基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥材追溯系統(tǒng)設(shè)計

江西省標(biāo)準(zhǔn)化研究院 馮正西 繆延暉

中醫(yī)作為中華文明的瑰寶，其使用的中藥質(zhì)量直接決定病人的康復(fù)進(jìn)展。通過基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥溯源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對中藥材種植、生產(chǎn)、加工、儲存、運(yùn)輸、銷售的全生命周期管理，提升藥材信息透明度，加強(qiáng)藥材質(zhì)量安全管控，保證患者用藥安全。

近年來中藥材安全倍受社會大眾關(guān)注，導(dǎo)致中醫(yī)這一中華文明瑰寶備受世人質(zhì)疑。主要原因是中藥材的使用和管理不當(dāng)，患者使用了劣質(zhì)甚至是錯誤的中藥材。因此，加強(qiáng)對中藥材的管理，是當(dāng)前扭轉(zhuǎn)中醫(yī)困局的當(dāng)務(wù)之急。中藥材由于其特殊性，管理難度巨大。首先中藥材種類繁多，相似相近藥材數(shù)不勝數(shù)，全國用于飲片和中成藥的藥材有1000～1200種（其中，植物類藥材有800～900種，動物類藥材100多種，礦物類藥材70～80種），一般消費(fèi)者缺乏識別真假優(yōu)劣的能力；其次藥材采收后，經(jīng)過多級收購商采購、包裝、貯藏、運(yùn)輸、混批、混包、混儲等環(huán)節(jié)，導(dǎo)致藥材的來源混雜。因此建設(shè)中藥材追溯系統(tǒng)，是實現(xiàn)中藥材來源可查、去向可追、責(zé)任可究，真正做到質(zhì)量提升的關(guān)鍵。

國家從提升人民健康水平的角度出發(fā)，很早就開始考慮建設(shè)中藥材追蹤管理系統(tǒng)。從2012年開始，國家分三批支持18個省市建設(shè)中藥材流通追溯體系；2016年下發(fā)《總局關(guān)于推動食品藥品生產(chǎn)經(jīng)營者完善追溯體系的意見》；2017年下發(fā)《國家中藥材流通追溯體系建設(shè)規(guī)范》；2019年下發(fā)《關(guān)于協(xié)同推進(jìn)肉菜中藥材等重要產(chǎn)品信息化追溯體系建設(shè)的意見》。在國家的大力支持下，部分省份陸續(xù)開始建設(shè)中藥材溯源系統(tǒng)，但由于中藥材從生產(chǎn)、流通、存儲到使用過程中環(huán)節(jié)較多，傳統(tǒng)的人工輸入中藥材信息方式無法滿足精細(xì)化管理要求。隨著傳感器技術(shù)的日趨成熟，加上云計算、虛擬化等云平臺技術(shù)大規(guī)模商用，基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥材追溯系統(tǒng)越來越得到重視。

基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥材追溯系統(tǒng)設(shè)計

RFID技術(shù)介紹

射頻識別（RFID）是Radio Frequency Identification的英文縮寫。它是一種非接觸式、在一定距離內(nèi)自動識別、獲取信息的技術(shù)。其工作機(jī)理如下：當(dāng)裝有RFID電子標(biāo)簽的物體進(jìn)入微波天線覆蓋區(qū)時，RFID閱讀器受控發(fā)出微波查詢信號，安裝在物體表面的RFID電子標(biāo)簽收到查詢命令后，根據(jù)查詢信號中的命令內(nèi)容，將RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息反射回微波天線。

微波天線接收到RFID電子標(biāo)簽反射回的數(shù)據(jù)信號后，經(jīng)RFID閱讀器分析處理，將RFID電子標(biāo)簽中的識別代碼、存儲數(shù)據(jù)等信息分離出來。閱讀器通過網(wǎng)絡(luò)，將信息作為物體的特征數(shù)據(jù)傳送到控制計算機(jī)作進(jìn)一步處理，從而實現(xiàn)與物體有關(guān)的信息登記、查詢、統(tǒng)計、管理等應(yīng)用。整個識別過程無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，閱讀器能自行判斷RFID標(biāo)簽是否被重復(fù)讀取處理。根據(jù)微波波長的不同，RFID閱讀器和RFID電子標(biāo)簽的距離可以從5cm到1km。

RFID系統(tǒng)一般由閱讀器、電子標(biāo)簽和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成，通過無線電波在響應(yīng)媒介和詢問媒介間傳遞信息。讀寫器，一般是一臺內(nèi)含天線和芯片解碼器的閱讀設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式；讀寫器可無接觸地讀取并識別RFID電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別物體的目的。應(yīng)用系統(tǒng)，一般是由應(yīng)用軟件和計算機(jī)、服務(wù)器、存儲等硬件系統(tǒng)組成，定制化的軟件負(fù)責(zé)對接收到的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并管理整個系統(tǒng)。電子標(biāo)簽，主要是射頻標(biāo)簽，響應(yīng)端內(nèi)含天線，將存儲的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送給讀寫器。

云平臺介紹

云計算平臺也稱為云平臺，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲能力。它是一種基于網(wǎng)絡(luò)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給用戶。云平臺有這三種主要服務(wù)形式：SaaS（軟件即服務(wù)），PaaS（平臺即服務(wù)），IaaS（信息即服務(wù)）。

SaaS服務(wù)提供商將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務(wù)器上，用戶根據(jù)需求通過互聯(lián)網(wǎng)向廠商訂購應(yīng)用軟件服務(wù)，服務(wù)提供商根據(jù)客戶所訂軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費(fèi)，通過瀏覽器向客戶提供軟件服務(wù)。這種服務(wù)模式的優(yōu)勢是，由服務(wù)提供商維護(hù)和管理軟件，提供軟件運(yùn)行的硬件設(shè)施，用戶只需擁有能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的終端，即可隨時隨地使用軟件。這種模式下，客戶不再像傳統(tǒng)模式那樣花費(fèi)大量資金在硬件、軟件、維護(hù)人員上，只需要支出一定的租賃服務(wù)費(fèi)用，通過互聯(lián)網(wǎng)就可以享受到相應(yīng)的硬件、軟件和維護(hù)服務(wù)，這是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最具效益的營運(yùn)模式。Sales?force.com和Google Apps都屬于這類服務(wù)。

PaaS是一種分布式平臺服務(wù)，廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺、硬件資源等服務(wù)給客戶，用戶在其平臺基礎(chǔ)上定制開發(fā)自己的應(yīng)用程序并通過其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他客戶。PaaS能夠給企業(yè)或個人提供研發(fā)的中間件平臺，提供應(yīng)用程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、試驗、托管及應(yīng)用服務(wù)。Google App En?gine平臺，八百客的800APP是PaaS的代表產(chǎn)品。

IaaS是把廠商的多臺服務(wù)器組成的“云端”基礎(chǔ)設(shè)施，將內(nèi)存、I/O設(shè)備、存儲和計算能力整合成一個虛擬的資源池為整個業(yè)界提供所需要的存儲資源和虛擬化服務(wù)器等服務(wù)。這是一種托管型硬件方式，用戶付費(fèi)使用廠商的硬件設(shè)施。IaaS的優(yōu)點是用戶只需低成本硬件，按需租用相應(yīng)計算能力和存儲能力，大大降低了用戶在硬件上的開銷。Amazon Web服務(wù)(AWS)，IBM的BlueCloud等均是將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)出租。

中藥材追溯系統(tǒng)屬于定制化專用系統(tǒng)，需要定制應(yīng)用開發(fā)軟件，并伴隨數(shù)據(jù)庫需求，因此云平臺應(yīng)選用PaaS方案。

基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥材追溯系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于RFID和云平臺技術(shù)的中藥材追溯系統(tǒng)采用分層、模塊化設(shè)計方案。系統(tǒng)的設(shè)計遵循并參照國家關(guān)于信息系統(tǒng)建設(shè)的政策性法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。系統(tǒng)總體框架如圖1所示：

圖1 基于RFID和云平臺的中藥材追溯系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層

通過RFID閱讀器與RFID電子標(biāo)簽交互，采集或更新電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，從而識別出中藥材的種植、存儲、運(yùn)輸、銷售等信息。根據(jù)無線電傳播特性，RFID和電子標(biāo)簽間距離可根據(jù)采用的無線電頻率做適當(dāng)調(diào)整：125KHz：5～10cm，專用的遠(yuǎn)距離讀頭配遠(yuǎn)距離卡，可達(dá)到1m左右；13.56MHz：5～10cm，專用的遠(yuǎn)距離讀頭配遠(yuǎn)距離卡，可達(dá)到1m左右；433.92MHz：遠(yuǎn)的可達(dá)到1km；915MHz：遠(yuǎn)的可達(dá)到25m多；2.4GHz：可達(dá)到200m；手持機(jī)：一般為10cm以下；特殊的915MHz遠(yuǎn)距離手持機(jī)可達(dá)到7m。

網(wǎng)絡(luò)層

依托通信技術(shù)，將RFID閱讀器采集到的信息送往部署在云平臺的追溯系統(tǒng)。目前廣泛采用的通信技術(shù)包括GPRS、Zigbee、WiFi、LTE（NB-IoT、LoRa），以及未來將大規(guī)模商用的5G網(wǎng)絡(luò)等。云平臺為中藥材追溯系統(tǒng)提供計算和存儲能力，云平臺以數(shù)據(jù)保存，建立業(yè)務(wù)分類數(shù)據(jù)庫為核心，實現(xiàn)中藥材信息資源的有效整合、全局管理和數(shù)據(jù)共享，為業(yè)務(wù)流、知識流和信息流的一體化集成提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用PaaS模式的云平臺依靠彈性伸縮和虛擬化功能，可以方便追溯系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)擴(kuò)容調(diào)整，同時云平臺的安全防護(hù)機(jī)制（信息安全防護(hù)、容災(zāi)恢復(fù)機(jī)制）可以為中藥材追溯系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)和容災(zāi)備份。

應(yīng)用層

應(yīng)用層分為系統(tǒng)支撐子層和業(yè)務(wù)應(yīng)用子層。系統(tǒng)支撐子層包含數(shù)據(jù)倉庫組件、聯(lián)機(jī)分析處理(OLAP)等各種服務(wù)策略和服務(wù)引擎，通過以集約組合和模塊化的方式為中藥材追溯系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理提供專業(yè)化的服務(wù)組件。系統(tǒng)支撐子層可以提高系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性，可任意組合或者獨立使用，讓系統(tǒng)更具靈活性。

業(yè)務(wù)應(yīng)用子層根據(jù)RFID采集信息類別不同，分為種植信息管理模塊、加工信息管理模塊、儲藏信息管理模塊、運(yùn)輸信息管理模塊、銷售信息管理模塊以及追溯信息查詢API接口。業(yè)務(wù)應(yīng)用子層通過綜合多個功能模塊，實現(xiàn)中藥材各個環(huán)節(jié)的管控，通過不同的接口為用戶提供交互服務(wù)和信息查詢。

中藥材追溯系統(tǒng)的模塊功能

系統(tǒng)功能設(shè)計（如圖2所示）分為種植信息管理模塊、加工信息管理模塊、儲藏信息管理模塊、運(yùn)輸信息管理模塊、銷售信息管理模塊。

圖2 中藥材追溯系統(tǒng)流程圖

種植信息管理模塊

種植信息管理模塊是中藥材追溯系統(tǒng)基礎(chǔ)信息模塊之一。中藥材種植管理者登入種植信息管理模塊，對區(qū)域內(nèi)種植藥材的信息進(jìn)行管理。中藥材種植區(qū)域內(nèi)的傳感器在傳感器層接收到采集的數(shù)據(jù)（包括土壤信息、水源信息、大氣信息、溫度信息、光照信息等）后直接通過路由節(jié)點將所有數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點，進(jìn)而發(fā)送到與PC端相連的RFID服務(wù)器，最終到達(dá)終端數(shù)據(jù)庫。中藥材種植管理者可對這些信息進(jìn)行詳細(xì)分類和篩選，除此之外還可以通過RFID讀寫器掃描中藥材種植區(qū)域RFID標(biāo)簽鎖定區(qū)域編號，記錄種植中藥信息，例如：藥材名稱、地域代碼、播種時間、品質(zhì)等級、病蟲害防治信息、農(nóng)藥施肥和噴藥信息、采收時間等。

加工信息管理模塊

加工信息模塊記錄中藥材的加工信息。其主要流程是由加工廠在對中藥材進(jìn)行加工處理操作的過程中進(jìn)行信息的采集錄入。加工人員通過閱讀器掃描中藥材RFID標(biāo)簽，將中藥材加工信息與加工環(huán)節(jié)RFID關(guān)聯(lián)，錄入信息包括中藥材名稱、加工時間、加工地點、加工批次、加工廠家、加工工藝（清洗除雜、日曬烘干、凈制、切制、炒制、炙法、燙制、煅法等）。如果中藥材存在多次加工，則依次增加新的加工記錄。

儲藏信息管理模塊

儲藏信息管理模塊記錄中藥材貯藏信息。中藥材儲藏管理工作人員通過閱讀器掃描鎖定中藥材RFID標(biāo)簽，將有關(guān)信息寫入該模塊，寫入的信息包含有：儲藏倉庫位置、倉庫名稱、儲藏批次、儲存天數(shù)、儲藏環(huán)境、保鮮劑使用情況等信息。如果儲藏過程中出現(xiàn)儲藏位置變更，則在原有儲藏記錄后新增一條記錄。中藥材的儲藏管理人員可以根據(jù)儲藏的中藥材信息，及時出庫儲存周期久的中藥材，保證中藥材品質(zhì)。

運(yùn)輸信息管理模塊

運(yùn)輸信息管理模塊記錄中藥材運(yùn)輸信息。運(yùn)輸人員手持終端閱讀器掃描中藥材RFID標(biāo)簽，錄入運(yùn)輸批次、承運(yùn)單位、運(yùn)輸路線、運(yùn)輸起止時間、運(yùn)輸人員、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸環(huán)境等信息。如果運(yùn)輸過程中出現(xiàn)運(yùn)輸條件變更（人員、運(yùn)輸工具、運(yùn)輸單位、路線等），則依次增加新的運(yùn)輸記錄。所有信息實時保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，便于后續(xù)查詢、關(guān)聯(lián)、追溯。

銷售信息管理模塊

銷售信息模塊采集銷售批次、銷售廠商、銷售人員、銷售時間等信息。當(dāng)一批中藥材出現(xiàn)多次交易時，需要依次增加銷售信息。通過閱讀器掃描RFID標(biāo)簽，寫入銷售環(huán)節(jié)記錄，所有銷售記錄存儲在銷售信息管理模塊。消費(fèi)者則可以通過掃描中藥材包裝上的一維條碼或二維條碼，了解到中藥材從種植到加工各環(huán)節(jié)的信息。

追溯信息查詢API接口

追溯信息查詢API接口負(fù)責(zé)向中藥材追溯系統(tǒng)使用者提供各功能模塊WEB應(yīng)用頁面和API接口，方便各功能模塊使用者使用系統(tǒng)，同時API接口方便與其他第三方系統(tǒng)對接，便于數(shù)據(jù)共享或數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出。

總結(jié)與展望

建立完整的中藥材追溯體系，實現(xiàn)中藥材的全方位追蹤服務(wù)，不僅在發(fā)生問題時能夠可追溯、可定責(zé)，更重要的是能從源頭解決問題。如今各種傳感設(shè)備、通信技術(shù)、云計算等發(fā)展日新月異，將RFID技術(shù)與云計算技術(shù)相結(jié)合，本文提供了一種基于RFID和云平臺的中藥材追溯系統(tǒng)建設(shè)方案，實現(xiàn)中藥材全生命周期過程中信息公開透明的交流，為企業(yè)提供更好的技術(shù)服務(wù)，幫助政府提高監(jiān)管效率、降低監(jiān)管成本，最終為消費(fèi)者的安全保駕護(hù)航，同時也能促進(jìn)中藥材產(chǎn)業(yè)健康平穩(wěn)發(fā)展。