基于有机RFID的溯源精确度提高方法的研究

陈益能++方逵++朱幸辉+丁德红

摘要：大米加工环节繁多且工序复杂，加工信息会随着大米加工发生变动，加大了大米加工环节准确采集溯源信息的难度。首先，分析有机RFID技术及其应用特点，并结合大米加工产品溯源的需求，对在加工系统中应用有机RFID进行溯源数据采集做了可行性分析；然后在深入研究大米溯源系统基本原理的基础上，结合有机RFID技术的特点，针对目前溯源加工系统的不足及其精确度有待提高的要求，将溯源树型算法应用于大米的加工系统采集大米产品的信息数据。结果表明，通过溯源树型算法应用于大米加工系统，能够实时、精确地监测和采集加工厂溯源数据，确保了整个大米供应链溯源信息的完整性。

关键词：精确度；溯源；大米；有机RFID；信息数据

中图分类号： TP393文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0426-04

收稿日期：2016-01-19

基金项目：广西高校科学技术研究项目（编号：KY2015ZD127）；“十二五”国家科技计划课题 （编号：2013BAD15B02）；贺州学院课题（编号：2015ZZSK09）。

作者简介：陈益能（1986—），男，湖南郴州人，硕士，讲师，主要从事RFID技术、物联网应用研究。E-mial：yiengchen@163.com。

通信作者：方逵，博士，教授，主要从事物联网技术、图形图像技术研究。E-mail：fk@hunau.net。现代大米加工的溯源数据，不仅仅是指大米抛光、分级、色选、称重和打包等碾米环节信息，还涵括了大米制成品（如年糕、寿司、米酒、米线等）加工过程中的相关信息数据。在大米加工过程中，随着大米加工进程的改变，加工信息会跟着发生变动，从而使溯源数据发生改变，加大了在大米加工环节准确采集溯源信息的难度[1]。再者，加工环节工序复杂，无法具体到大米个体。因此，人工记录大米加工信息数据的难度系数高，并且数据的记录也容易出错，致使整个大米供应链的溯源系统信息的精确度降低。

随着无线射频识别（radio frequency identification，RFID）技术应用于农产品食品质量安全领域深度的加大，在一定程度上有效地提高了食品溯源数据的准确性和精确度[2-3]。石峰提出了支持路径分析的仿真因果追溯分析方法，根据对图模型的概率参数，分析最可能作用路径和最主要作用路径，以获取更多的信息[4]。钱建平等实现关联采收信息、生产信息、包装信息，构建了蔬菜产地追溯精确度提高方案[5]。陈红琳提出了基于消息/对话通信机制的农产品追溯算法，构建了系统实体模型，提高了追溯产品的深度和广度[6]。张颂提出了基于贝叶斯分类决策的数据融合算法，通过样本相似度检测来发现潜在的问题数据，达到加快系统决策训练速度的效果，对追溯生产数据、设备故障预警和质量问题有一定的作用[7]。李文勇等对水产品监管码进行编码、压缩、十进制等处理，长加密生成水产品追溯码，提出了水产品追溯码加密算法设计与应用[8]。本研究利用有机RFID技术，以大米加工品为研究对象，提出将溯源树型算法应用于大米的加工系统，以提高大米加工环节溯源信息的精确度， 确保溯源系统信息数据的完整性，为食品质量安全追溯的广泛应用提供支撑。

1有机RFID技术

1.1有机RFID技术与传统RFID技术的对比

目前，RFID技术可工作于各种恶劣环境，具有准确可靠、简单实用等特点，在交通、航天、票务、食品等各个领域都有广泛的应用，是我国信息化建设的核心技术之一[9]。RFID标签被认为将是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一[10]，但RFID标签的高成本却制约其在食品安全溯源系统中的应用。本研究采用有机RFID解决了RFID标签高成本问题，使RFID技术可以广泛地应用于农产品溯源系统。

与传统RFID对比，有机RFID在加工工艺和材料选取上都有显著的改进。考虑到硅（Si）芯片成本高，有机RFID标签采用有机薄膜晶体管（OTFT）把IC电路制备在便宜的塑料基底上[11]。然后通过卷对卷（R2R）印刷的方式，对有机RFID标签进行批量生产。因此，成功降低RFID标签的高成本，简化了RFID标签的工艺流程，使RFID标签大量普及。据Nature Materials Commentary杂志报导，全有机的RFID标签成本将降至每枚0.01～0.02美元[12]。有机RFID技术是有机半导体和RFID技术相结合的产物，通过无线射频方式获取识别目标的相关数据，实现对物体的自动识别。其结构与无机RFID相似，主要由存储器、控制模块、射频模块和天线等构成[13]，如图1所示。

有机RFID标签保存了RFID标签易用、适用恶劣条件、准确性高、抗干扰性强等大部分优点，同时又具备二维条码柔软、廉价、片薄等特点。另外，大米产品等农产品的运营周期短，有机RFID标签具有1年的使用寿命，完全能够满足大米产品溯源的需求。

1.2有机RFID标签的设计

综合有机RFID标签柔软、廉价、抗干扰性强和准确性高的特点，适用于大米加工环境恶劣的情况，其编码采用有机RFID标签，图2为有机RFID标签的样图。

利用RFID射频技术读取加工设备的有机RFID标签，建立加工设备之间的关联，精确加工过程中产品的信息数据，为大米溯源体系的完整性提供了保障和基础。通过有机RFID的溯源信息，不仅消费者和政府可以准确地追溯到大米加工信息，而且工厂也可以跟踪当前批次大米产品在加工环节的流向，便于更好地控制生产。

2溯源树型算法

大米加工环节复杂，加工数据的采集无法具体到大米个体或者其产品，为了确保溯源信息的准确性，本研究以加工设备为单位采集大米加工过程中的数据。因此，大米加工数据的采集的载体是加工设备上的有机RFID 标签。为了提高大米加工溯源信息的精确度，根据有机RFID技术的原理和大米加工阶段的特点，提出适用于大米加工系统的溯源树型算法。

2.1溯源树型算法建模

大米产品需要经过诸多加工环节，每一加工环节又有多道工序，任一工序的加工信息数据可以通过对应的加工设备来获得，因此采用溯源树型算法以加工设备为单位对大米加工信息数据进行溯源。加工产品的溯源信息，与所有加工设备相关，即与加工设备的有机RFID标签载体相关。对大米产品进行信息溯源，需要追溯产品加工过程中所有相关加工设备的有机RFID标签。

在大米加工过程中，加工前需原料进入加工设备，加工后产品会从加工设备流出，本研究把该加工设备操作定义为溯源操作类型：进料和出产。可以看出，加工信息与加工设备的这2个溯源操作类型一一对应，产生与之相对应的2条信息记录。本研究引进计算机二进制表示方法，用2个位数表示4种加工设备的操作类型。规定：第1个数字表示进料和出产，第2个数字表示加工设备是否为空。其中，加工设备有原料进入则记“进料”为1，加工设备有产品出产则记为“0”。

11：代表加工设备进料，进料前此加工设备有剩余物品；

10：代表加工设备进料，进料前此加工设备是为空；

01：代表加工设备出产，出产后此加工设备仍有剩余物品；

00：代表加工设备出产，出产后此加工设备为空。

为了分析溯源树型算法，将后一工序加工设备定义为“后设备”，把前一道加工工序的设备定义为“前设备”。溯源树型算法数据如表1、表2所示，表中操作类型是加工设备的状态类型。

为了得出溯源树型算法模型，本研究定义了3条规则。根据这3条规则，得到溯源树型算法模型（图3）。定义的3条规则如下：

规则一：方框代表大米加工环节对应的设备，分别以E1，E2，…，En表示。其中，En表示第n个加工设备。

规则二：方框下方的线段代表加工设备的操作类型。其中，实线表示加工设备有物品，而虚线则表示加工设备为空。

规则三：大米产品在加工设备间的移动由线段方向箭头表示，箭头方向表示大米产品在加工设备间的移动方向。

2.2溯源树型算法描述

根据图3，设定如下定义：

定义1：加工设备集合E={Ei︱i∈n}，其中n代表大米加工阶段所有的加工设备总数。

定义2：直线集合L={li=Eiu→Ejv，v=u+1}，其意义是2个相邻的交点间的线段表示一条直线 。其中i是直线上方的加工设备编号，j代表直线上交点个数。

定义3：交点集合E={Eiu︱i∈n，u∈m}，其中m代表直线与箭头线间的交点总数。例如图3中Eiu→Ejv表示某大米加工产品Ri移到Rj。

定义4：加工设备变化操作集合EC={C︱Eiu→Ejv}，任取ECi∈EC，若交点Eiu和Ejv间都是实线，则ECi∈EC1，反之，ECi∈EC0。

设置返回值为空的溯源树型方法，得出的溯源树型算法如图4所示。

3算法试验与结果分析

3.1加工设备的有机RFID标签编码

大米加工环节以“加工设备”作为载体记录大米加工过程中的溯源信息数据。“加工设备”的编码采用标识码+工厂码+流水码的形式，共14位，如图5。考虑到大米供应链

其他过程中的设备，以Equipment的第1个字母E作为标识码，工厂码以邮政编码+3位流水号，流水码以4位数字作为流水码，共可对9 999个“加工设备”进行标识。

3.2有机RFID数据采集

将加工设备编号、操作类型、加工时间、操作人员等信息数据如实的记录到手持设备数据库。在SQL2005数据库中创建一个表值函数，如图6所示。根据溯源树型算法，可得出溯源树的历史结构，在得到溯源树后，便可得到年糕在任意加工阶段所在加工设备的编号及操作类型。

3.3结果与分析

通过溯源树型算法和人工记录分别采集500组年糕的加工数据，并进行分类后处理。以人工采集的加工数据作为对比，得出溯源树型算法采集信息数据的精确度（图7）。

图7、图8分别是截取实时采集500组年糕的加工数据所需时间、精确度的曲线图。结合年糕加工厂的实际情况，从图7可知，采用溯源树型算法采集加工数据要比人工采集的效率高很多；由图8可知，随着年糕产量的增加，采用溯源树型算法采集加工数据精确度会有所变化，精确度能够一直保持在99%以上。对比测试结果，本研究实现了对年糕加工数

据进行实时、精确的监测和采集。结果表明，通过溯源树型算法采集大米加工过程中的数据，不仅有效地节省了采集时间，同时也提高了数据采集的准确度。

另外，本研究还从设备加工时长和加工速度对溯源树型算法的影响展开了研究，试验的结果如图9、图10所示。图9表示的是加工时长对溯源算法采集加工数据精确度的影响，图10表示的是加工速度对溯源算法采集加工数据精确度的影响。研究表明，随着加工时长的增长和加工速度的加快，人工采集加工数据的精确度明显降低；而采用溯源树型算法的精确度虽然会降低，但降低幅度控制在2%内，在误差范围内。

4结论

采用有机RFID技术设计大米加工系统，兼有基于传统RFID技术溯源系统和基于条形码溯源系统的特点和功能，实

现2个溯源系统合二为一，具有准确度高、成本低廉、采集过程自动化、采集速度快、查询渠道多样化等优点。

通过学习和研究树型算法，对其进行了改进，结合递归和集合的思想提出溯源树型算法，并且将该算法应用于大米加工环节数据的采集，在一定的程度上提高了大米加工数据的精确度，确保了整个大米供应链溯源信息的完整性。

通过实地试验，将溯源树型算法应用到年糕加工过程中，对比采用溯源树型算法和人工记录采集年糕加工数据的精确度曲线，研究表明通过溯源树型算法实现了对加工厂溯源数据进行实时、精确的监测和采集。

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