豬胴體送上胴體切割設(shè)備前,把RFID標簽通過帶扣環(huán)的塑料綁繩固定在胴體上端外側(cè)。圖5為屠宰線上無干擾的胴體標識識讀顯示與數(shù)據(jù)傳輸界面。為操作的方便性,均設(shè)計了觸摸屏,工作人員只需觸摸就能完成數(shù)據(jù)的傳輸。2.3移動查詢服務(wù)除上述提供的網(wǎng)絡(luò)查詢外,本研究還提供移動PDA、手機WAP技術(shù)和手機短信平臺等方式的移動查詢服務(wù),可方便滿足不同時空狀態(tài)下的消費者的知情權(quán)。3結(jié)果與討論3.1種豬溯源管理本系統(tǒng)在進行溯源關(guān)鍵點分析基礎(chǔ)上,特別針對屠宰中間環(huán)節(jié),只在耳標分離處掃描耳標信息和胴體分割工藝處采集胴體標簽信息,在天津市某生豬屠宰場及豬肉專賣店示范豬只累計已達1.08萬頭,不正確標簽識別9個,RFID標簽讀寫正確率在99.9%以上,讀寫速度不影響流水線作業(yè)。這樣,不僅能按照系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范整理屠宰溯源信息,也將養(yǎng)殖過程信息和終端銷售分割信息通過耳標編碼及胴體編碼進行對接,實現(xiàn)全程質(zhì)量安全可溯源查詢。本研究是豬產(chǎn)品質(zhì)量安全全程溯源系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),主要通過物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)即超高頻RFID技術(shù),解決了在畜產(chǎn)品質(zhì)量溯源的物質(zhì)鏈與信息鏈容易發(fā)生脫節(jié)或者是容易出現(xiàn)差錯的現(xiàn)象,保障溯源信息的完整性,提高溯源信息查詢的實效性。目前,本系統(tǒng)構(gòu)建的屠宰環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集體系,已經(jīng)融合到在山東省東營市、天津市和河北省等省市的豬肉質(zhì)量安全溯源網(wǎng)絡(luò)平臺中。3.2豬豬肉肉體系中rfid技術(shù)的應(yīng)用前景與問題本研究中屠宰環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集方案均由官方獸醫(yī)負責。盡管可能由場內(nèi)的技術(shù)員采集數(shù)據(jù),但數(shù)據(jù)上傳到溯源數(shù)據(jù)中心必須由官方獸醫(yī)提供預(yù)設(shè)的密碼后上傳,并對提交的分管區(qū)域數(shù)據(jù)的真實性負責。顯然,這種模式將我國目前官方獸醫(yī)制度與肉品質(zhì)量溯源工作融合起來,是目前解決我國的溯源體系建設(shè)中尚無第三方認證背景下的一種臨時性方案。通過在幾個地市的實施,也取到了預(yù)期的效果。但涉及的一些責、權(quán)、利問題還需通過制度化建設(shè)去解決。在屠宰場溯源系統(tǒng)中應(yīng)用RFID技術(shù),有利于保障豬屠宰過程中溯源信息采集的自動化、可靠性與有效性,解決了屠宰較惡劣環(huán)境下的信息采集的技術(shù)難題,達到了低頻和高頻RFID技術(shù)系統(tǒng)難以實現(xiàn)的技術(shù)效果。這表明,超高頻RFID技術(shù)在生豬屠宰乃至其他畜產(chǎn)品的屠宰環(huán)節(jié)上具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前仍有一些問題需要注意和解決。首先是如何統(tǒng)一物品編碼及頻段問題。因為所謂的超高頻,實際上涉及了一個較大的頻率區(qū)間范圍,即860~960MHz。究竟選用其中具體的頻率需要在行業(yè)內(nèi)、外部進行協(xié)調(diào),避免與其他行業(yè)發(fā)生沖突。其次是成本問題與標簽的回收再利用問題。如果要做到單件產(chǎn)品,不論豬肉、牛肉等中間產(chǎn)品均帶RFID標簽,勢必要求標簽價格合理,能回收重復(fù)使用,將標識每片胴體的費用降低到屠宰廠可以