有機rfid標簽成本控制研究

有機rfid標簽成本控制研究

0國內外食品溯源的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，rfid高頻識別技術（id）在交通管理、物流運輸、制藥、食品生產(chǎn)等10多個行業(yè)得到了廣泛應用。食品跟蹤系統(tǒng)的應用已成為重要的食品安全保障。在動物性食品生產(chǎn)過程中存在原料、生產(chǎn)、加工、貯運和銷售等諸多環(huán)節(jié),任何環(huán)節(jié)都有污染食品的可能。RFID作為一項易于操控、簡單實用、靈活的技術,所具備的優(yōu)越性是條碼、磁卡、IC(integratedcircuit,IC)卡等其他識別技術無法比擬的,因此已被許多國家應用于動物性食品的溯源。歐洲、美國、澳大利亞的很多飼養(yǎng)場都已經(jīng)運用RFID標簽來全程監(jiān)測畜禽動物生產(chǎn)的基本情況,并把RFID結合條碼技術的自動識別技術貫穿于食品安全監(jiān)管產(chǎn)業(yè)的全過程,以保證向市場提供優(yōu)質的放心產(chǎn)品。相對于發(fā)達國家,中國對食品溯源研究起步較晚,但近年來的快速發(fā)展使中國在RFID的技術和應用領域都取得了一些成果。目前已經(jīng)具備自主研發(fā)生產(chǎn)多類型多標準的RFID標簽和設備的能力,也出現(xiàn)了一批與RFID生產(chǎn)相關的企業(yè),RFID已經(jīng)在交通、物流、食品、票證等領域獲得應用。如國內一些城市已將RFID技術應用于城市智能交通,實現(xiàn)車流量信息的采集,據(jù)報道陜西省車載RFID標簽用戶已經(jīng)達到6.8萬戶;2005年上海市將基于RFID技術的“安全豬肉監(jiān)控追溯系統(tǒng)”正式投入使用,該系統(tǒng)將RFID標簽打在豬耳朵上,實時獲取生豬的飼料、病歷、喂藥、轉群、檢疫等信息;2008年北京奧運會期間,畜禽類產(chǎn)品的追溯體系也采用了RFID射頻識別技術。但目前RFID在中國食品安全方面的應用仍屬于起步階段,其應用僅局限于北京、上海等發(fā)達城市,且使用的范圍與食品品種非常有限,處于應用示范階段。這主要是由于RFID標簽成本較高,大大影響了其在食品安全溯源系統(tǒng)中的規(guī)模應用。要做到單件產(chǎn)品不論豬肉、牛肉、雞肉都貼有RFID標簽,勢必要求標簽價格非常低,像現(xiàn)在的條碼一樣。而有機RFID因其成本較低而備受關注。該文擬探討這種新型的低成本RFID——有機RFID,并對有機RFID這一新型技術在動物性食品溯源系統(tǒng)中的應用進行分析探討,為動物性食品追溯系統(tǒng)的廣泛應用提供技術支撐。1有機rfid標簽RFID標簽的高成本是其大量普及的最大障礙。為了降低成本,RFID研究者一直在尋找新的技術和生產(chǎn)工藝,近年來有機RFID技術成為該領域的重大突破。傳統(tǒng)的無機RFID標簽由芯片和天線構成,芯片部分由傳統(tǒng)IC工藝在硅片上制備得到,然后再把芯片和天線集成在一起構成完整的標簽。有機RFID標簽則采用印刷電子技術,把有機薄膜晶體管制備在便宜的塑料基底上形成電路。依據(jù)此技術,把有機物墨水和金屬印刷在塑料基底上形成芯片和天線從而得到有機RFID標簽。通過印刷批量生產(chǎn)有機RFID標簽,簡化了制作工藝,大大降低了成本。世界各國都認為有機RFID的市場前景巨大,紛紛加大有機RFID標簽技術的研發(fā)力度,并且已經(jīng)取得了很大成就。一些國家已經(jīng)邁入了從實驗室研究向應用轉化的起步階段,并且研究也在逐步的深入。如德國PolyIC公司在2006年開發(fā)出使用印刷技術生產(chǎn)的有機RFID標簽,該標簽集成了數(shù)百個有機晶體管,可以保存8bits的數(shù)據(jù);2007年該公司又開發(fā)出了32和64bits存儲能力的有機RFID標簽,工作頻率為13.56MHz;2008年比利時微電子研究中心(interuniversitymicroelectronicscentre,IMEC)開發(fā)出了已接近實用水平的有機RFID標簽;2007年德國有機電子大會在其大會票證上采用了有機RFID標簽;另據(jù)報道,英國曼徹斯特大學Syngenta傳感器創(chuàng)新中心的研究人員正在開發(fā)一種有機RFID標簽,應用于水果等產(chǎn)品進入供應鏈后的質量監(jiān)控和管理,該產(chǎn)品有望在2011年底用于為生產(chǎn)和種植企業(yè)提供可靠的追蹤方案。國內關于有機RFID研究的報道幾乎空白,僅有北京交通大學光電子技術研究所的徐征等對有機RFID標簽的射頻信號調制方法進行了研究,而對于其應用還未見報道。有機RFID作為一種新的技術,是有機半導體和RFID技術相結合的產(chǎn)物。有機RFID標簽的工作原理、結構、功能及頻譜劃分等與無機RFID基本類似,二者主要的區(qū)別在于材料和加工工藝的不同,并由此衍生出來部分差異,具體分析如下:1)成本。據(jù)NatureMaterialsCommentary雜志報導,有機RFID標簽成本有望降至每枚0.01~0.02美元甚至更低,而目前常用的無機RFID標簽的成本約為0.2美元。2)讀取速度。PolyIC公司的有機RFID標簽最大的讀取速度為196bits/s。無機RFID的讀取速度一般較高,意法半導體2010年推出的無機RFID芯片LRiS64K的讀取速度為53kbits/s。3)存儲容量。目前研發(fā)的有機RFID標簽的存儲容量較小,一般只能存儲幾十到上百bit的數(shù)據(jù)。無機RFID的存儲容量一般較大,可達32~1024kbits。4)使用壽命。有機RFID標簽的壽命較短。PolyIC公司的研究表明有機RFID標簽在最初的10個月特性沒有下降,但是經(jīng)過較長時間特性會發(fā)生改變,認為有機RFID標簽能夠確保1a的使用壽命。無機RFID芯片則具有非常長的壽命,LRiS64K的壽命至少為40a。5)易用性。有機RFID標簽的基底為塑料,厚度非常小并具有良好的柔韌性,可以制成柔性標簽,使用時可以隨意粘貼,不受軟硬度及厚度等限制。無機RFID標簽由于采用了硅芯片則不具有這方面的優(yōu)勢。6)重復使用性。有機RFID標簽在印刷時已經(jīng)決定了內部存儲的數(shù)據(jù),在使用過程中只能讀取數(shù)據(jù)而無法修改數(shù)據(jù)。無機RFDI標簽由于采用硅芯片,所以在使用中可以多次修改存儲的內容,如無機RFDI芯片LRiS64K可以重復寫1000,000次。2有機rfid標簽的優(yōu)越性目前,食品供應鏈安全管理的技術手段主要有2大類技術:RFID技術和條碼技術,結合有機RFID標簽技術,這3類標簽技術的比較如表1所示。由表1可知,有機RFID標簽具有無機RFID標簽方便易用的優(yōu)點,又具有類似于二維條碼的低廉成本,雖然在讀取速度、容量和使用壽命方面劣于無機RFID,但是這些差距在很多應用中并不是必須的,如對于許多貼有RFID標簽的消費品來說,RFID標簽只是用于庫存、POS(pointofsale,POS)機及產(chǎn)品退貨,并需要特別長的使用壽命。因此這些應用為低成本的有機RFID標簽提供了發(fā)揮積極作用的空間。3動物食品的起源系統(tǒng)3.1物流、研發(fā)和信息模型動物食品安全溯源系統(tǒng)包括從“養(yǎng)殖場”到“消費者”的諸多環(huán)節(jié),主要有:養(yǎng)殖場、運輸物流、屠宰場、物流倉儲、超市和消費者6個環(huán)節(jié),其構成的溯源流程和與之相匹配的信息模型如圖1所示。為了保證消費者從餐桌到養(yǎng)殖場的全過程追溯,需要在圖1的6個環(huán)節(jié)中依靠不同的標簽對動物進行標識,并在每個環(huán)節(jié)中對標識的動物食品管理和記錄圖中的信息。3.2標簽式追溯系統(tǒng)設計溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在動物食品生產(chǎn)過程中的多個環(huán)節(jié)逐漸生成,并在相應環(huán)節(jié)中添加到溯源系統(tǒng)中。大量多類型追溯信息的存儲和管理僅僅通過標識標簽是很難實現(xiàn)的,需要采用標簽和數(shù)據(jù)中心結合的方式才能滿足追溯系統(tǒng)中信息管理的復雜需求。通過標簽技術對動物性食品加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品進行唯一標識,如圖2所示。在每個加工環(huán)節(jié)都建立相應的信息管理平臺,該平臺采集加工環(huán)節(jié)中每個產(chǎn)品的信息并匯總到食品安全數(shù)據(jù)中心。在整個環(huán)節(jié)中都有政府專門機構進行監(jiān)管。消費者可以根據(jù)產(chǎn)品的標簽從數(shù)據(jù)中心查詢到該產(chǎn)品所歷經(jīng)的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其關鍵信息,任何環(huán)節(jié)的生產(chǎn)廠家都可以通過系統(tǒng)對產(chǎn)品向上追溯和向下跟蹤,政府可以通過數(shù)據(jù)中心的信息建立自動的食品安全監(jiān)測平臺。4生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)動物食品涉及畜牧養(yǎng)殖、屠宰加工、流通銷售等眾多環(huán)節(jié),其從養(yǎng)殖場到餐桌的整個生產(chǎn)流程與其他食品相比要復雜得多,因此追溯的信息涵蓋面更廣、信息量更大、追溯信息間的轉換頻率更高。在整個生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)中全部使用電子標簽,在中國現(xiàn)有經(jīng)濟基礎和行業(yè)發(fā)展水平上還不現(xiàn)實。不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)對標簽技術具有不同的需求,可針對需要進行靈活選擇。4.1物流信息平臺的應用在養(yǎng)殖場牲畜出生后,養(yǎng)殖場管理平臺生成唯一的“生產(chǎn)標識碼”,并在食品安全數(shù)據(jù)中心中進行信息的登記,建立起牲畜個體信息數(shù)據(jù)庫。牲畜在飼養(yǎng)過程中的批次、飼料、免疫、檢疫等情況都分別通過管理平臺記錄在食品安全數(shù)據(jù)中心。由于牲畜養(yǎng)殖過程中二維條碼易受污染,且易受牲畜的破壞等,并且在信息的錄入環(huán)節(jié)需要逐個登記牲畜的標簽,不適合多個標簽同時錄入。因此養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中,適合采用RFID標簽作為“生產(chǎn)標識碼”的載體,每個RFID標簽和“生產(chǎn)標識碼”在數(shù)據(jù)中心一一對應。綜合牲畜的養(yǎng)殖時間和無機RFID標簽的壽命,對于養(yǎng)殖超過1年的牲畜采用無機RFID標簽,低于1年的牲畜采用有機RFID標簽。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)根據(jù)需要可選用有機RFID標簽或無機RFID標簽,盡管無機RFID成本比有機RFID標簽高,但由于飼養(yǎng)階段牲畜數(shù)量有限,所以增加的成本對于大型動物是可接受的。4.2食品安全數(shù)據(jù)中心在物流運輸中,通過物流運輸管理平臺在食品安全數(shù)據(jù)中心中登記物流企業(yè)的基本信息和物流的基本情況。此時可仍舊按照養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的RFID標簽作為管理的唯一標識。4.3有機rfid在低碳經(jīng)濟過程中的應用屠宰場存在若干生產(chǎn)環(huán)節(jié),可根據(jù)牲畜的標識對生產(chǎn)過程進行流水線的監(jiān)控,每個環(huán)節(jié)都分別通過屠宰場管理平臺登記在數(shù)據(jù)中心。屠宰場中牲畜被宰殺后進行分割。分割前管理平臺讀取待分割肉類的“生產(chǎn)標識碼”,并根據(jù)將要分割的數(shù)量生成多個“屠宰標識碼”,每個屠宰標識碼對應相應的分割部位,比如頭、里脊、肝臟等。“屠宰標識碼”和“生產(chǎn)標識碼”在數(shù)據(jù)中心進行登記并建立對應關系?！巴涝讟俗R碼”再被標記到標簽上,成為特定牲畜特定部位的唯一標識。通過“生產(chǎn)標識碼”可以追蹤到分割后的肉類,通過“屠宰標識碼”可以追溯到分割前的動物,完成了動物從整體到肉類的追溯信息的轉移和傳遞。在肉類分割后,每個部分都需要標簽進行標識,需要的標簽數(shù)量相對較多,采用無機RFID標簽會帶來極大的成本負擔,因此只能對批次進行跟蹤管理,難以對分割后的肉類進行個體的跟蹤管理。采用價格非常低廉的有機RFID標簽或二維條碼可以很好的解決成本問題。但二維條碼的讀取受限制,不適合屠宰場中多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中對標識碼的自動讀取,且二維條碼易受污染,不適合屠宰場的需要。鑒于屠宰環(huán)節(jié)的時間較短,有機RFID壽命可以滿足此環(huán)節(jié)的需要。有機RFID標簽具有環(huán)境適應性、成本、讀取方式等方面的優(yōu)點,在屠宰、分割環(huán)節(jié)可以發(fā)揮不可替代的作用。4.4對信息的管理基于4.3中的分析,在物流倉儲環(huán)節(jié)采用“屠宰標識碼”進行信息的管理。通過管理平臺向信息中心匯總物流基本信息、倉儲基本信息、多個時間節(jié)點的物流溫度、倉儲溫度等信息,實現(xiàn)動物性食品在物流倉儲環(huán)節(jié)的個體化過程管理。4.5用戶標識碼被標記在超市肉類被繼續(xù)分割。超市管理平臺讀取有機RFID標簽標識的“屠宰標識碼”,根據(jù)分割的情況自動產(chǎn)生多個標識碼。“用戶標識碼”和“屠宰標識碼”在數(shù)據(jù)中心進行登記并建立對應關系?！坝脩魳俗R碼”被標記在標簽上?！坝脩魳俗R碼”的數(shù)量非常龐大,由于成本的原因,無法采用無機RFID標簽,只能采用二維條碼或者有機RFID標簽。此時二維條碼和有機RFID標簽不存在明顯的優(yōu)劣,可以根據(jù)用戶的習慣加以選擇。4.6查詢和追溯經(jīng)濟過程消費者根據(jù)超市提供的用戶二維條碼或有機RFID標簽可以通過公共查詢系統(tǒng)查詢到產(chǎn)品的“用戶標識碼”。根據(jù)“用戶標識碼”可以查詢到超市的信息,并且可以追溯到“屠宰標識碼”。根據(jù)“屠宰標識碼”可以查詢到肉類的運輸、倉儲信息,肉類在屠宰場中的生產(chǎn)信息,并且可以追溯到肉類的“生產(chǎn)標識碼”。由“生產(chǎn)標識碼”可以查詢牲畜的運輸銷售信息、飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的各種信息等。消費者可以由終端產(chǎn)品追溯整個肉類的生產(chǎn)過程。根據(jù)肉類生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)的特點和需求,各種標簽技術具有特定的適用性,如表2所示。5動物食品安全溯源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性不同有機RFID標簽具有無機RFID標簽方便易用的優(yōu)點,又具有類似于二維條碼的低廉成本,雖然在讀取速度、容量和使