無線射頻識別技術(shù)在轉(zhuǎn)基因作物生物安全管理中的應(yīng)用①

馬 健， 董 輝

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,安徽 亳州 236800)

0 引 言

轉(zhuǎn)基因作物栽培不論種類、栽培面積及種植國家都逐年增加，然而各界對于轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)物在人畜食用安全性、基因污染及其他層面的生態(tài)環(huán)境安全問題仍存有疑慮，必須在特定的隔離實驗區(qū)進行相關(guān)的科學(xué)評估與研究，使其風(fēng)險降至最低。國內(nèi)生物技術(shù)發(fā)展迅速，陸續(xù)有不同轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物已開發(fā)成功。生物安全是研究轉(zhuǎn)基因農(nóng)作的重要環(huán)節(jié),設(shè)置一處轉(zhuǎn)基因作物隔離實驗設(shè)施，包含密閉式溫室、半密閉式溫室、隔離溫室、隔離網(wǎng)室及隔離田，并且獲得國家環(huán)保和衛(wèi)生檢測部門批準[1]。轉(zhuǎn)基因作物的實驗的目標性狀評估與環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評估技術(shù)建立各項隔離設(shè)施管理，主要是根據(jù)國家對轉(zhuǎn)基因作物田間實驗作業(yè)管理規(guī)范，來辦理轉(zhuǎn)基因作物實驗材料、人員、工具及車輛出入的管制。然而各項進出信息量大，傳統(tǒng)用筆紙登記的統(tǒng)計方式無法迅速統(tǒng)計安全管理記錄。況且每一隔離設(shè)施管制區(qū)均需配置管理人力，增加人力成本支出。

研究目的是將應(yīng)用無線射頻識別技術(shù)在轉(zhuǎn)基因作物管理，協(xié)助各項隔離設(shè)施的轉(zhuǎn)基因作物實驗材料、人員、工具及車輛出入的管制、自動記錄進出過程與移動管理等情況，以提高快速管理的精準度，節(jié)省人力操作成本，進而提升管理效率。除此之外，利用RFID記錄各項進出數(shù)據(jù)，可迅速追溯并鎖定問題區(qū)域及發(fā)生時間等，作為問題處理與責(zé)任歸屬的依據(jù)，有效減少轉(zhuǎn)基因作物外流的風(fēng)險。

1 無線射頻識別技術(shù)

無線射頻識別(RadioFrequencyIdentification;RFID)技術(shù)為近年發(fā)展應(yīng)用非常迅速的一種無線通訊技術(shù)，主要是由讀寫器(reader)、天線(antenna)、電子卷標(tag)及應(yīng)用系統(tǒng)(ap-plicationsystem)等元件所組成，其操作原理如圖1所示。

圖1 無線射頻識別系統(tǒng)運作原理圖

讀寫器的天線發(fā)射一定范圍的無線電波，當(dāng)電子卷標進入范圍內(nèi)，讀寫器就能讀取電子標簽內(nèi)所儲存的信息，再由標簽所附帶的唯一序號提供給應(yīng)用系統(tǒng)來進行分辨、管理及追蹤 。由于RFID能自動而快速地進行識別，同時具有非接觸式讀取、可更新信息、大容量的儲存信息、可重復(fù)使用、可同時間讀取多個識別卷標及數(shù)據(jù)安全性佳等優(yōu)點[2]。使無線射頻系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在許多領(lǐng)域上，包括、醫(yī)療管理、倉儲管理、動物監(jiān)控、圖書管理與農(nóng)產(chǎn)品管理等。

2 材料與方法

2.1 實驗平臺

研究系統(tǒng)借助于某實驗所的轉(zhuǎn)基因植物田間實驗隔離園區(qū)，范圍包括密閉溫室、半密閉溫室、隔離溫室與隔離田。

2.2 系統(tǒng)評估

RFID使用無線射頻的方式來進行識別的工作，大致分成(1)低頻(lowfrequency;LH)；(2)高頻(highfrequency;HF)與(3)超高頻(ultra-highfrequency;UHF)等三部份[3]。每一種無線射頻都有其特性及適合應(yīng)用的范圍，需考慮設(shè)置地點的環(huán)境因素與管理物品的型態(tài)，選擇最適當(dāng)?shù)腞FID架構(gòu)如表1所示。電子標簽以供電方式可以分成主動式標簽(activetag)、被動式標簽(passivetag)與半主動式(semi-activetag)等3種。

表1 RFID頻率比較

由于UHF可一次讀取多個、縮短作業(yè)時間，通過非接觸式的感應(yīng)方式，直接讀取信息至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，識別的速度快、距離長，同時可以讀取多個電子卷標，可減少人為失誤及人力操作，以提高工作效率。而被動式標簽技術(shù)成熟度較高、使用壽命可達10yr、尺寸較小、讀寫距離3m以下。因此系統(tǒng)采用UHF無線射頻及被動式電子卷標。

圖2 轉(zhuǎn)基因作物生物安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)與規(guī)劃

轉(zhuǎn)基因作物生物安全管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示，在各隔離設(shè)施出入口架設(shè)RFID設(shè)備及影像監(jiān)控設(shè)備。利用RFID技術(shù)讀取轉(zhuǎn)基因作物實驗材料、人員及工具之卷標數(shù)據(jù)，自動記錄進出過程與移動的時間信息，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送并儲存于后端數(shù)據(jù)庫[4]。RFID感應(yīng)到標簽信息同時啟動影像監(jiān)控設(shè)備，實時記錄影像數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理者可實時監(jiān)控各項信息，若有實驗材料外流發(fā)生時，系統(tǒng)管理者可迅速通過服務(wù)器端的安全管理平臺上追溯并鎖定外流區(qū)域與發(fā)生時間，以作為未來問題處理與責(zé)任歸屬的依據(jù)。各階段作業(yè)流程主要包括隔離實驗區(qū)使用申請、人員及轉(zhuǎn)基因作物RFID身份化、人員及轉(zhuǎn)基因作物安全管制與記錄、人員及轉(zhuǎn)基因作物信息追溯與查詢。

2.4 系統(tǒng)網(wǎng)頁

目前，最常用的3種動態(tài)網(wǎng)頁語言有ASP(activeserverpages)、JSP(Javaserverpag-es)、PHP(hypertextpreprocessor)。三者都提供在HTML(hypertextmarkuplanguage)標記式語言中混合某種程序程序代碼，由語言引擎解釋執(zhí)行程序程式碼的能力。在ASP、JSP、PHP環(huán)境下，HTML標記式語言主要負責(zé)描述信息的顯示樣式，而程序程序代碼則用來描述處理邏輯。普通的HTML頁面只依賴于Web服務(wù)器，而ASP、JSP、PHP頁面需要附加的語言引擎分析和執(zhí)行程序程序代碼。程序程序代碼的執(zhí)行結(jié)果被重新嵌入到HTML程式碼中，然后一起傳送給瀏覽器。ASP、JSP、PHP三者都是針對Web服務(wù)器的技術(shù)，客戶端瀏覽器不需要任何附加的軟件支持。系統(tǒng)開發(fā)工具與語言最后選用PHP5，主要是安裝方便學(xué)習(xí)過程簡單，數(shù)據(jù)庫連接方便，兼容性強，擴展性強，可以進行面向?qū)ο缶幊?。PHP5提供了標準的數(shù)據(jù)庫接口，幾乎可以連接所有的信息庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為SQL-server。

2.5 結(jié)果與討論

(1)系統(tǒng)功能說明

轉(zhuǎn)基因作物生物安全管理系統(tǒng)目前僅開放給相關(guān)研究人員申請如圖3 所示，系統(tǒng)接口包括人員管理、影像監(jiān)控管理、轉(zhuǎn)基因作物管理、各項申請單填寫及試區(qū)進出記錄查詢等五大項。人員管理界面提供使用建立會員基本信息，必須填寫姓名、單位、職稱、聯(lián)絡(luò)電話與住址。經(jīng)申請核準后才能取得進入各項隔離實驗區(qū)的人員卷標卡片，未持有人員卷標卡片的非相關(guān)研究人員無法進入，以確保隔離實驗區(qū)轉(zhuǎn)基因作物外流的風(fēng)險。影像監(jiān)控管理接口提供各隔離設(shè)施出入口的實時影像數(shù)據(jù)及人員進出時的影像數(shù)據(jù)查詢，目前影像功能僅為監(jiān)控及記錄用，未來將結(jié)合影像識別技術(shù)，實時進行人臉數(shù)目的計算，并確認接收到的RFID標簽數(shù)量與人臉數(shù)目是否相同，數(shù)量相同才會開啟門鎖，不相同則會持續(xù)發(fā)出語音提示，請人員拿出RFID標簽，如此更能提升人員的安全管理。

圖3 某生物研究院安全管理系統(tǒng)界面

轉(zhuǎn)基因作物管理接口提供用戶建立新轉(zhuǎn)基因作物，填寫各項基本數(shù)據(jù)報含轉(zhuǎn)基因作物物種、轉(zhuǎn)基因名稱、親本來源及單位數(shù)量等相關(guān)信息。利用列表選項可以查詢隔離實驗區(qū)所有轉(zhuǎn)基因作物的數(shù)量與進出時間，可以有效管理各個隔離實驗設(shè)施目前的使用情形[5]。各項申請單填寫接口是將原本為紙本的申請單轉(zhuǎn)為電子化窗體，包含隔離實驗區(qū)使用申請單、人員進出申請單、工具放行單、出入場材料申請單及特殊處理報告單。通過電子化的表單輸入，節(jié)省填寫紙本表格的人力操作成本，提高流程控管精準度，進而提升管理效率。隔離實驗區(qū)進出記錄查詢接口提供人員、實驗材料及工具進出記錄查詢，若有實驗材料外流發(fā)生時，可迅速追溯并鎖定外流區(qū)域及發(fā)生時間等，作為問題處理與責(zé)任歸屬的依據(jù)，有效減少轉(zhuǎn)基因作物外流的風(fēng)險。

(2)系統(tǒng)構(gòu)建現(xiàn)狀與效益評估

導(dǎo)入RFID技術(shù)，將有利于建立轉(zhuǎn)基因作物數(shù)據(jù)與追溯歷史數(shù)據(jù)，除了提供系統(tǒng)管理人員及時掌控轉(zhuǎn)基因作物進出信息外，經(jīng)由共同平臺及RFID技術(shù)的應(yīng)用，詳實記錄每一條轉(zhuǎn)基因作物的信息、生產(chǎn)履歷，提供研究人員建立轉(zhuǎn)基因作物隔離栽培、繁殖、遺傳性狀調(diào)查及生物安全評估等信息[6]。其具體效益包括：(1)節(jié)省人事成本由原來5人減至2人；(2)信息化管理信息完整性相對于紙本管理較容易保存且不易遺失；(3)轉(zhuǎn)基因作物履歷追溯與信息查詢較簡單；(4)轉(zhuǎn)基因作物外流風(fēng)險相對于紙本管理比較低；(5)相關(guān)技術(shù)可移轉(zhuǎn)至其他具有隔離設(shè)施單位應(yīng)用。

轉(zhuǎn)基因作物管理系統(tǒng)雖然有效的節(jié)省人力成本，但在實際運用時仍遇到一些問題，如信號干擾源問題：目前RFID技術(shù)仍無法保證能可一次讀取到所有RFID電子卷標的信息，容易受到環(huán)境因子影響，有可能會因障礙物、金屬及水的反射干擾，而造成信號的衰減降低定位精確度，且其讀取功率會隨使用時間增加而下降，導(dǎo)致其讀取無法達到100%。另外，RFID電子標簽雖然具有抗環(huán)境的耐性，但也無法保證永久不會損壞或者標簽遺失的可能，這是目前極具挑戰(zhàn)性且必須克服的問題。

3 結(jié) 論

隨著國內(nèi)生物技術(shù)進展迅速，已有許多各種轉(zhuǎn)基因作物在農(nóng)業(yè)實驗所轉(zhuǎn)基因植物田間實驗隔離園區(qū)進行評估實驗。積極應(yīng)用信息科技來管理敏感實驗材料，協(xié)助提升管理效率，降低轉(zhuǎn)基因作物外流的風(fēng)險，是必然的策略。同時轉(zhuǎn)基因作物管理系統(tǒng)詳細記錄了每一條轉(zhuǎn)基因作物的名稱、繁殖、遺傳性狀調(diào)查及生物安全評估等數(shù)據(jù)，為各研究單位開發(fā)轉(zhuǎn)基因作物提供了實驗研究平臺。

[1] 張李浩,楊斌.基于RFID技術(shù)的標簽成本分攤及投資策略[J].計算機集成制造系統(tǒng)， 2016,22(5)：1329-1337.

[2] 魏偉.轉(zhuǎn)基因與生物安全[J].，中國科學(xué)院 2016,31(4)：405-413.

[3] 程海鳴, 黃玲, 徐鶴,等. 基于RFID的圖書館書籍管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展， 2016,26(10)：99-103.

[4] 張晶晶, 吳偉民. EPC編碼標簽的RFID系統(tǒng)密鑰無線生成[J].計算機工程與應(yīng)用， 2017,10(20)：159-162.

[5] 關(guān)正君.合成生物學(xué)生物安全風(fēng)險評價與管理[J]. 生物多樣性，2012,20(2)：138-150.

[6] 孟雨. 我國轉(zhuǎn)基因生物安全立法的現(xiàn)狀問題與對策研究[J].中國衛(wèi)生法制， 2013,21(1)：19-23.