基于RFID、QR Code、NFC建立肉食品供应链追溯系统

钟聪儿, 林宇洪, 邱荣祖

(1.厦门城市职业学院 福建 厦门 361008;2.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)



基于RFID、QR Code、NFC建立肉食品供应链追溯系统

钟聪儿1, 林宇洪2, 邱荣祖2

(1.厦门城市职业学院 福建 厦门 361008;2.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

摘要:为了加强肉食品供应链的监管，达到正向可追踪，逆向可追溯的目的.把供应链划分为饲养、加工和流通三个阶段，根据每个阶段的工作特点，选择了RFID、QR Code、NFC等技术的组合应用开发了追溯系统.该系统实现了分段管理：(1)在饲养阶段应用自制的“复合型RFID耳标”兼顾了远距离识别和大容量生产日志的存储；(2)在加工阶段应用成本低、抗污损能力好的QR Code码实现了肉块分割和识别追踪；(3)在流通阶段应用了NFC技术实现管理，方便消费者利用手机扫描成品包装上的NFC标签，实现供应链的逆向追溯，积极参与产品的质量监管.该系统的应用能够对肉类供应链实现全程、无缝的监管，同时保障了消费者知情权，增强消费信心.

关键词:肉食品供应链; 追溯系统; 无线射频识别; 二维码

2015年“两会大数据”再次表明食品安全依然是中国国民最关注的问题之一.以肉食品为例，“瘦肉精”等食品安全事件引发了国民不安，甚至导致备战奥运的运动员无肉可食的现象.分析国内案例可知，食品供应链长且复杂、生产企业违法成本低、监管体系不健全是中国食品安全的三大难题.2013年欧洲发生“马肉风波事件”，涉及16个欧盟国家，历时数月才查清原因[1].该事件说明即便在科技发达、法律健全的西欧，从复杂肉食品供应链中逆向找到问题环节依然面临困难.在国内外食品安全案例中，消费者出现恐慌情绪，其根源是“信息不对称”，消费者不了解肉源合法性和工艺流程，不能参与监管，无法自主选择，容易形成并传播谣言.在信息不透明的环境中，失去信心的消费者将选择高端产品，许多中端产品的合法企业营业额下滑，被挤出市场，而劣质、假冒产品随之抢占中端市场，这样的结局将不利于市场的健康发展.

肉类食品供应链的安全监管已成为全球共同关注热点，2008年以来，欧盟、加拿大、韩国、美国等国家陆续颁布了“从农场到餐桌”的食品供应链全程监管的法律[2-5].国内熊本海等于2009年基于PDA和GPRS技术开发猪肉质量溯源平台，实现了正向追踪和反向追溯[6]；钱建平等于2015年应用信息技术实现了蔬菜的追溯[7]；高万林等于2015年应用信息技术建立了猪场综合管理系统[8].分析认为，大多数研究成果服务于政府和机构，向消费者直接提供信息少；部分成果仅使用一种信息技术，只能进行供应链的部分环节的监管；部分成果过于依赖数据库，在无网络无数据库的环境中无法工作.

肉食品供应链可划分多个阶段，各个阶段的工作环境不同，单一的信息技术往往只能记录若干环节的信息[9]，无法实现对供应链全程覆盖[10]，特别是养殖阶段处在牧场，网络条件差，连接数据库十分困难.因此在前人研究基础上，提出组合应用多种信息技术，实现肉食品供应链的全程追踪与追溯[11].新的追溯方法还应当充分满足消费者的知情权，形成新的监管力量.

1技术选择

肉食品供应链可划分三个阶段，上游的饲养阶段处在养殖场或牧场环境，需要识别活动状态的牲畜，需要在无网络无数据库支撑的环境中存储牲畜的饲养日志.中游的加工阶段处在厂房内，需要在血污的环境中对不断细分的肉块标识和追踪.下游的流通阶段出现了批发商、零售商、消费者三种客户群体，需要在技术上支持客户和商品信息交流，追溯供应链日志，同时保护品牌，防止假冒商品侵害.

RFID(radio frequency identification，无线射频识别)动物耳标已发展成熟，分为UHF(ultra high frequency)和HF(high frequency)两种频段的耳标，工作特性有较大的差异，UHF频段的耳标识别距离为5～15 m[12]，仅能存储一个绝对唯一的身份编号，可在牲畜自由活动的环境中实现位置感知和身份识别，但需要联网查询数据库才能获得详细饲养日志.HF频段的耳标工作距离小于10 cm[13]，有较大的存储空间，可以离线存储饲养日志.两种RFID耳标均可应用于饲养阶段的牲畜管理.

2D Barcode(two dimensional barcode，二维码)具有抗污损能力好，离线存储信息大[14]，其中的QRCode(quick response code)码制，支持360°全方向识别，解码速度快，抗污能力强，适合在高速流水线上实现对分割后的肉块的身份识别，适宜应用于半成品加工阶段的信息追踪.

NFC(near field communication，近场通信)是在传统RFIC(radio frequency integrated circuit，射频集成电路)技术基础上发展的新型电子信息技术.以2014年上市的iPhone 6为代表，各大品牌的旗舰级手机大多都配置了NFC传感器.NFC技术是一种短距离、高频段、大容量的无线电通信技术，接口遵循ISO/IEC IS 18092国际标准，通信距离在20 cm内，工作频段为13.56 MHz.未来消费者可以通过拥有NFC功能的智能手机实现与商品的信息交流，因此适宜流通阶段的追踪和追溯[15].

综上所述，RFID+QRCode+NFC三种信息技术的组合应用能够覆盖肉食品供应链全程，实现上游、中游与下游不同环境下的正向追踪[16]，消费者又能利用手机的NFC传感器扫描包装上的NFC标签，实现肉食品供应链的逆向追溯.

2系统架构设计

肉食品供应链实现分段管理模式见图1，可以划分为饲养、加工、流通三大阶段.(1)饲养阶段包含了牲畜繁育、饲养至牲畜销售，运输进屠宰场等环节，该阶段的特点是牲畜处于活体状态，移动范围大，大多场景处于恶劣的野外环境，网络通讯条件不好，难以实现数据库化管理，因此采用自制改良的“复合型RFID耳标”管理，目的是即能实现牲畜的远距离识别，又能在耳标中存储饲养日志；(2)加工阶段包含上屠宰流水线、分割肉块、半成品加工等环节，大多场景在厂房内.该阶段的特点是牲畜被分割成多个肉块，耳标的身份标识功能则自然失效，工作环境血污较多，机械加工过程粗暴，无法使用抗污损能力较差的一维码，所以该阶段引入QRCode实现对每个肉块实现身份管理；(3)流通阶段包含了出厂、库存、批发及零售等工作环节，此时产品以冰冻肉块或成品包装的形式，在市场上流通.该阶段的特点是客户开始介入，充分利用客户的手机NFC扫描功能，让客户能够了解产品生产信息，对货源选择做出更有利的决策，所以应用NFC管理.三种信息技术的组合应用下，首先实现肉食品供应链的全程正向追踪，又能支持消费者进行供应链逆向追溯.最终消费者在餐桌上用手机扫描成品包装上的NFC标签，通过解读NFC标签存储的供应链信息，无需互联网和数据库的支持，即可实现逆向追溯，了解“从农场到餐桌”的全过程[17].

3系统开发

3.1饲养阶段模块设计

市场上常见的动物耳标为UHF频段的915 MHz频率的RFID标签，容量小，仅能存储耳标号，生产上的每道环节都必须依靠计算机实时联接互联网上的数据库存取信息，牲畜饲养环境恶劣，实时联网难以实现.而更加边远的牧场通常只能采用GPRS移动技术联网，运营成本高，通讯效果不稳定.

为适应中国户外网络通信条件不好的国情，不采用联网检索数据库的方法，而是对UHF频段的RFID耳标进行改良，在购买到的UHF耳标上粘贴HF频段的“Mifare ONE IC S70”芯片，制成“复合型RFID耳标”.其中UHF频段的RFID芯片按《畜禽标识和养殖档案管理办法》、《牲畜耳标技术规范》规定存储最长15位的耳标号，能支持10 m左右的远距离识别；HF频段的S70芯片存储牲畜的饲养日志，约可以存储1 kByte信息.改良后的“复合型RFID耳标”成本为5元，同时拥有UHF和HF两种芯片的优点，即能实现远距离识别运动牲畜的身份，又能实现饲养日志的存储.该阶段的模块设计详见课题组发表的文献[18].

3.2加工阶段的模块设计

RFID耳标存储了牲畜的饲养日志，并随牲畜同行，进入屠宰单位后，还能记录屠宰信息，但是上加工流水线后，耳标随即和牲畜分割后的多个肉块分离，耳标和肉块呈一对多关系，因此耳标技术无法再分别追踪每个肉块的加工流程.此时引入QRCode信息技术进行加工阶段的管理.屠宰流水线二维码生成器的程序界面见图2，牲畜在屠宰前扫描耳标，摘录S70芯片中内存的核心信息，再增加屠宰流水线的信息后，按屠宰工艺分割的肉块数，批量打印所需的多个QRCode，将QRCode喷绘在塑料基质的薄片上，钩置于牲畜的不同部位，所以在流水线分隔后，每个肉块上都将携带二维条码标识.

QR code技术在屠宰流水线中的应用过程见图3.如图1中的分割示意图所示，生牛在流水线上按某屠宰工艺将分割成“头部、前部肉、肩肉、胸肉、…”等18个肉块，则在上流水线时，即喷绘18个QR code塑料片，预先钩置于牲畜的18个部位上.待屠宰流水线走完后，每个分割的肉块上都会有一个QR code，用于标识肉块的来源.QR code能够存储1kByte的信息，除了存储耳标的全部信息外还能额外存储肉块的编号和加工日志.耳标和QR code呈一对多关系，带有QR code的肉块在后续加工中通常还会出现再分割的需求，则扫描旧的QR code的全部信息，增加新的工序日志信息，生成新的QR code，预先钩置将细分的部位上.此项设计无需数据库的支持，就可以实现信息的传承和延续.旧的QR code和新的QR code也呈一对多关系.计算机按牲畜编号进行重量监控，牲畜下流水线时最终分割的肉块重量总和必须小于该牲畜上流水线前的重量，从而阻绝混入未知来源肉块的违规行为，降低了工商、质检部门的监控难度.

3.3流通阶段的模块设计

肉类食品以成品状态出厂后，则进入流通阶段.流通阶段处于供应链的下游，此时出现了客户群体.对于生产企业而言，客户群体包含了批发商、零售商和消费者，他们都同样关心产品质量，希望供应链信息透明，以便自主决策采购方案.二维码和NFC技术都能支持客户群体利手机扫描阅读供应链日志，但是二维码存在着容易复印的先天不足，非法企业可以通过复印正厂包装上的QR code的方法生产假冒食品，普通消费者假以识别.NFC技术则具有较好的防复制能力，其序列编号全球绝对唯一，无法复制.在试运行中，首先选择了价格最便宜的“Mifare ONE”型号的几种芯片，发现三星GALAXY S4、三星GALAXY S5、小米3及魅族MX3等NFC手机无法识别.后选择了“NTAG216”芯片的NFC标签，能够兼容市面上的所有NFC手机，其容量为888Byte，批发价格2元，拥有唯一序列号和数字签名，可联网验证真伪，能够对存储信息实现密码保护，设置信息的只读状态，记录读写次数，因此十分适宜应用于流通阶段的追踪和追溯.应用安卓二次开发技术，开发NFC扫描程序，扫描成品包装上的NFC签片，扫描界面见图4.消费者能够追溯获知供应链的全程日志.

3.4政府部门电子监查算法

监管中心电子监查程序按如下流程实时监管肉食品供应链，(1)检查NFC卡涉及的所有企业资质，可发现非法生产行为；(2)检索耳标芯片编号是否有效，可判定牲畜来源合法性.(3)检索NFC编号是否有效，从而判断成品真伪.(4)追踪牲畜屠宰前重量和分割后肉块总重量比值是否合理，从而发现混入非法肉源行为.(5)计算当前日期和出厂日期的差值，根据标定的保质期，判断食品是否过期未售.发生食品安全事故后，监管中心先扫描问题食品包装上的NFC标签，逆向追溯供应链日志.专家分析确定问题环节后，再从加工数据库中检索耳标号、肉块编号、NFC编号的更替顺序，正向追踪同批次产品的流量和流向，通知流通企业封存未售产品，可及时控制安全事故造成的危害.

屠宰场卸下的动物耳标上交给政府监管部门，经消毒，清空数据，封存三年，原先肉食品供应链周期必然结束，可重复使用.理论上成品包装上的NFC标签也可再次使用，但是回收成本较高.

4结论与讨论

通过对厦门银祥肉食品加工车间的调研，吸取了该企业的先进管理理念，综合应用了物联网科技中的RFID、QRCode和NFC等多种信息技术，设计了肉食品供应链追溯系统，并分别在三种类型(饲养、加工、流通)的多个企业进行了测试，总结该项系统具有如下优缺点：

(1)在饲养阶段使用自制的复合型RFID耳标，拥有远距离识别和大容量存储两大特性，可回收利用，由于牲畜饲养场通常设在偏僻、偏远的荒凉地带，网络通讯的基础设施相对落后，使用复合型RFID耳标追踪饲养阶段的各供应链节点，在养殖过程中无需联网提交数据，无需使用远程通讯传递数据，在牲畜交易过程中容易实现跨省数据交换.在牲畜饲养阶段应用复合型RFID耳标很好地适应了中国的牲畜饲养环境.但是缺点是依赖耳标，如果牲畜在物流中耳标遗失，只能由原饲养企业根据养殖档案补发新耳标.

(2)在加工环节使用塑料基质的二维码，预先勾挂在牲畜的各个部位上，可实现对分割后不同部位的肉块分别进行追踪，在编码上选择纠错能力好的QRCode，在生产过程中不怕血水和油脂的污损.可随着肉块的细分，加工的深入，不断给半成品加附二维码，延续信息的传承.其缺点是工业流水线上使用的条码快喷设备成本较高，也可用普通标签打印机代替，把二维码先印至不干胶纸上后，手工转贴至塑料片上.

(3)在流通环节应用NFC芯片实现逆向追溯，具有较好的仿伪性能，能从供应链中清除假冒产品，由于现阶段的安卓手机普遍具备NFC卡识别功能，消费者通过手机端能够轻松参与供应链的监督，把食品安全监管从政府一元管理转化为政府、市场、消费者多元协同监管，提高肉食品安全监管力度，保证了肉食品供应链的透明性，降低了政府监管成本.同时有效保障了消费者的知情权，增强了消费信心.其缺点是NFC芯片成本远高于条码，有待进一步探索逆向物流的方法，实现对产品包装上的NFC芯片回收.

参考文献

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(责任编辑:吴显达)

收稿日期：2015-09-21修回日期：2016-03-21

基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(科技)(JA15822);福建省科技厅重点项目资助(2014H0010).

作者简介:钟聪儿(1983-),女，讲师，硕士.研究方向：农产品物流.通信作者邱荣祖(1961-)，男，教授，博士，博士生导师.研究方向：物流工程.Email:875693642@qq.com.

中图分类号:S126

文献标识码:A

文章编号:1671-5470(2016)04-0471-05

DOI:10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.04.015

Establishment of traceability system for meat food supply chain based on integration of RFID, QR Code and NFC

ZHONG Conger1, LIN Yuhong2, QIU Rongzu2

(1.Xiamen City University, Xiamen, Fujian, 361008, China; 2.School of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian, 350002, China)

Abstract:To strengthen the supervision of meat product supply chain so that both forward and reverse traceability can be realized, combination of radio frequency identification (RFID), quick response (QR) code, and near field communication (NFC) were used to develop a traceability system. Segmented management mode, which included 3 stages of the supply chain, namely feeding, processing and circulation, was applied in the system. To be specific, in the feeding stage, “multi-functional RFID ear mark” realized both long-range identification and storage of high-volume data log on raising and transporting livestock. In the subsequent processing stage, low-cost and stain-resistance QR code was able to trace the part of livestock which the meat came from. Finally, in the circulation stage, NFC technology enabled consumers to find the history of the meat by scanning NFC tag on the package of meat via mobile phone. To summarize, this traceability system can realize a whole-course supervision of meat product supply chain seamlessly so that consumers will feel more comfortable and confident on what they eat daily.

Key words:meat product supply chain; traceability system; radio frequency identification; 2-dimentional barcode