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利用条形码RFID技术双向转换设备提高食品的连续可追溯性:以两个现场实验为例
Beilei Fana,b , Jianping Qianb,c,lowast; , Xiaoming Wub,c , Xiaowei Dub,c , Wenyong Lib,c , Zengtao Jib,c , Xiaoping Xina
a 中国农业科学院农业资源与区域规划研究所，北京100081
b 北京农林科学院国家农业信息技术工程研究中心，北京100097;2
c 北京农林科学院国家农产品质量追溯工程实验室，北京100097
lowast;通讯作者。.北京农林科学院国家农业信息技术工程研究中心，北京100097。
关键词:可追溯性，二维码，RFID，实验分析，标签转换
摘要
射频识别技术(RFID)和快速响应技术(QR)是识别可跟踪资源单元(TRUs)的有效方法，在可跟踪系统中得到了广泛的应用。TRU转换应用的非常广泛，如牛肉分割和小麦面粉包装。本研究主要描述了条形码-RFID双向转换设备的开发和测试，通过保存识别关联和信息通信来提高可追溯性，同时将条形码转换为RFID，反之亦然。可追溯双向识别标签的框架是在比较RFID和条形码的特点，分析TRU转换的基础上建立的。所述设备包括触觉工业控制器、RFID阅读器模块、嵌入式打印模块和条形码扫描模块。开发了RFID-条形码转换、状态监测等主要功能。该系统在牛肉分割和小麦面粉包装两种典型场景下进行了现场试验。RFID条码处理的平均转换成功率为97%，条码RFID处理的平均转换成功率为93.48%。提出的设备比参考方法更快:RFID-条形码转换3.2秒少于8.7秒，条形码-RFID转换10.5秒少于13.3秒。此外，所提议的设备比传统设备便宜。测试结果表明，TRU转换后，由于保留了识别关联和信息对应关系，提高了可跟踪性。
随着人们对食品安全的关注越来越多，可追溯性被视为确保食品安全和质量、降低召回成本的有效方法(Regattieri, Gamberi， amp; Manzini, 2007)。可追溯性在国际标准、立法甚至字典中都有定义(Badia-Melis, Mishra， amp; Ruiz-Garcia, 2015)。ISO 22005:2007食品可追溯性标准要求每个公司都知道它的供应商和客户，按照一上一下的原则(国际标准化组织，2006)。一般食物法，即监管。(EC) 178年出版的欧洲议会和理事会于2002年1月28日概述了食品法的一般原则和要求,建立了欧洲食品安全管理局,并提供程序在食品安全的问题(例如,实现跟踪能力系统在欧洲的食品和饲料的供应链)(Stranieri,amp; Banterle, 2017)。
作为实现可追溯系统的基础，可追溯性必须定义资源单元(TRUs) (Dabbene amp; Gay, 2011)。TRU必须是唯一可识别的，并与记录在案的信息一致，这些信息遵循供应链上的每一个TRU (Olsen amp; Borit, 2013)。通常存在三种类型的TRU:批量、贸易单位和物流单位(Aung amp; Chang, 2014)。批次是经过相同过程的数量。贸易单位是供应链中从一个公司发送到下一个公司的单位。物流单位是一种贸易单位，指的是企业在运输或仓储之前创建的分组(Karlsen, Donnelly， amp; Olsen, 2011)。为了区分不同的TRU，存在不同的识别技术，如条形码和射频识别(RFID) (Cunha et al.， 2010;Ruiz-Garcia amp; Lunadei, 2011)。由于条形码的低成本和易用性，在过去的30年里，条形码被广泛应用于零售领域，以方便库存控制、库存记录和结账(Ghaani, Cozzolino, Castelli， amp; Farris, 2016)。随着数据传输向无线电磁系统转移，RFID技术得到了越来越多的应用由于其自动化、无接触、高精度读写的优势(Bai et al.， 2017)。
在可跟踪性框架“从农场到表”中，TRU转换是常见的(Riden amp; Bollen, 2007)。例如，总TRU可以分为几个分TRU，如在屠宰过程中，牛被分割成肋眼、上牛腰等(Feng, Fu, Wang, Xu， amp; Zhang, 2013)。TRU聚集也存在于小麦面粉包装等物品中，当将单个包装的小麦面粉装入一个包含多个包装的盒子中方便运输时(Qian et al.， 2012)。这样的TRU转换会导致产品标识不连接，信息流脱节，甚至可以打破追溯链(Qian, Du, Zhang, Fan， amp; Yang, 2017)。
因此，为了提高可追溯性，我们必须提高TRU的持续可追溯性，即使是在转换之后。然而，这也带来了以下挑战:(1)如何准确地链接识别信息，有效地记录转换信息?我们如何使操作尽可能方便?(3)在真值转换场景中发生了什么影响?为了测试一种实用的可跟踪方法，我们在该工作设备中开发了一种条形码- RFID转换。第二部分分析了TRU的识别与改造，从硬件和软件两方面介绍了设备的设计与开发。然后，第4节描述了基于两种典型场景的现场实验。最后，通过实验对该装置的应用效果进行了分析。
1. 可追溯资源单元的识别和转换分析
1.1 条形码与射频识别的比较
条形码和RFID的识别技术在当前的可追溯系统中得到了广泛的应用(Luvisi et al.， 2012;Alfian等，2017)。表1中列出的这些技术可以沿着供应链跟踪产品。条形码是一种一维(一维)模式，由平行的空间和条组成，排列成10位数字。编码的信息由光学条形码扫描器读取，条形码扫描器将信息发送到存储和处理信息的系统。二维(2D)条形码通过将排列在数组或矩阵中的点和空间组合起来，而不是作为条和空间，可以存储比一维条形码更多的信息(Liang et al.， 2013)。快速响应(QR)码是一种典型的二维条码，常用于可追溯标签中。由于RFID技术允许对产品进行非接触式识别，因此可以通过高效的定制和处理实现有效的信息共享(Bosona amp; Gebresenbet, 2013)。一维条码、二维条码和RFID的特点各不相同;表1比较了这三种识别技术。
表1 条形码与RFID的比较。
|
技术 |
环境条件 |
安全 |
读取距离 |
存储容量 |
读取/写入 |
价格 |
|
一维条形码 |
对环境、污垢、划痕敏感 |
低（不加密） |
近 |
非常小(只能表示数字) |
不能更新 |
便宜 |
|
二维条形码 |
对环境、污垢、划痕敏感 |
高（简单加密） |
近 |
小(可表示字母或其他字符) |
不能更新 |
便宜 |
|
RFID |
耐用,防水 |
高（深度加密） |
远 |
超大(可存储32-128Bit左右的数据) |
新信息可重写 |
贵 |
1.2 可追溯资源单元转换分析
由于供应链中产品标识的信息不一致，导致TRUs转换时，可追溯链可能会中断，从而无法进行跟踪。因此，与产品信息相联系的标识标签在追溯系统中扮演着重要的角色。
在现有的食品可追溯系统中，TRU转化通常表现为包装的拆分和聚合，如图1所示。小包装产品大多采用条形码标识，满足了可追溯性要求，降低了成本。然而，大包装的物流信息必须快速准确的处理，所以RFID是最好的识别手段，因为它允许识别程序在物流中应用(如记录仓库入口或出口)。由于大包装的价值一般较高，RFID的成本并不是一个限制因素。条形码和RFID之间的转换是包裹的不连续跟踪背后的主要因素。
图1 包转换处理中跟踪和跟踪的模式图。
2. 条码-FRID双向转换设备的设计与开发
2.1 设备设计框架
建立识别层与数据层之间的联系，是解决TRU聚合和分割导致的可转让链信息丢失问题的关键。对于通常涉及到将条形码转换为RFID的TRU聚合，我们关注的是条形码与RFID标签识别(TID)之间的关系。TID是RFID标签唯一的标识号，条码与RFID的关系为n: 1，其中n为条码标签的编号。在数据级，转换时间和操作信息应该存储在数据库中，以便跟踪。TRU分配是RFID向条形码转换的过程中经常出现的问题，其重点是建立RFID TIDs与条形码之间的关系(1:n)。同样，处理TRU 分配的转换时间和操作信息也应该存储在溯源数据库中。
如图2所示，RFID与条码标签的双向转换包括两个单向信息流:(1)RFID识别信息到条码识别信息的转换;(2)条码识别信息到RFID识别信息的转换。前者通过RFID阅读器读取RFID标签，RFID数据处理模块对RFID标签中的信息进行分析，然后发送提取信息到嵌入式打印模块，该模块将各种编码规则应用于打印条形码标签。后一个过程基本上是相反的:它首先读取条形码标签，然后当扫描的数量等于所需的扫描数量时写入RFID标签。最后，将信息和条形码数量存储在RFID标签中。
图2 条码RFID双向转换设备框架。
2.2 转换控制程序的设计
双向变换是相对独立的处理。条码数量的监控和计数是条码向RFID转换的一个重要方面。图3显示了整个过程。
首先，用户设置要扫描的条形码数量;例如，要加载到大型包中的小包的数量。操作完成后，将计数器复位为零，利用红外技术检测条形码识别，降低消耗。一旦检测到商品，条形码信息将被读取并写入RFID标签，同时计数器将增加。扫描完成后，关闭条码扫描头，节约能源，优化设备使用时间。当条码号码达到预定限额时，用于RFID转换的条码已达到设定的号码，柜台被清空。处理器驱动RFID无线电头，并将条形码号写入RFID标签。最后，它开始下一个过程。
图3 从条形码到RFID的转换流程图。
2.3 硬件设计与实现
双向转换设备硬件包括触觉工业控制器、RFID读写模块、嵌入式打印模块、条形码扫描模块。各模块具体内容如下:
●触觉工业控制器来自北京诺维世纪科技有限公司(中国)。它是7英寸工业控制器，Windows XP是操作系统内核。
●深圳坂本科技有限公司(中国)930MHz频段D-300超高频RFID读写模块。
●嵌入式打印模块:深圳博德有限公司Q8打印机，可打印1D、2D条码标签。
●条码扫描模块:使用纽兰公司(中国)的NLs-EM3000条码读取引擎，读取各类主流一维条码和标准二维条码。硬件结构如图4所示。
图4 条形码RFID双向转换设备的硬件模块结构。(1)嵌入式打印机。(2)工业控制器。(3)RFID阅读器。(4)条形码扫描器。(5)电源开关。
2.4 开发软件核心功能
基于控制程序和硬件模块，在Microsoft上实现了系统功能。NET平台通过调用模块驱动程序接口实现以下功能:
●RFID条码转换:选择条码类型、RFD频带、转换次数，设备自动读取RFID标签信息，并打印出相应的二维码数量。
●条码-RFID转换:选择相关设置并输入转换号，扫描相关条码，按下转换按钮。
●状态监控:在转换过程中，实时监控条形码的读写和RFID信息，并读取错误信息提供报警功能。系统界面如图5所示。
(a)
(b)
图5所示。条码RFID双向转换设备的系统接口。(a) RFID与条形码的接口。(b)条码与RFID的界面。
3.基于两种典型场景的现场实验实验场景
3.1 实验场景
3.1.1 牛肉分割过程
肉牛屠宰和牛肉分割是牛肉供应链的重要组成部分。根据我们的调查，屠宰牛包括放血、剥皮、剖腹等。接下来，牛的尸体被分割成两半，每一半被称为一个二元。经过酸分解处理后，牛的尸体被分成四个四分之一，每个四分之一称为四分体。在牛肉分割的过程中，根据商业化的要求，将四分体进一步分为牛肉产品的不同部分，如田里脊肉、夹头卷、日贝叶等。
在现有系统内实现可追溯性(Feng et al.， 2013;Sun, Ji, Yang, Han， amp; Wang, 2007)，我们使用各种硬件，如RFID标签、RFID阅读器、条形码打印机和计算机，以及一些软件，如屠宰和流程管理系统。申请步骤如下:
a用便携式RFID阅读器读取附着在四分体上的RFID标签;用屠宰-和-过程-把数据传送到计算机管理系统;
c将相关信息输入系统;
d将条码打印机连接到电脑上打印二维条码;把二维条码贴在包裹上。
3.1.2 小麦面粉包装工艺
小麦面粉的加工从小麦进入原料仓库开始，到小麦包装离开面粉仓库为止。小麦面粉包装是小麦面粉加工中最
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