基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的豬肉防偽追溯系統(tǒng)研究

摘 要： 為了實現(xiàn)豬肉食品的可追溯性，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的豬肉防偽追溯系統(tǒng)采用NFC技術(shù)和RFID技術(shù)協(xié)同實現(xiàn)雙向模式的追溯功能，在豬肉供應(yīng)鏈中還可以防止竄貨。在NFC電子標(biāo)簽中加入數(shù)字簽名，實現(xiàn)防偽功能，消費者通過NFC智能手機進(jìn)行防偽驗證和向上溯源查詢。RFID電子標(biāo)簽采用EPC編碼存儲豬肉的相關(guān)信息，根據(jù)EPC編碼，供應(yīng)鏈中各個環(huán)節(jié)都可以通過防偽追溯系統(tǒng)平臺實現(xiàn)向下決策追溯。

關(guān)鍵詞： RFID； NFC； 數(shù)字簽名； 防偽追溯

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）03?0055?03

Study on pork anti?counterfeiting and traceability system based on IOT technology

LIU Yanfei1， YU Minghui2

（1. Zhongshan Polytechnic， Zhongshan 528400， China； 2. Guangzhou Panyu Polytechnic， Guangzhou 511483， China）

Abstract： To realize the traceability of the pork， NFC and RFID technology are cooperatively used in the pork anti?counterfeiting and traceability system based on IOT technology to realize the bidirectional traceability function and prevent the commodities fleeing in pork supply chain. The digital signature is added in the RFID electronic tag of NFC to achieve the anti?counterfeiting function， so the consumers can conduct anti?counterfeiting verification and query from source by smartphone of NFC. The EPC coding is adopted in RFID electronic tag to store the relevant information of the pork. According to the EPC coding， each link in the supply chain can implement the downward decision tracing by the anti?counterfeiting and traceability system platform.

Keywords： RFID； NFC； digital signature； anti?counterfeiting and traceability

0 引 言

肉類食品安全是一項從產(chǎn)品源頭到餐桌的社會性系統(tǒng)工程，直接關(guān)系人類的生存與健康。豬肉在我國居民日常生活消費結(jié)構(gòu)中占有重大比例，是人們生活的主要食用消費品，其食品安全狀況涉及百姓身體健康和基本消費安全。據(jù)介紹，2013年我國的肉類產(chǎn)量達(dá)到8 536萬噸，比2012年增長1.8%，其中豬肉產(chǎn)量5 493萬噸，增長[1]2.8%。然而近年來，“瘦肉精”豬肉、“黃浦江死豬”、“死豬病豬流向餐桌”等豬肉食品安全事故的發(fā)生，引發(fā)了人們對豬肉食品安全的強烈關(guān)注，由此激發(fā)了巨大的網(wǎng)絡(luò)聲音?！吨袊称钒踩W(wǎng)絡(luò)輿情發(fā)展報告（2013）》發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，豬肉在網(wǎng)民最關(guān)注的食品安全熱點問題排行榜中位居第二。2013年11月，復(fù)旦大學(xué)健康領(lǐng)域重大社會問題預(yù)測與治理協(xié)同創(chuàng)新中心發(fā)布的《我國食品安全領(lǐng)域問題靜態(tài)預(yù)測研究報告》中指出，食品安全追溯系統(tǒng)成為我國食品安全領(lǐng)域目前面臨的34個主要問題中最迫切需要解決的問題之一[2]。

1 RFID和NFC技術(shù)簡介

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，作為條形碼的無線版本，RFID電子標(biāo)簽具有不耗電、ID號全球惟一，比條碼、二維碼壽命長達(dá)10年，可寫10萬次，防磨損、防水、防磁、防腐蝕。標(biāo)簽?zāi)芗用?，無法造假，只有專用設(shè)備和軟件才能讀寫標(biāo)簽，利用RFID讀寫器，遠(yuǎn)距離識別，可批量快速采集或自動采集RFID標(biāo)簽[3]。本文的防偽追溯系統(tǒng)在豬肉供應(yīng)鏈物流領(lǐng)域采用RFID電子標(biāo)簽。

NFC（Near Field Communication，近距離通信）是一種短距高頻的無線電技術(shù)，是從RFID的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，增加了點對點的通信功能，可以快速建立藍(lán)牙設(shè)備之間的P2P（點對點）無線通信，NFC設(shè)備彼此尋找對方并建立通信連接。P2P通信的雙方設(shè)備是對等的，而RFID通信的雙方設(shè)備是主從關(guān)系。NFC相較于RFID技術(shù)，具有距離近、帶寬高、能耗低等特點，具體如下：

（1） NFC只限于13.56 MHz的頻段，而RFID的頻段有低頻（125～135 kHz），高頻（13.56 MHz）和超高頻（860～960） MHz之間；

（2） 工作有效距離：NFC（小于10 cm，所以具有很高的安全性），RFID距離從幾米到幾十米都有；

（3） 同樣工作于13.56 MHz，NFC與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理，我國著名的茅臺酒已經(jīng)開始使用RFID技術(shù)進(jìn)行防偽溯源。隨著智能手機的發(fā)展，從RFID發(fā)展而來的NFC技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，由于其通信距離短、安全性高的特點，廣泛應(yīng)用于移動支付、門禁等領(lǐng)域。本文的防偽追溯系統(tǒng)中采用NFC電子標(biāo)簽存儲生豬的ID，實現(xiàn)防偽功能。

2 防偽追溯系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 防偽溯源系統(tǒng)中的信息模型

如圖1所示，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防偽溯源系統(tǒng)中豬肉的信息經(jīng)過信息采集層、信息預(yù)處理層、信息傳輸層和信息智能處理和存儲層，最后存入Web應(yīng)用系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫中[4]。信息采集層主要采集養(yǎng)殖場和屠宰場生豬的有關(guān)信息（出生信息、飼養(yǎng)信息、病歷信息、疫苗注射信息）、檢驗檢疫信息、豬肉生產(chǎn)時間、豬肉運輸信息（貨品編號、運輸車輛、運輸時間等）、銷售信息等。信息預(yù)處理層主要負(fù)責(zé)在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的審查、集成、轉(zhuǎn)換、離散和規(guī)約等一系列處理工作，使殘缺的數(shù)據(jù)完整，將錯誤的數(shù)據(jù)糾正，將多余的數(shù)據(jù)去除，將所需的數(shù)據(jù)挑選出來并進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，將不合適的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為所要求的格式，消除多余的數(shù)據(jù)屬性，從而達(dá)到數(shù)據(jù)類型去異化、數(shù)據(jù)格式一致化、數(shù)據(jù)信息精確化和數(shù)據(jù)存儲規(guī)范化。信息傳輸層主要負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中存儲起來。信息智能處理通過規(guī)則定義處理同一電子標(biāo)簽的重復(fù)讀取、讀取失敗、錯誤讀取、數(shù)據(jù)驗證等問題，并通過智能信息處理技術(shù)對海量信息進(jìn)行實時的高速處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的挖掘、管理、控制與存儲。信息存儲層將從實體環(huán)節(jié)中采集的信息經(jīng)預(yù)處理后存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中。

2.2 防偽溯源系統(tǒng)架構(gòu)

鑒于NFC和RFID的各自優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用NFC和RFID相結(jié)合來實現(xiàn)豬肉的雙向追溯。NFC標(biāo)簽用來存儲生豬的ID，每頭豬具有惟一的ID，由養(yǎng)殖場生成并在其后附上數(shù)字簽名后保存到NFC標(biāo)簽，其他的飼養(yǎng)信息、疫苗注射信息、屠宰信息、檢驗檢疫信息、物流配送等信息通過EPC編碼存儲到RFID標(biāo)簽中。NFC標(biāo)簽和RFID的信息通過中間件或手持讀寫器寫入并上傳到系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫。消費者通過NFC智能手機或NFC讀寫器終端查詢豬肉信息。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.3 防偽溯源系統(tǒng)的雙向追溯模式

文獻(xiàn)[4]中提出的追溯系統(tǒng)是單向模式，一旦豬肉出現(xiàn)問題，對于企業(yè)和總銷售點難以確定問題豬肉的去向。本文設(shè)計的系統(tǒng)對于消費者可以向上防偽溯源，追溯到豬肉的物流信息、檢驗檢疫信息、養(yǎng)殖信息等信息流，對于企業(yè)和批發(fā)市場可以向下決策統(tǒng)計追溯，追溯豬肉的分銷點信息和消費群體，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題豬肉時可以協(xié)助政府部門處理，同時在供應(yīng)鏈上可以防止串貨的現(xiàn)象[5]。雙向追溯模式如圖3所示。

3 防偽溯源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電子標(biāo)簽的選擇

NFC標(biāo)簽主要有4種類型：類型1基于ISO14443A，目前由Innovision研究和技術(shù)公司獨家供應(yīng) （TopazTM），具有96 B內(nèi)存，成本低，應(yīng)用廣泛。類型2同樣基于ISO14443A，目前由Philips獨家供應(yīng) （MIFARE UltraLight），內(nèi)存是1類標(biāo)簽的一半。類型3基于FeliCa，目前由Sony獨家供應(yīng)，具有較大內(nèi)存（目前為2 KB）和較高傳輸速率（212 KB/s），適用于更復(fù)雜的應(yīng)用。類型4完全兼容ISO14443A/B，很多制造商都有生產(chǎn)，包括Philips（典型產(chǎn)品如MIFAREDESFire）。內(nèi)存更大，讀取速率在106～424 KB/s之間。本文設(shè)計的防偽追溯系統(tǒng)主要采用NFC智能手機進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，NFC電子標(biāo)簽選擇類型1，傳輸速度為106 KB/s，識別距離約為10 cm。

按照工作頻率來劃分，RFID標(biāo)簽主要有低頻RFID標(biāo)簽、中高頻RFID標(biāo)簽和超高頻與微波段RFID標(biāo)簽。低頻標(biāo)簽典型的工作頻率為125～134.2 kHz，中高頻標(biāo)簽的典型工作頻率為13.56 MHz，超高頻與微波段RFID標(biāo)簽通常簡稱為“微波標(biāo)簽”，典型的超高頻工作頻率為860～928 MHz，微波段工作頻率為2.45～5.8 GHz。微波標(biāo)簽主要有無源標(biāo)簽與有源標(biāo)簽兩類。微波無源標(biāo)簽的工作頻率主要在902～928 MHz；微波有源標(biāo)簽工作頻率主要在2.45～5.8 GHz。微波標(biāo)簽工作在讀寫器天線輻射的遠(yuǎn)場區(qū)域。本文中的防偽追溯系統(tǒng)中RFID主要用來存儲養(yǎng)殖信息、檢驗檢疫信息、物流信息等，RFID電子標(biāo)簽選擇超高頻RFID標(biāo)簽。

3.2 EPC編碼設(shè)計

EPC（Electronic Product Code，電子產(chǎn)品編碼）技術(shù)是美國Auto?ID開發(fā)的，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺、利用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、RFID技術(shù)等，旨在構(gòu)建一個能實現(xiàn)實時共享物品信息的網(wǎng)絡(luò)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對物品信息的跟蹤及回溯[6]。EPC系統(tǒng)中應(yīng)用的編碼類型主要有64位，96位和256位三種。EPC編碼由版本號、序列號、產(chǎn)品域名管理和產(chǎn)品分類部分四個字段組成。本系統(tǒng)采用96位的EPC編碼，如圖4所示。8位用來存儲EPC版本號，28位用來存儲豬肉品牌和養(yǎng)殖場信息，24位用來存儲豬肉分類代碼，36位用來存儲豬肉的檢驗檢疫、物流配送信息、屠宰日期、批發(fā)市場、分銷點等信息，當(dāng)實際編碼長度小于預(yù)留的長度時在后面補0。

3.3 電子標(biāo)簽的防偽實現(xiàn)

本文的系統(tǒng)采用RSA數(shù)字簽名方式來實現(xiàn)防偽[7?8]。養(yǎng)殖場通過在防偽追溯系統(tǒng)平臺注冊并審核后獲取私鑰[d，]養(yǎng)殖場利用私鑰[d]和模數(shù)[n]將生豬ID加上數(shù)字簽名后寫入NFC標(biāo)簽，消費通過平臺獲取公鑰[e]和模數(shù)[n]對數(shù)字簽名進(jìn)行驗證。具體步驟如下：

Step1：養(yǎng)殖場注冊并等候?qū)徍耍?/p>

Step2：平臺通過審核后，選擇大素數(shù)[p，q，]生成[n，d， fn。]其中[n=q×q，][fn=（q-1）?（p-1），]選一整數(shù)[e（1

Step3：養(yǎng)殖場對生豬ID（M）進(jìn)行數(shù)字簽名，S=Md（mod n）；

Step4：養(yǎng)殖場在生豬ID（M）后附上數(shù)字簽名S，并寫入NFC電子標(biāo)簽；

Step5：消費者或豬肉供應(yīng)鏈上的各個環(huán)節(jié)通過平臺獲取公鑰e和模數(shù)n，對簽名進(jìn)行驗證。如果Se（mod n）=M，則說明NFC標(biāo)簽不是偽造的，否則說明NFC標(biāo)簽是偽造的。如果驗證成功，則返回相關(guān)豬肉的信息。

4 結(jié) 語

為解決肉類蔬菜的食品安全問題，我國自2010年開始分批在全國范圍開始進(jìn)行肉類蔬菜流通追溯體系建設(shè)的試點工作，截止2014年底，已經(jīng)有5批共58個城市參與了試點建設(shè)。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的豬肉防偽追溯系統(tǒng)結(jié)合RFID技術(shù)和NFC技術(shù)對豬肉從養(yǎng)殖、檢驗檢疫、屠宰、批發(fā)、分銷等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上實現(xiàn)對上可以防偽溯源、對下可以決策追溯的雙向追溯模式，對我國肉類蔬菜實現(xiàn)可追溯具有一定的應(yīng)用價值。

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