基于有機RFID的溯源精確度提高方法的研究

陳益能++方逵++朱幸輝+丁德紅

摘要：大米加工環(huán)節(jié)繁多且工序復(fù)雜，加工信息會隨著大米加工發(fā)生變動，加大了大米加工環(huán)節(jié)準確采集溯源信息的難度。首先，分析有機RFID技術(shù)及其應(yīng)用特點，并結(jié)合大米加工產(chǎn)品溯源的需求，對在加工系統(tǒng)中應(yīng)用有機RFID進行溯源數(shù)據(jù)采集做了可行性分析；然后在深入研究大米溯源系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合有機RFID技術(shù)的特點，針對目前溯源加工系統(tǒng)的不足及其精確度有待提高的要求，將溯源樹型算法應(yīng)用于大米的加工系統(tǒng)采集大米產(chǎn)品的信息數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，通過溯源樹型算法應(yīng)用于大米加工系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、精確地監(jiān)測和采集加工廠溯源數(shù)據(jù)，確保了整個大米供應(yīng)鏈溯源信息的完整性。

關(guān)鍵詞：精確度；溯源；大米；有機RFID；信息數(shù)據(jù)

中圖分類號： TP393文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0426-04

收稿日期：2016-01-19

基金項目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（編號：KY2015ZD127）；“十二五”國家科技計劃課題 （編號：2013BAD15B02）；賀州學(xué)院課題（編號：2015ZZSK09）。

作者簡介：陳益能（1986—），男，湖南郴州人，碩士，講師，主要從事RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究。E-mial：yiengchen@163.com。

通信作者：方逵，博士，教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)研究。E-mail：fk@hunau.net。現(xiàn)代大米加工的溯源數(shù)據(jù)，不僅僅是指大米拋光、分級、色選、稱重和打包等碾米環(huán)節(jié)信息，還涵括了大米制成品（如年糕、壽司、米酒、米線等）加工過程中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。在大米加工過程中，隨著大米加工進程的改變，加工信息會跟著發(fā)生變動，從而使溯源數(shù)據(jù)發(fā)生改變，加大了在大米加工環(huán)節(jié)準確采集溯源信息的難度[1]。再者，加工環(huán)節(jié)工序復(fù)雜，無法具體到大米個體。因此，人工記錄大米加工信息數(shù)據(jù)的難度系數(shù)高，并且數(shù)據(jù)的記錄也容易出錯，致使整個大米供應(yīng)鏈的溯源系統(tǒng)信息的精確度降低。

隨著無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全領(lǐng)域深度的加大，在一定程度上有效地提高了食品溯源數(shù)據(jù)的準確性和精確度[2-3]。石峰提出了支持路徑分析的仿真因果追溯分析方法，根據(jù)對圖模型的概率參數(shù)，分析最可能作用路徑和最主要作用路徑，以獲取更多的信息[4]。錢建平等實現(xiàn)關(guān)聯(lián)采收信息、生產(chǎn)信息、包裝信息，構(gòu)建了蔬菜產(chǎn)地追溯精確度提高方案[5]。陳紅琳提出了基于消息/對話通信機制的農(nóng)產(chǎn)品追溯算法，構(gòu)建了系統(tǒng)實體模型，提高了追溯產(chǎn)品的深度和廣度[6]。張頌提出了基于貝葉斯分類決策的數(shù)據(jù)融合算法，通過樣本相似度檢測來發(fā)現(xiàn)潛在的問題數(shù)據(jù)，達到加快系統(tǒng)決策訓(xùn)練速度的效果，對追溯生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備故障預(yù)警和質(zhì)量問題有一定的作用[7]。李文勇等對水產(chǎn)品監(jiān)管碼進行編碼、壓縮、十進制等處理，長加密生成水產(chǎn)品追溯碼，提出了水產(chǎn)品追溯碼加密算法設(shè)計與應(yīng)用[8]。本研究利用有機RFID技術(shù)，以大米加工品為研究對象，提出將溯源樹型算法應(yīng)用于大米的加工系統(tǒng)，以提高大米加工環(huán)節(jié)溯源信息的精確度， 確保溯源系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的完整性，為食品質(zhì)量安全追溯的廣泛應(yīng)用提供支撐。

1有機RFID技術(shù)

1.1有機RFID技術(shù)與傳統(tǒng)RFID技術(shù)的對比

目前，RFID技術(shù)可工作于各種惡劣環(huán)境，具有準確可靠、簡單實用等特點，在交通、航天、票務(wù)、食品等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是我國信息化建設(shè)的核心技術(shù)之一[9]。RFID標簽被認為將是今后全球商品交易及物流中采用最廣的技術(shù)之一[10]，但RFID標簽的高成本卻制約其在食品安全溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用。本研究采用有機RFID解決了RFID標簽高成本問題，使RFID技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)RFID對比，有機RFID在加工工藝和材料選取上都有顯著的改進?？紤]到硅（Si）芯片成本高，有機RFID標簽采用有機薄膜晶體管（OTFT）把IC電路制備在便宜的塑料基底上[11]。然后通過卷對卷（R2R）印刷的方式，對有機RFID標簽進行批量生產(chǎn)。因此，成功降低RFID標簽的高成本，簡化了RFID標簽的工藝流程，使RFID標簽大量普及。據(jù)Nature Materials Commentary雜志報導(dǎo)，全有機的RFID標簽成本將降至每枚0.01～0.02美元[12]。有機RFID技術(shù)是有機半導(dǎo)體和RFID技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過無線射頻方式獲取識別目標的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對物體的自動識別。其結(jié)構(gòu)與無機RFID相似，主要由存儲器、控制模塊、射頻模塊和天線等構(gòu)成[13]，如圖1所示。

有機RFID標簽保存了RFID標簽易用、適用惡劣條件、準確性高、抗干擾性強等大部分優(yōu)點，同時又具備二維條碼柔軟、廉價、片薄等特點。另外，大米產(chǎn)品等農(nóng)產(chǎn)品的運營周期短，有機RFID標簽具有1年的使用壽命，完全能夠滿足大米產(chǎn)品溯源的需求。

1.2有機RFID標簽的設(shè)計

綜合有機RFID標簽柔軟、廉價、抗干擾性強和準確性高的特點，適用于大米加工環(huán)境惡劣的情況，其編碼采用有機RFID標簽，圖2為有機RFID標簽的樣圖。

利用RFID射頻技術(shù)讀取加工設(shè)備的有機RFID標簽，建立加工設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，精確加工過程中產(chǎn)品的信息數(shù)據(jù)，為大米溯源體系的完整性提供了保障和基礎(chǔ)。通過有機RFID的溯源信息，不僅消費者和政府可以準確地追溯到大米加工信息，而且工廠也可以跟蹤當(dāng)前批次大米產(chǎn)品在加工環(huán)節(jié)的流向，便于更好地控制生產(chǎn)。

2溯源樹型算法

大米加工環(huán)節(jié)復(fù)雜，加工數(shù)據(jù)的采集無法具體到大米個體或者其產(chǎn)品，為了確保溯源信息的準確性，本研究以加工設(shè)備為單位采集大米加工過程中的數(shù)據(jù)。因此，大米加工數(shù)據(jù)的采集的載體是加工設(shè)備上的有機RFID 標簽。為了提高大米加工溯源信息的精確度，根據(jù)有機RFID技術(shù)的原理和大米加工階段的特點，提出適用于大米加工系統(tǒng)的溯源樹型算法。

2.1溯源樹型算法建模

大米產(chǎn)品需要經(jīng)過諸多加工環(huán)節(jié)，每一加工環(huán)節(jié)又有多道工序，任一工序的加工信息數(shù)據(jù)可以通過對應(yīng)的加工設(shè)備來獲得，因此采用溯源樹型算法以加工設(shè)備為單位對大米加工信息數(shù)據(jù)進行溯源。加工產(chǎn)品的溯源信息，與所有加工設(shè)備相關(guān)，即與加工設(shè)備的有機RFID標簽載體相關(guān)。對大米產(chǎn)品進行信息溯源，需要追溯產(chǎn)品加工過程中所有相關(guān)加工設(shè)備的有機RFID標簽。

在大米加工過程中，加工前需原料進入加工設(shè)備，加工后產(chǎn)品會從加工設(shè)備流出，本研究把該加工設(shè)備操作定義為溯源操作類型：進料和出產(chǎn)?？梢钥闯?，加工信息與加工設(shè)備的這2個溯源操作類型一一對應(yīng)，產(chǎn)生與之相對應(yīng)的2條信息記錄。本研究引進計算機二進制表示方法，用2個位數(shù)表示4種加工設(shè)備的操作類型。規(guī)定：第1個數(shù)字表示進料和出產(chǎn)，第2個數(shù)字表示加工設(shè)備是否為空。其中，加工設(shè)備有原料進入則記“進料”為1，加工設(shè)備有產(chǎn)品出產(chǎn)則記為“0”。

11：代表加工設(shè)備進料，進料前此加工設(shè)備有剩余物品；

10：代表加工設(shè)備進料，進料前此加工設(shè)備是為空；

01：代表加工設(shè)備出產(chǎn)，出產(chǎn)后此加工設(shè)備仍有剩余物品；

00：代表加工設(shè)備出產(chǎn)，出產(chǎn)后此加工設(shè)備為空。

為了分析溯源樹型算法，將后一工序加工設(shè)備定義為“后設(shè)備”，把前一道加工工序的設(shè)備定義為“前設(shè)備”。溯源樹型算法數(shù)據(jù)如表1、表2所示，表中操作類型是加工設(shè)備的狀態(tài)類型。

為了得出溯源樹型算法模型，本研究定義了3條規(guī)則。根據(jù)這3條規(guī)則，得到溯源樹型算法模型（圖3）。定義的3條規(guī)則如下：

規(guī)則一：方框代表大米加工環(huán)節(jié)對應(yīng)的設(shè)備，分別以E1，E2，…，En表示。其中，En表示第n個加工設(shè)備。

規(guī)則二：方框下方的線段代表加工設(shè)備的操作類型。其中，實線表示加工設(shè)備有物品，而虛線則表示加工設(shè)備為空。

規(guī)則三：大米產(chǎn)品在加工設(shè)備間的移動由線段方向箭頭表示，箭頭方向表示大米產(chǎn)品在加工設(shè)備間的移動方向。

2.2溯源樹型算法描述

根據(jù)圖3，設(shè)定如下定義：

定義1：加工設(shè)備集合E={Ei︱i∈n}，其中n代表大米加工階段所有的加工設(shè)備總數(shù)。

定義2：直線集合L={li=Eiu→Ejv，v=u+1}，其意義是2個相鄰的交點間的線段表示一條直線 。其中i是直線上方的加工設(shè)備編號，j代表直線上交點個數(shù)。

定義3：交點集合E={Eiu︱i∈n，u∈m}，其中m代表直線與箭頭線間的交點總數(shù)。例如圖3中Eiu→Ejv表示某大米加工產(chǎn)品Ri移到Rj。

定義4：加工設(shè)備變化操作集合EC={C︱Eiu→Ejv}，任取ECi∈EC，若交點Eiu和Ejv間都是實線，則ECi∈EC1，反之，ECi∈EC0。

設(shè)置返回值為空的溯源樹型方法，得出的溯源樹型算法如圖4所示。

3算法試驗與結(jié)果分析

3.1加工設(shè)備的有機RFID標簽編碼

大米加工環(huán)節(jié)以“加工設(shè)備”作為載體記錄大米加工過程中的溯源信息數(shù)據(jù)?！凹庸ぴO(shè)備”的編碼采用標識碼+工廠碼+流水碼的形式，共14位，如圖5。考慮到大米供應(yīng)鏈

其他過程中的設(shè)備，以Equipment的第1個字母E作為標識碼，工廠碼以郵政編碼+3位流水號，流水碼以4位數(shù)字作為流水碼，共可對9 999個“加工設(shè)備”進行標識。

3.2有機RFID數(shù)據(jù)采集

將加工設(shè)備編號、操作類型、加工時間、操作人員等信息數(shù)據(jù)如實的記錄到手持設(shè)備數(shù)據(jù)庫。在SQL2005數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個表值函數(shù)，如圖6所示。根據(jù)溯源樹型算法，可得出溯源樹的歷史結(jié)構(gòu)，在得到溯源樹后，便可得到年糕在任意加工階段所在加工設(shè)備的編號及操作類型。

3.3結(jié)果與分析

通過溯源樹型算法和人工記錄分別采集500組年糕的加工數(shù)據(jù)，并進行分類后處理。以人工采集的加工數(shù)據(jù)作為對比，得出溯源樹型算法采集信息數(shù)據(jù)的精確度（圖7）。

圖7、圖8分別是截取實時采集500組年糕的加工數(shù)據(jù)所需時間、精確度的曲線圖。結(jié)合年糕加工廠的實際情況，從圖7可知，采用溯源樹型算法采集加工數(shù)據(jù)要比人工采集的效率高很多；由圖8可知，隨著年糕產(chǎn)量的增加，采用溯源樹型算法采集加工數(shù)據(jù)精確度會有所變化，精確度能夠一直保持在99%以上。對比測試結(jié)果，本研究實現(xiàn)了對年糕加工數(shù)

據(jù)進行實時、精確的監(jiān)測和采集。結(jié)果表明，通過溯源樹型算法采集大米加工過程中的數(shù)據(jù)，不僅有效地節(jié)省了采集時間，同時也提高了數(shù)據(jù)采集的準確度。

另外，本研究還從設(shè)備加工時長和加工速度對溯源樹型算法的影響展開了研究，試驗的結(jié)果如圖9、圖10所示。圖9表示的是加工時長對溯源算法采集加工數(shù)據(jù)精確度的影響，圖10表示的是加工速度對溯源算法采集加工數(shù)據(jù)精確度的影響。研究表明，隨著加工時長的增長和加工速度的加快，人工采集加工數(shù)據(jù)的精確度明顯降低；而采用溯源樹型算法的精確度雖然會降低，但降低幅度控制在2%內(nèi)，在誤差范圍內(nèi)。

4結(jié)論

采用有機RFID技術(shù)設(shè)計大米加工系統(tǒng)，兼有基于傳統(tǒng)RFID技術(shù)溯源系統(tǒng)和基于條形碼溯源系統(tǒng)的特點和功能，實

現(xiàn)2個溯源系統(tǒng)合二為一，具有準確度高、成本低廉、采集過程自動化、采集速度快、查詢渠道多樣化等優(yōu)點。

通過學(xué)習(xí)和研究樹型算法，對其進行了改進，結(jié)合遞歸和集合的思想提出溯源樹型算法，并且將該算法應(yīng)用于大米加工環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集，在一定的程度上提高了大米加工數(shù)據(jù)的精確度，確保了整個大米供應(yīng)鏈溯源信息的完整性。

通過實地試驗，將溯源樹型算法應(yīng)用到年糕加工過程中，對比采用溯源樹型算法和人工記錄采集年糕加工數(shù)據(jù)的精確度曲線，研究表明通過溯源樹型算法實現(xiàn)了對加工廠溯源數(shù)據(jù)進行實時、精確的監(jiān)測和采集。

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