数字化防伪溯源技术在农资监管中的应用

李永华，姜 磊，杨宝祝,2

（1北京派得伟业科技发展有限公司，北京100097；2北京农业信息技术研究中心，北京100097）

0 引言

农资是现代农业发展的物质基础和重要的技术载体，是粮食稳定生产、农民持续增收和农业提质、增效、可持续发展的关键因素。近年，农资打假手段和监管能力的不足，造成农资市场不规范、假冒伪劣农资损害农民利益的现象时有发生。“十二五”期间，全国累计查处假冒伪劣农资案件32.5万件，涉及金额高达30.5亿元[1]。目前，国内假冒伪劣农资产品生产销售呈现出规模化、技术化、网络化等特点，农资造假犯罪团伙在积累资金的基础上，规模不断扩大。假冒农资的生产技术人员也多以深谙农资生产、销售、流通的业内人士为主，非法生产的假冒伪劣农资往往具有电话、短信查询的防伪查询印证功能。而且农资的生产、销售、流通的主要环节都是由不同团伙在不同地域分别完成[2]。这给国内规范农资市场，维护广大农户利益造成极大困难。2016年，农业部在全国农资打假专项治理行动实施方案中强调，农资产业要积极探索农资生产经营主体及农资商品数据化管理。推进实施主要农资产品电子追溯制度，做到生产、流通和使用全过程全覆盖，实现农资产品信息可查询、流向可追踪、主体可溯源[3]。

近年来，随着智能感知技术和无线通信技术的迅猛发展，以此为基础的物联网技术在农业上的应用越来越普遍，给农资数字化监管带来了积极影响。数字化防伪技术是指应用数据库、信息编码加密、条码、射频识别、计算机网络通信等技术，给每一件产品赋予一个全球唯一的内含防伪信息的防伪标识，随着产品一起流动，并且在防伪数据中心留有存档，消费者可以通过网络系统及各种多媒体终端设备进行产品信息实时查询，以判定产品的真伪的技术[4-7]。与传统防伪技术相比，数字化防伪技术克服了可被批量仿冒的弱点，具有不可伪造、查询方式可行、唯一性和易于推广等特点[8]。目前在农资防伪领域应用的数字化防伪技术主要为条形码技术、无线射频识别技术。笔者从物联网技术角度出发，详细阐述了以射频识别技术和条形码技术为代表的数字化防伪技术的防伪原理及在农资质量安全监管中的应用。

1 射频识别(RFID)技术

1.1 RFID基本原理

射频识别技术(radio frequency identification)是一种非接触式的自动识别技术，其技术原理是利用射频信号或空间耦合电感或电磁耦合的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。一般来说，射频识别系统主要由标签、读写器和数据库系统3个部分组成。射频标签是产品信息的载体，附着于可跟踪的物品上，在全球范围内流通。读写器与信息网络系统相连，用来读取射频标签中的相关信息，并将其传输到系统程序进行信息处理。数据库系统是基于互联网用来实现信息管理和信息流通的功能模块[9-10]。RFID技术的工作原理为附着在待识别物体表面的电子标签进入磁场后，接收读写器通过天线发送的一定频率的射频信号，将存储在芯片中的产品信息发送出去，读写器读取信息后，对接收信息进行解调和解码，然后发送至后台信息系统进行有关数据处理[11]。RFID技术通常根据频段分为低频(125～134 kHz)、高频(13.56 MHz)、超高频(860～960 MHz)等。RFID技术同其他的自动识别技术条形码技术、光学识别和生物识别技术相比，具有抗干扰能力强、信息量大、实现数字签名认证防伪、非视觉范围读写和寿命长等优点[12]。

1.2 RFID防伪溯源原理

每个RFID标签都拥有一个全球唯一的UID号码，UID在制作芯片时放在芯片内存中，除了芯片制造商，其他机构或者人员无法修改和仿造。在原始文件信息传输过程中，利用数字指纹和数字签名等分组加解密技术，制造商采用私钥签名的产品信息和产品编号保存在电子标签上并写入数字签名进行锁定，使其无法进行修改，从而保证信息传输的安全性。消费者或者经销商需要进行防伪验证时，利用认证中心的公钥解密，提取产品信息的HASH函数值，与标签内保存的HASH函数值进行比对，以此判断产品真伪[7,13]。RFID标签不仅可以记录产品的品类信息、生产信息、序列号以及销售信息，还可以详细记录商品的销售区域、销售负责人、关键配件序列号等数据信息，从而赋予商品一个唯一、完整、保密、可追溯的信息标签[14]。目前，射频识别技术标准主要是由日本UID(Ubiquitous ID)中心提出的编码体系和由美国的电子产品编码环球协会(EPC Global)提出的电子产品编码体系。国际标准化组织(ISO)和美国的环球协会在空中接口方面也形成了涉及多个领域的标准[15]。

2 条形码技术

2.1 条形码基本原理

条形码就其技术本身而言属于自动识别技术范畴，融合了图像处理技术、光电技术、计算机以及通信技术。条形码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。识别设备通过光电信号转换和模式识别技术来获取条形码信息，再将条形码信息输入计算机应用软件进行处理，然后显示产品基本信息[16]。条形码按照其类型可以分为一维条形码、二维条形码、三维条形码[17]。当前社会生产、生活中以二维码的应用最为广泛。二维码(two-dimensional code)技术是指利用计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，将文字数值信息嵌入到若干个与二进制相对应的几种特定的黑白相间的几何图形里面，再按一定规律将几何图形在平面分布的记录数据符号信息的技术[18]。二维码按类型可以分为矩阵式、堆叠式二维码2类，目前在国内使用较为广发的为矩阵式(quick response)二维码。

2.2 二维码防伪原理

一般意义上来说，普通二维码只是一种数据加密技术，码图可以被多次复印，并不具有防伪功能。但普通二维码可以运用数据加密算法来制成加密二维码，或者通过与传统防伪印刷技术相结合，制成隐形二维码，从而避免码图被直接影印、拍照[19]。现代加密算法主要是运用数学公式对明文和密钥进行转换运算得到密文，这样有助于提高的信息安全性。现代加密方法主要有数据加密标准算法(DES)、国际数据加密算法(IDEA)、大数分解和素性检测算法(RSA)等[20]。而且，基于加密算法的二维码只能用专用的二维码识别软件识别，这就加大了伪造难度。隐形二维码方面，近年来出现的新型荧光染料及蝴蝶翼印刷技术使得二维码复制成功率大大下降。新型荧光染料只有在特定波长光照下才会现形，在某物质里掺入了该种荧光染料后，该物质的粘度等属性数值将发生改变，染料现形所需波长也随之改变，因此造假者必须将染色物质造得和厂家一模一样才能通过防伪验证。蝴蝶翼印刷技术则是利用纳米颗粒模仿昆虫翅膀上的小鳞片，而纳米颗粒排布的不同将改变印刷标识在光照下反射的光。应用这2项技术开发出的新型隐形二维码，只有在激光照射下可以显示，而造假者几乎无法复制[19,21]。

3 RFID和条形码技术在农资监管领域的应用

3.1 RFID技术在农资防伪溯源领域的应用

农资是农业生产的基础，农资市场的规范性与以及农资产品质量的提升，对于保障国内农产品安全有着重要的意义。近年来，国内外部分企业、机构已经开发出基于物联网技术的RFID电子标签应用系统，但大多数应用系统都是以食品、农产品及贵重商品为服务对象，涉及农资生产、流通、经营领域的研究相对较少。位自友等[22]采用RFID技术建立的棉花种子质量安全溯源系统，用射频标签对棉花种子从生产到销售全过程进行信息采集和监控，在保证种子质量的同时，实现了对种子流通信息的实时有效溯源，一旦种子发生质量问题，便可以快速定位问题环节，将经济损失控制在最低水平。曹婧华[11]基于CC2500无线收发芯片和种子RFID无线识别技术，给每包种子贴上含有生产流通信息的RFID标签，再通过网络把信息传送到公共数据库中，消费者把RFID标签内容和数据库中的记录进行比对来辨别种子的真伪，利用该系统消费者能够快速有效地获取种子生产信息，并识别种子真伪。方薇[23]针对农资市场流通体系信息链不健全问题，采用RFID和二维码相结合的混合编码模式，设计了一种农资信息溯源服务系统。该系统集成农资供应链商务平台等功能，可以为多种农资提供信息溯源服务。李华强[24]基于RFID技术，并结合现代Web信息服务技术构建农药安全溯源系统，利用演化加密技术进一步提高系统的安全性，成功实现农药供应链的全面快速跟踪，为农药监管部门提供便捷的监管机制同时，也为基层农户提供了完善的农药查询体系。刘晓亮[25]基于产品电子代码(EPC)与射频识别技术(RFID)，设计并实现了化肥质量安全追溯系统，对化肥的生产、存储、运输和销售等环节进行数据采集录入，实现产品信息双向追溯，帮助政府监管部门对化肥从生产到销售全过程的质量安全进行监控，消费者可通过RFID标签快速查询到化肥全部信息，确保农民用到放心肥。

3.2 条形码技术在农资防伪溯源领域的应用

二维码技术在国内农资防伪方面的应用相较于其他产品发展较晚，目前专门应用于农资防伪溯源的二维码技术系统也比较少。彭新航[26]综合采用基于Android平台的移动互联网技术、Web Service技术及二维码技术，构建农资市场安全监管的业务模型，在此模型基础上研发了基于Android移动终端的农资安全监管系统，成功满足了监管部门对农资检查手段信息化和现场证据采集便捷、及时、有效的现实需求，并在北京市大兴区成功应用示范。吕长银利用“农资商品电子编码(EPC)”作为编码规则，设计了适用于化肥产品二维码，给每件商品都赋予唯一的“电子身份证”，把二维码附在包装袋上，通过扫描标签的方式即可获取产品信息，并在原有二维码识别算法的基础上做了改进，保证了二维码在多种复杂的环境下，均能被有效识别[27]。

4 讨论

4.1 数字防伪技术与传统防伪技术对比分析

表1 数字防伪技术与传统防伪商标功能特性比较

由表1[28-29]可以看出，RFID技术在防伪性能、抗污损性、可追溯性、可重复性、信息存储量以及识别效率上较传统防伪商标性能都有较大提升。而二维码及传统防伪标签的优势主要体现在其经济性上，由于农资产品利润空间存在局限性，成本低廉是目前二维码及防伪商标大规模应用的主要原因。而RFID技术依靠其优异的防伪特性使其在贵重商品领域应用广泛，其先进的识别模式也大大提高了产品在配送过程的流通效率。在目前大数据应用爆发式增长的信息时代，信息存储方面的优势也是RFID技术不断发展的基础。

RFID技术信息存储量大、安全可靠，将RFID技术应用于仓储管理系统，不仅能够处理货物的出库、入库和库存管理，而且还方便仓储管理员监管货物的一切信息，为货物供应链提供及时的数据[30]。

4.2 未来农资防伪技术趋势分析

现代科学技术的高速发展和假冒伪劣产品制造活动的日益猖獗，实际上也促进了各种防伪技术的发展，并为多学科知识技术交叉融合应用提供了舞台。目前除了上述射频防伪及二维码等数字防伪技术在农资领域的应用，三维彩码也已经被用作移动标签参与产品的防伪认证[17]，其他防伪技术也正逐步走向公众的视野。以下是目前世界上几种先进防伪技术的简介。

4.2.1 DNA条码技术 DNA条形码技术是指利用DNA片段特异性以实现物种的快速、准确和标准化鉴定的技术[31]。目前，DNA条形码技术已成为近年来国际上生物研究的热点之一，有些国家正在积极开发储存有各种DNA信息的芯片。早在2003年，美国就宣布将采用DNA条码技术作为对纺织品进行标识和鉴别的主要手段之一。2004年韩国也在DNA条码技术的应用上有了较大突破，将纳米技术应用到DNA条码中，可以大幅度提高产品条码标识的可信度[32]。多数DNA在经过食品处理后还能保全，这是DNA条码技术能起作用的关键。DNA条形码技术在肉类食品鉴定中也得到广泛研究，应用于肉类掺假等相关食品检测、鉴定和追溯体系中[33]。现阶段，DNA条形码技术在农资防伪方面应用比较少见，但在农作物种子鉴定方面的应用，具有巨大的潜力。

4.2.2 纳米条码技术 利用微纳米技术制成的条码叫纳米条码。该技术利用各种发光波长不同的半导体量子点制成标记附着在产品上来实现产品的防伪验证[34]。早在2004年，英国研究人员就采用磁性纳米颗粒技术及材料，研发出一种防伪条码，由于磁性纳米材料的自然无序性，造成其结构无法预测，因而这种防伪条码几乎不可能进行伪造，所以这种条码的防伪性能非常高[35]。由于开发成本及条码稳定性等原因，目前纳米条码技术仅在欧美发达国家内小范围应用。在货品物流溯源等应用领域，RFID技术相较于纳米条码技术具有明显优势。随着信息技术的快速发展，高效率、低成本的纳米材料技术指日可待，纳米条码必将在商品流通领域快速发展，尤其是防窜货环节。

4.2.3 数字水印技术 该技术基于内容的非密码机制的信息隐藏技术，通过对多媒体数据（文本、图像、音频）进行微量修改，嵌入一些标识信息（水印信息），在既不影响原载体的使用，同时水印信息也不易被人所感知或察觉的前提下，达到产品信息隐藏的目的[36-37]。消费者通过软件可以将嵌入的水印信息提出，进而完成信息比对与真伪验证过程。数字水印具有较高的安全性，但是数字水印在固体产品上无法直接使用，需要借助一定的载体才能发挥作用[38]。因此二维码与数字水印的结合将是未来防伪技术发展的一个重要方向。

5 总结与展望

中国是农业大国，“三农”问题是重要的民生问题，农资生产、流通、经营环节的合法、安全、规范对于促进中国农业现代化，维护粮食安全具有重要的意义。将数字化防伪技术应用于农资监管领域，将在一定程度上提高农资物流管理能力、农资质量监督能力、农资可跟踪能力以及市场竞争力。目前国内现代农业发展的整体水平不高，农产品附加值发掘不够，规模化效益不明显。因此农业生产过程中农资投入等成本要素的控制就显得尤为重要。RFID等数字防伪技术在农资生产、流通、经营等环节中的应用，势必会推高农资价格，进而传导到农民身上，由于农产品生产利润相对较低，农民承担风险能力较差，农民很可能不愿支付过高的生产成本，因此要实现RFID等防伪技术在农资监管领域的大规模商用，防伪技术成本的大幅度下降以及多种防伪技术的结合是实现安全、经济、可持续农资质量安全监管溯源的必然选择。

虽然当前国内数字防伪技术在农资防伪监管领域的应用许多实际的问题有待解决。但随着物联网技术及通信技术的不断创新和发展，农资防伪在安全、成本等方面的挑战将逐步得到解决。以RFID技术为代表的数字防伪技术将为农资产品的质量追溯、执法打假、责任追究、问题召回等提供必要的信息支撑，为规范农资市场、提高农资质量、维护农民利益提供有力保障。

[1]刘羊旸,王宇.农业部等八部门启动“2016年农资打假专项治理行动”[J].农药市场信息,2016(6):14.

[2]孙子文.公安部、农业部等八部门部署启动2015年农资打假专项治理行动[J].中国防伪报道,2015(4):10.

[3]2016年全国农资打假专项治理行动实施方案[J].今日农药,2016(5):7-9.

[4]卢健.浅谈标签防伪技术[J].印刷杂志,2015(2):12-14.

[5]蔡义望,罗平,彭小宁.综合数字防伪方案[J].清华大学学报:自然科学版,2003(1):90-93.

[6]徐大雄.大力发展我国信息网络防伪技术[J].中国数据通讯,2001(1):12-13.

[7]潘利华.数字防伪技术与应用[J].警察技术,2011(4):4-6.

[8]邓洋,李征.数字化防伪技术的原理及应用研究[J].包装工程,2015(9):139-143.

[9]Roberts C M.Radio frequency identification(RFID)[J].Computers&Security,2006,25(1):18-26.

[10]Costa C,Antonucci F,Pallottino F,et al.A Review on Agri-food Supply Chain Traceability by Means of RFID Technology[J].Food and Bioprocess Technology,2013,6(2):353-366.

[11]曹婧华,冉彦中,许志军.基于CC2500的种子RFID无线识别系统设计[J].长春理工大学学报:自然科学版,2011(2):114-116.

[12]卢书一.数字防伪技术浅析[J].印刷技术,2009(13):23-25.

[13]孟友新,姚立新,王娟.RFID追溯系统信息安全及防伪技术的研究与探讨[J].电子技术与软件工程,2016(6):212-213.

[14]罗春彬,彭龑,易彬.RFID技术发展与应用综述[J].通信技术,2009(12):112-114.

[15]高吉.基于RFID的农资质量追溯系统的研究[D].海南:海南大学,2013.

[16]张晟.基于条形码的防伪防窜货系统研究[D].四川:电子科技大学,2012.

[17]李静静.条形码技术在防伪领域中的应用[J].印刷质量与标准化,2012(4):12-14.

[18]王伟玮.基于移动二维码技术的商品防伪系统的研究与应用[D].北京:北京邮电大学,2013

[19]二维码防伪靠谱不靠谱?[J].中国防伪报道,2014(4):20-25.

[20]陈斌.基于条形码的防伪防窜货系统研究[D].上海:复旦大学,2011.

[21]Meruga J M,Cross W M,May P S,et al.Security printing of covert quick response codes using upconverting nanoparticle inks[J].Nanotechnology,2012,23(39520139).

[22]位自友,张立新.RFID在种子质量安全溯源系统中的应用[J].江苏农业科学,2014(8):397-399.

[23]方薇,崔超远,宋良图.混合编码模式的农资溯源服务系统[J].农业工程学报,2012(14):164-169.

[24]李华强,陈琰,庄至威,等.基于演化加密RFID技术的农药安全溯源系统[J].农业网络信息,2013(6):31-35.

[25]刘晓亮.基于物联网技术的化肥质量安全追溯系统的研究[D].太谷:山西农业大学,2014.

[26]彭新航,王开义,王晓锋,等.基于Android智能移动终端的农资安全监管系统设计与实现[J].黑龙江八一农垦大学学报,2014(1):79-84.

[27]吕长银.基于二维码识别技术的化肥溯源信息管理平台的设计与实现[D].北京:中国科学院大学,2016.

[28]韩江晓.内嵌于二维码的RFID标签设计研究[D].合肥:中国科学技术大学,2015.

[29]李洋.RFID技术与在物联网中的应用[J].电子设计工程,2011(17):47-48.

[30]吴欢欢,周建平,许燕,等.RFID发展及其应用综述[J].计算机应用与软,2013(12):203-206.

[31]宋君,王东,郭灵安,等.利用DNA条码对农产品产地溯源研究——黑木耳产地分子溯源[J].分析试验室,2014(3):292-295.

[32]韩国科学家发明DNA商品防伪条码[J].中国防伪,2005(7):45.

[33]张伟,黄涛,孙彩霞,等.DNA条形码技术在肉类鉴别中的应用研究进展[J].中国草食动物科学,2016(2):53-57,74.

[34]刘红,邬跃.微纳米标识物在防窜货实务中的应用[J].中国物流与采购,2013(2):72-73.

[35]亓家钟.纳米磁性颗粒防伪条码[J].粉末冶金技术,2005(5):371.

[36]刘丽.基于二维码数字水印的产品防伪研究与应用[D].北京:北京邮电大学,2014.

[37]孙云峰,翟宏琛,杨晓苹,等.傅立叶计算全息数字水印在彩色图像印刷防伪中的应用[J].光电子·激光,2008(7):952-955.

[38]魏伟光.二维条码与数字水印的组合防伪技术研究[D].北京:北方工业大学,2011.