基于RFID技术的柑桔种苗身份溯源系统的测试研究

李雪蔓,张 阳,何 淙,苏亚军,戴素明,李 娜,李大志

(1 国家柑桔改良中心长沙分中心,长沙,410000;2 湖南农业大学园艺学院,长沙,410000;3 子长市蔬菜开发中心,陕西子长,717300)

一直以来果树良种假冒的侵权现象泛滥,严重扰乱了种苗市场秩序,急需加强知识产权保护技术和手段的研发,以净化种苗市场[1-4],促进种苗行业高质量发展。射频识别(radio frequency identification,RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取其相关数据[5],具有识别距离远、使用寿命长、可在恶劣环境下工作等优点[6-7]。在国外,RFID技术被广泛应用于食品溯源、物流管理、水果收获、农业生产环节管理、监测等领域[8-13],但其使用的硬件设备成本昂贵,芯片携带信息少,且侧重于对电子芯片、阅读器、植入工具、植入方式的单独研究,缺乏对溯源系统的整体研究[14]。在国内,RFID技术多用于医疗监护、物流运输、军用装备、食品安全追溯等方面[15-20],在种业中的应用尚处于摸索阶段[21]。

本课题组前期研发出一套可对种苗身份信息溯源的系统,包含电子芯片、阅读器和植入枪3个硬件与1个用于溯源信息管理的软件。电子芯片经过5次迭代,外形较小(7 mm×1.25 mm);优化了芯片的设计,为全方向RFID天线;阅读器UHF射频发射功率为5～30 dBm,可调节,充分考虑电子芯片与阅读器匹配后,将阅读器功率输出设置为30 dBm。本研究主要对芯片植入种苗后的性能进行评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

植物材料来自湖南农业大学柑桔种苗基地。被测试硬件为电子芯片、阅读器和植入枪。

1.2 试验方法

1.2.1 硬件测试 电子芯片:为验证茎粗对电子芯片信号强度的影响,对比芯片植入柑桔茎干前后读取距离的变化。如图1所示,在不同直径(9、21、35、49和63 mm)的柑桔茎干上横向垂直居中钻孔,钻孔深度为B[B=(A/2)+r,A为芯片长度;B为钻孔深度,r为茎干半径],将芯片放入孔底,各植入9株,共计45株。

图1 电子芯片植入柑桔成年树横切面示意

阅读器:为测量阅读器识别芯片的最大距离,将芯片横向植入1年生柑桔容器苗(平均茎粗7.8 mm),待伤口愈合后,每株种苗随机选择4个方向并取任意角度,在距离芯片30 cm处为起点,向内移动阅读器,记录成功识别的距离最大值,总计测试30株。

植入工具:为比较植入枪与嫁接刀、手电钻植入芯片的工作效率,以1年生柑桔容器苗(平均茎粗7.8 mm)为材料,均在嫁接口上方5 cm处开孔(口)。使用嫁接刀芽接植入芯片时,将芯片放入切口内,用嫁接膜包扎。手电钻与植入枪植入芯片时,均横向垂直居中钻孔,将芯片放入孔内。各植入方法均由相同的3个工人进行植入,统计30和60 min内各方法植入量,计算植入效率。

1.2.3 种苗溯源管理系统运行 将柑桔种苗信息编码写入电子芯片后,用植入枪将芯片置放到柑桔种苗内。使用阅读器采集柑桔种苗已植入芯片存储的编码数据,将数据上传至种苗溯源管理软件后台,通过移动端可查询溯源管理信息。管理软件包括信息录入、信息查询和信息管理三大功能。根据不同用户功能,对种苗的品种信息、生产信息、销售信息等录入管理溯源。

2 结果与分析

2.1 电子芯片信号强度

对比芯片植入不同茎粗(9、21、35、49和63 mm)柑桔茎干木质部前后扫描成功识别的最大平均距离,发现芯片植入前后成功识别的最大平均距离差异不显著,芯片在任意角度、距离10 cm内均可确保被阅读器成功扫描识别,即置入柑桔的茎粗达63 mm时电子芯片信号强度仍然是足够的(见图2)。

图2 电子芯片植入多年生柑桔树成功识别的最大平均距离

2.2 阅读器读取距离

用阅读器扫描植入种苗的芯片,在读取距离≤10 cm时,识别成功率为100%;在10 cm<读取距离≤15 cm时,识别成功率为78%;在15 cm<读取距离≤20 cm时,识别成功率为30%;在读取距离>20 cm后,不能被阅读器识别(见表1)。另外,由于设计的RFID天线为全方向天线,从任意角度扫描,阅读器对电子芯片的读取距离无明显差异。

表1 阅读器在不同距离的识别成功率

2.3 不同工具植入效率

在60 min工作时长内,使用嫁接刀、手电钻和植入枪植入芯片的植入效率平均值分别约为1、2和4枚/min(见表2)。选用嫁接刀芽接植入芯片时,因芯片容易滑动,用嫁接膜不易包扎,植入效率最低。选用手电钻时植入效率高于嫁接刀,但柑桔种苗茎干呈圆柱形,表面较光滑,钻头不易定位到柑桔种苗茎干中间位置,打偏后破坏茎干周边韧皮部组织面积较大。用植入枪可以快捷精准地植入不同茎粗的柑桔种苗茎干中(见图3)。

表2 嫁接刀的植入效率

图3 采用嫁接刀(A)、手电钻(B)和植入枪(C)3种植入工具植入芯片的场景

2.4 种苗身份溯源系统的应用

2.4.1 后台登陆界面 登陆界面根据用户需求分为管理员、企业、种苗企业和政府四类后台管理用户(见图4),各类管理用户可以通过后台录入相关信息,进行汇总查询等管理。

图4 种苗身份溯源管理流程及溯源系统相关界面

2.4.2 溯源系统查询 使用手机连接阅读器,若查询成功,则显示如图4所示界面,显示内容包括:品种名、砧木类型、嫁接时间、植入时间及地址等信息。种苗通过具有唯一编码的芯片获取了完整的“身份”信息,为种苗溯源提供基础信息来源。

3 讨论与结论

将电子芯片植入不同茎粗的柑桔材料中,使用阅读器在不同距离扫描电子芯片,在距离≤10 cm的范围内成功率达100%,验证了电子芯片的信号强度和阅读器的稳定性;使用植入枪将芯片植入柑桔种苗茎干的效率可达4枚/min。以上3个硬件设备均达到预期效果。将扫描芯片获得的信息上传至管理软件,即可实现种苗嫁接、生产、出圃、种植的全过程溯源,不仅能方便企业管理和政府监管,还能重建种苗市场消费者的信心。

国外研究使用的低频硬件设备成本昂贵,芯片携带信息少,不能应用在低价值的种苗中。国内对RFID在农业中的研究多应用于猪、牛等家畜,在苗木产业中还未有施行。本研究开发的超高频芯片和阅读器,既考虑到技术的可行性,又兼顾了经济的可行性,其中,芯片成本经过5次迭代后仅为1.5元/枚。随着5G技术的到来,借助RFID技术推进种业创新发展,可以解决果茶等多年生作物种苗身份溯源困难的问题,减少假冒等侵犯知识产权的现象,为种苗的身份溯源与维权打假提供技术支持。柑桔种苗身份溯源系统有巨大的应用前景。随着开发的芯片不断迭代,以及溯源系统的不断完善和升级,其经济性、便捷性、实用性和稳定性等将充分显现。