RFID技术在道地中药材质量溯源中的应用研究

张　博，南淑萍，孟利军

(1.亳州职业技术学院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜阳师范学院计算机与信息学院，安徽 阜阳 236037；

3.北京同仁堂(亳州)饮片有限公司，安徽 亳州 236800；)

RFID技术在道地中药材质量溯源中的应用研究

张博1，南淑萍2，孟利军3

(1.亳州职业技术学院信息工程系，安徽 亳州 236800；

2.阜阳师范学院计算机与信息学院，安徽 阜阳 236037；

3.北京同仁堂(亳州)饮片有限公司，安徽 亳州 236800；)

摘要：在亳州道地中药材的种植和流通加工过程中，使用无线射频技术(RFID),可以实现对中药材的质量监控和溯源.使用改进的内存索引结构算法，能够实现对RFID原始数据的批量处理，不断完善统一读写设备的实现架构.同时利用非对称密钥的加密算法，避免中药材重要数据在生产和流通过程中泄露和被篡改，提高电子标签的数据安全性.

关键词：物联网；RFID；道地药材

亳州地处安徽北部，中药材种植和加工具有悠久历史，目前建有全国最大的中药材交易中心，交易辐射全国及海内外，中药产业的发展直接影响到亳州整体经济的发展速度.亳州的自然条件和生态环境，适宜种植中药材，地产药材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已经被《中国药典》收录，具有很高的药用价值和疗效.

近年来，由于中药材价格不断攀升，亳州当地很多农民纷纷放弃传统的地产药材种植，转而种植“短、平、快”的中药材.由于缺乏种植经验，同时部分药农受利益驱动,出现了药材质量下降、农药残留超标等问题，大量非道地产区的伪劣药材冒充道地药材的名义进入市场，造成了“道地药材不道地”的现象.由于伪劣药材的冲击，使得一些种植规模较小、市场占有率低的地产药材品种，亟待得到保护性种植与开发.如纯正的亳菊，近年来种植面积大幅度萎缩而面临灭绝危险.同时在药材交易过程中，不发商贩采用硫磺熏制、添入加重粉、以假充真等手段，致使药材市场充斥大量假冒伪劣中药材，直接影响到人民群众的用药安全.

物联网是建立在互联网基础上的新一代信息技术.在物联网中，物品可以通过射频信号，自主加入传感器网络，彼此之间进行数据通信，从而实现智能化的组网过程[1].在药材的种植与栽培过程中，利用RFID技术，监控药材生长环境中的温度、湿度、土壤墒情等因素[2]，更好保护地产药材的品质.在药材流通和加工过程中，将中药材的品种、产地、种植、药性等信息，写入无线射频标签，通过读取设备，随时获得药材所带电子标签中的信息，从而实现对药材质量的监控.

本文通过对物联网技术进行深入研究，提炼物联网技术在亳州道地药材保护中的应用研究模式，探讨采用RFID技术后药材生产全过程的改进情况，从而为保护亳州中药产业有序健康的发展提供现代技术支持.

1追溯体系在国内外发展现状

物联网技术的应用在近年得到快速普及，经过信息技术人员的努力，RFID技术在蔬菜、食品、农作物种植等方面的追溯应用上取得了很大的进展.

(1)中国科学院院士陈俊亮率领的研究团队，开展在棉花种植与流通过程中加入RFID芯片，用于追查制作衣服的棉花质量.

(2)广东省出入境检验检疫局信息中心与香港大学、香港食品与环境署联合开发基于RFID技术的供港活猪全程溯源系统，实现了供港活猪检疫查验电子化和全程溯源，广东省内93家定点饲养场全部实现电子化耳标管理.

(3)新疆农业大学草业与环境科学学院承担的国家“十二五”科技支撑计划——“新疆特色农业物联网信息化技术示范基地建设”，开发基于RFID与WebGIS的阿克苏苹果质量安全溯源系统[3]，取得了较好的推广效果.

(4)美国2004年启动国家动物标识系统(NAIS)，利用物联网技术，对养殖场动物个体进行标识，在发现外来疫情的情况下，可以在48小时内确定所有与其直接接触的企业.

(5)澳大利亚通过实行国家牲畜标识计划(NLIS)，建立永久性身份系统[4]，能够全程追踪家畜的养殖到屠宰，从而保证出口欧盟的牛肉产品安全性.

(6)欧盟2002年出台《食品安全法规》，立法规定从2005年开始，在欧盟市场销售的食品都必须携带可追溯标签，当食品出现安全问题时，可以快速查找问题来源.

(7)世界各国对物联网产业的发展都非常重视，相继出台了相关发展政策.

1)2004年日本总务省提出U-Japan计划，准备利用物联网技术，将日本建设成一个随时随地、人与物体都能够智能连接的网络社会.

2)2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商界举行了一次“圆桌会议”，会议上首次提出“智慧地球”概念，会后美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点.

3)2009年8月，温家宝总理发表了“感知中国”的讲话，进一步推动了我国物联网技术的快速发展.

利用物联网技术开展产品质量追溯工作已受到社会各界的广泛重视，提到议事日程上来，并己获得一些初步的结果.目前建立的追溯系统，主要还是集中在食品、农作物、家畜等传统行业中，并没有针对中药材的特性，开展有效的溯源研究工作.将物联网技术应用在中药材的种植、流通、生产的全过程溯源中，为我国中医药产业的健康发展提供了新的思路和方法.

2RFID技术在亳州道地药材溯源中的应用

2.1　应用背景

亳州地处安徽北部，黄淮冲积平原，气候和土壤适宜中药材的生长，中药材的种植和销售具有悠久历史，亳州地产药材中，具有代表性的亳菊、亳芍、亳桑皮、亳花粉已经被《中国药典》收录，在亳州当地种植面积广，具有很高的药用价值和疗效.

当前, 困扰中药产业的瓶颈问题主要是中药材和中药饮片的质量问题, 不同于西药相对固定的生产加工模式, 中药由于来源的特殊性, 生产流通环节较长，对其内在质量影响的环节多.从产地到种植, 从采收到炮制, 从运输到销售, 每一步稍有不同, 生产出的药品质量就会相差很大.中药材种植、炮制过程中的质量控制，过去多采用人工辨识的方法，导致中药材的质量相差很大，直接影响到最终中药产品的质量稳定性.

2.2　总体研究思路

物品追溯体系是物联网技术研究的重要领域，是保证产品质量的主要监控手段.随着信息技术普及，现在已实现了物联网技术在农作物种植、猪肉检验检疫、食品安全等领域的溯源应用.利用物联网建立道地中药材的追溯系统，能够更好的保护各地宝贵的地产药材资源，使中国传统的中药产业得到健康发展，在国际市场上重新焕发更强大的活力.

在物联网技术中，选择什么作为道地药材追溯系统研究的切入点值得我们深思.根据物联网技术发展的趋势和中药材的特点，本文选取RFID技术作为药材溯源的切入点.

利用物联网的无线传感器技术，可以对中药种植与加工的各个环节进行监控.在药材生成和流通的过程中，使用RFID技术，将中药材的品种、产地、药性等信息，写入RFID标签，可以随时通过读取设备，获得药材所带电子标签中信息；在药材的种植过程中，利用RFID技术，可以监控药材生长环境中的温度、湿度、墒情等因素[5]，更好确保地产药材的品质.使用物联网技术建立中药材追溯系统，可以进一步提高地产药材的质量和稳定性.

实现统一读写设备管理和提高电子标签访问安全是目前RFID技术中需要解决的两个重要问题，由于目前市场上的各种读写设备没有统一标准，如何实现协调一致的通信协议接口，打破厂商之间的技术瓶颈是亟待解决的问题，只有这些问题得到解决，才可以实现RFID读取设备的即插即用.同时，对RFID电子标签进行安全性加密，可以有效防止药材流通与生产过程中的上下游企业非法篡改标签中的信息[6]，保证药材的品质.

2.3　主要技术路线

本文的主要工作是改进传统物联网溯源系统，并应用在亳州道地药材的质量监控和保护过程中.针对中药材数据的特点，在提出改进数据处理算法的基础上，进一步深入研究设备统一读写服务器的开发方法，使用基于椭圆曲线密码机制的线路提高电子标签的数据安全性，将RFID技术和药材的质量追溯结合起来进行研究.

在RFID应用中，对于大数据的处理，会导致系统需要处理的数据负荷迅速加大.同时，又要兼顾各种读写器底层的协议，数据集成与处理算法对于RFID系统至关重要.为了建立有效的溯源系统，将研究重点放在以下几个方面：

(1)使用改进的内存索引结构算法对RFID原始数据进行处理.

本文主要采用一种改进的T树的数据优化算法.内存数据库是大规模RFID应用过程中实现对数据精准处理的场所[7]，如何提高数据筛选、分类、统计等功能，关键是找到一种适合RFID应用特点的算法.目前应用比较广泛的是B树和T树两种结构，其中T树更适合于处理内存数据.根据对传统T树特点的分析，本项目提出了在T树的基础上，增加两个指针，从而使相互分散的标签数据间建立有机联系，形成健壮的改进型T树.通过对RFID数据集成的特点进行分析，在改进T树中设置四个头节点，分别代表处于前置发现状态的标签指针、前置已保存标签指针、后置发现状态的标签指针、后置已保存标签指针.这种改进T树可以实现快速的查询、添加、删除等操作，大大提高了数据的处理效率.

在上面的研究基础上，进一步实现对T树链表的查找、插入、删除等操作.由于在数据插入时利用了T树的查找，在数据检索时利用链表遍历，因此改进型T树对于大规模RFID数据处理具有较高的效率.为了处理系统数据运算时的任务分配不均现象，针对系统特点优化算法，采用实时调整策略，同时过滤重复数据以降低系统负荷.优化后的T树算法克服了传统T树算法的缺点，减少了扫描数据次数，提高了数据处理速度和效率.

(2)对统一读写设备服务的实现架构进行研究.

在RFID技术实现过程中，由于各个厂家的读写设备协议的不兼容性，造成了读取数据后期处理的复杂度[8].建立一种通用独立RFID中间件设备管理协议机制，使用协议转换脚本来记录具体设备与设备接口直接的映射关系，可以很好地驱动各种读写设备，实现在网络中对不同厂家设备的即插即用.

结合RFID技术的特点，本文提出了独立设备管理服务器的架构，通过建立一个通用的读写设备接口，然后使用协议转换脚本来记录具体设备与设备接口直接的映射关系.边缘服务器中的协议转换层负责解释脚本信息，从而将这种映射关系最终转换为驱动某个具体设备的指令，达到数据读写设备即插即用的目的.

(3)使用非对称式的电子标签数据加密算法的研究.

使用非对称式算法的密钥机制，更好提高了电子标签访问的安全性，避免药材在流通过程中第三方在非授权的状态下读取标签数据，具有很好的实践应用价值.

对于药材溯源系统，RFID标签的安全性是至关重要的问题.由于采用无线射频技术通信，非授权读写电子标签的操作变得更加容易[9].不法厂商可以通过读取电子标签，获得药材的产地、日期、物流路线等商业隐私信息，并且通过特殊设备改写其中的信息，将伪劣药材冒充为道地药材.

目前RFID技术中常用的安全解决方案包括物理和密码两种.物理方案主要有破坏标签、屏蔽读写器信号、干扰标签等方法，安全效果常常受限于硬件设备.密码方案主要通过算法来实现对标签的安全访问，具有更好的灵活性，现在研究的重点在于加密技术的使用及身份验证上[10].在开放RFID应用系统中，因药材的流通时间较长，使用对称式加密算法在密钥交换上操作比较困难，并且一旦发生泄漏，整个供应链的标签都会受到攻击.使用非对称式算法的密钥机制可以很好地解决以上问题，将公钥发给合作厂商，让合作方在标签中写入公钥加密的数据，确保只有本企业和合作伙伴才能够对标签信息进行解密[11].

3总结

将物联网技术应用在中药材追溯研究上，将对道地药材的保护提供技术保证，标志着我国中医药领域利用现代信息处理技术己经跨上一个新台阶，必将促使中药产业的信息化工作在原有基础上获得进一步发展.

参考文献：

[1]李如年.基于RFID技术的物联网研究[J].中国电子科学研究院学报，2009，(6):594-597.

[2]李林，刘晓，殷放宙.物联网技术在中药产业中的应用前景[J].南京中医药大学学报(社会科学版)，2010，(3):170-173.

[3]张土前，蒋平安.基于RFID与WebGIS的阿克苏苹果质量安全溯源系统[J].新疆农业科学，2012，(8):1519-1524.

[4]王成瑞，段富海.物联网关键技术在食品溯源中的研究与应用[J].物联网技术，2012,(8):66-70.

[5]侯春生，夏宁.RFID技术在中国农产品质量安全溯源体系中的应用研究[J].中国农学通报，2010，(3):296-298.

[6]江昌旭，汪礼超，唐荣年.基于RFID技术的芒果品种识别与信息追溯系统研究[J].中国农机化学报，2013,(3):188-191.

[7]陈旭辉，王馨，柯铭.一种改进的基于RFID中间件的冗余数据清洗算法[J].微电子学与计算机，2013,(7):154-158.

[8]饶绪黎，张美平，许力.基于Zigbee技术的RFID读卡系统设计[J].山东大学学报(理学版)，2013,(7):62-67.

[9]黄玉兰.射频识别(RFID)核心技术详解(第2版)[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[10](美)黄铠，福克斯，唐加拉.云计算与分布式系统：从并行处理到物联网[M].武永卫，译.北京：机械工业出版社，2013.

[11]李道亮.农业物联网导论[M].北京：科学出版社，2012.

(责任编校：晴川)

Applied Research on Traceability of Authentic Chinese Herb Based on RFID

ZHANG Bo1，NAN Shuping2，MENG Lijun3

(1.Department of Information Engineering，Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou Anhui 236800，China；

2.College of Computer and Information，Fuyang Teachers College，Fuyang Anhui 236037，China;

3. Beijing Tong Ren Tang (Bozhou) Herbal Decoction Pieces Ltd，Bozhou Anhui 236800，China)

Abstract：In the authentic Chinese herbal cultivation and distribution process in Bozhou, we can realize medicine trace and quality control by using RFID, radio frequency technology. Improved memory index structure algorithms is employed for achieving the batch processing speed of RFID raw data, and constantly improving the unified architecture of reading and writing equipments. At the same time, asymmetric key encryption algorithm is utilized to avoid the loss and change of important medicine data in the production and distribution process, so as to improve the security of electronic tag data.

Key Words：internet of things；RFID；authentic Chinese herb

作者简介：张博(1975— )，男，安徽界首人，亳州职业技术学院信息工程系副教授，硕士.研究方向：系统分析与集成、软件中间件.

基金项目：2014年度安徽省教育厅自然科学重点基金项目(批准号：KJ2014A171)；2013年度安徽省教育厅青年人才基金重点项目(批准号：2013SQRL129ZD)；2013年度安徽省教育厅自然科学基金(批准号：KJ2013Z261)资助项目；2014年度亳州市政府科技创新团队项目(批准号：亳组2014(21)号).

收稿日期：2015-03-02

中图分类号:TP311

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2015)02-0064-03