应用电子技术论文基于物联网技术的猪肉防伪追溯系统研究

　　这篇应用电子技术论文发表了基于物联网技术的猪肉防伪追溯系统研究，肉类制品安全关系到餐桌前的每个人，直接关系到我们的生命安全，利用物联网技术追中肉类制品的防伪技术很大的方便了对食品卫生的监管，那么这种防伪追溯系统架构设计是怎样的呢?

　　摘 要： 为了实现猪肉食品的可追溯性，基于物联网技术的猪肉防伪追溯系统采用NFC技术和RFID技术协同实现双向模式的追溯功能，在猪肉供应链中还可以防止窜货。在NFC电子标签中加入数字签名，实现防伪功能，消费者通过NFC智能手机进行防伪验证和向上溯源查询。RFID电子标签采用EPC编码存储猪肉的相关信息，根据EPC编码，供应链中各个环节都可以通过防伪追溯系统平台实现向下决策追溯。

　　关键词：应用电子技术论文,数字签名,防伪追溯

　　引 言

　　肉类食品安全是一项从产品源头到餐桌的社会性系统工程，直接关系人类的生存与健康。猪肉在我国居民日常生活消费结构中占有重大比例，是人们生活的主要食用消费品，其食品安全状况涉及百姓身体健康和基本消费安全。据介绍，2013年我国的肉类产量达到8 536万吨，比2012年增长1.8%，其中猪肉产量5 493万吨，增长[1]2.8%。然而近年来，“瘦肉精”猪肉、“黄浦江死猪”、“死猪病猪流向餐桌”等猪肉食品安全事故的发生，引发了人们对猪肉食品安全的强烈关注，由此激发了巨大的网络声音。《中国食品安全网络舆情发展报告(2013)》发布的数据显示，猪肉在网民最关注的食品安全热点问题排行榜中位居第二。2013年11月，复旦大学健康领域重大社会问题预测与治理协同创新中心发布的《我国食品安全领域问题静态预测研究报告》中指出，食品安全追溯系统成为我国食品安全领域目前面临的34个主要问题中最迫切需要解决的问题之一[2]。

　　1 RFID和NFC技术简介

　　RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID电子标签具有不耗电、ID号全球惟一，比条码、二维码寿命长达10年，可写10万次，防磨损、防水、防磁、防腐蚀。标签能加密，无法造假，只有专用设备和软件才能读写标签，利用RFID读写器，远距离识别，可批量快速采集或自动采集RFID标签[3]。本文的防伪追溯系统在猪肉供应链物流领域采用RFID电子标签。

　　NFC(Near Field Communication，近距离通信)是一种短距高频的无线电技术，是从RFID的基础上发展起来的，增加了点对点的通信功能，可以快速建立蓝牙设备之间的P2P(点对点)无线通信，NFC设备彼此寻找对方并建立通信连接。P2P通信的双方设备是对等的，而RFID通信的双方设备是主从关系。NFC相较于RFID技术，具有距离近、带宽高、能耗低等特点，具体如下：

　　(1) NFC只限于13.56 MHz的频段，而RFID的频段有低频(125～135 kHz)，高频(13.56 MHz)和超高频(860～960) MHz之间;

　　(2) 工作有效距离：NFC(小于10 cm，所以具有很高的安全性)，RFID距离从几米到几十米都有;

　　(3) 同样工作于13.56 MHz，NFC与现有非接触智能卡技术兼容。

　　随着移动互联网和物联网技术的发展，RFID技术已经广泛应用于生产、物流、跟踪、资产管理，我国著名的茅台酒已经开始使用RFID技术进行防伪溯源。随着智能手机的发展，从RFID发展而来的NFC技术应用越来越广泛，由于其通信距离短、安全性高的特点，广泛应用于移动支付、门禁等领域。本文的防伪追溯系统中采用NFC电子标签存储生猪的ID，实现防伪功能。

　　2 防伪追溯系统架构设计

　　2.1 防伪溯源系统中的信息模型

　　如图1所示，基于物联网技术的防伪溯源系统中猪肉的信息经过信息采集层、信息预处理层、信息传输层和信息智能处理和存储层，最后存入Web应用系统的后台数据库中[4]。信息采集层主要采集养殖场和屠宰场生猪的有关信息(出生信息、饲养信息、病历信息、疫苗注射信息)、检验检疫信息、猪肉生产时间、猪肉运输信息(货品编号、运输车辆、运输时间等)、销售信息等。信息预处理层主要负责在对数据进行处理前，先对原始数据进行必要的审查、集成、转换、离散和规约等一系列处理工作，使残缺的数据完整，将错误的数据纠正，将多余的数据去除，将所需的数据挑选出来并进行数据集成，将不合适的数据格式转换为所要求的格式，消除多余的数据属性，从而达到数据类型去异化、数据格式一致化、数据信息精确化和数据存储规范化。信息传输层主要负责将采集到的信息传输到数据库中存储起来。信息智能处理通过规则定义处理同一电子标签的重复读取、读取失败、错误读取、数据验证等问题，并通过智能信息处理技术对海量信息进行实时的高速处理，对数据进行智能化的挖掘、管理、控制与存储。信息存储层将从实体环节中采集的信息经预处理后存储到后台数据库中。

　　2.2 防伪溯源系统架构

　　鉴于NFC和RFID的各自优势，本系统采用NFC和RFID相结合来实现猪肉的双向追溯。NFC标签用来存储生猪的ID，每头猪具有惟一的ID，由养殖场生成并在其后附上数字签名后保存到NFC标签，其他的饲养信息、疫苗注射信息、屠宰信息、检验检疫信息、物流配送等信息通过EPC编码存储到RFID标签中。NFC标签和RFID的信息通过中间件或手持读写器写入并上传到系统的后台数据库。消费者通过NFC智能手机或NFC读写器终端查询猪肉信息。系统架构如图2所示。

　　2.3 防伪溯源系统的双向追溯模式

　　文献[4]中提出的追溯系统是单向模式，一旦猪肉出现问题，对于企业和总销售点难以确定问题猪肉的去向。本文设计的系统对于消费者可以向上防伪溯源，追溯到猪肉的物流信息、检验检疫信息、养殖信息等信息流，对于企业和批发市场可以向下决策统计追溯，追溯猪肉的分销点信息和消费群体，当发现问题猪肉时可以协助政府部门处理，同时在供应链上可以防止串货的现象[5]。双向追溯模式如图3所示。

　　3 防伪溯源系统的关键技术

　　3.1 电子标签的选择

　　NFC标签主要有4种类型：类型1基于ISO14443A，目前由Innovision研究和技术公司独家供应 (TopazTM)，具有96 B内存，成本低，应用广泛。类型2同样基于ISO14443A，目前由Philips独家供应 (MIFARE UltraLight)，内存是1类标签的一半。类型3基于FeliCa，目前由Sony独家供应，具有较大内存(目前为2 KB)和较高传输速率(212 KB/s)，适用于更复杂的应用。类型4完全兼容ISO14443A/B，很多制造商都有生产，包括Philips(典型产品如MIFAREDESFire)。内存更大，读取速率在106～424 KB/s之间。本文设计的防伪追溯系统主要采用NFC智能手机进行读取数据，NFC电子标签选择类型1，传输速度为106 KB/s，识别距离约为10 cm。

　　按照工作频率来划分，RFID标签主要有低频RFID标签、中高频RFID标签和超高频与微波段RFID标签。低频标签典型的工作频率为125～134.2 kHz，中高频标签的典型工作频率为13.56 MHz，超高频与微波段RFID标签通常简称为“微波标签”，典型的超高频工作频率为860～928 MHz，微波段工作频率为2.45～5.8 GHz。微波标签主要有无源标签与有源标签两类。微波无源标签的工作频率主要在902～928 MHz;微波有源标签工作频率主要在2.45～5.8 GHz。微波标签工作在读写器天线辐射的远场区域。本文中的防伪追溯系统中RFID主要用来存储养殖信息、检验检疫信息、物流信息等，RFID电子标签选择超高频RFID标签。

　　3.2 EPC编码设计

　　EPC(Electronic Product Code，电子产品编码)技术是美国Auto?ID开发的，通过互联网平台、利用无线数据通信技术、RFID技术等，旨在构建一个能实现实时共享物品信息的网络平台，能够实现对物品信息的跟踪及回溯[6]。EPC系统中应用的编码类型主要有64位，96位和256位三种。EPC编码由版本号、序列号、产品域名管理和产品分类部分四个字段组成。本系统采用96位的EPC编码，如图4所示。8位用来存储EPC版本号，28位用来存储猪肉品牌和养殖场信息，24位用来存储猪肉分类代码，36位用来存储猪肉的检验检疫、物流配送信息、屠宰日期、批发市场、分销点等信息，当实际编码长度小于预留的长度时在后面补0。

　　3.3 电子标签的防伪实现

　　本文的系统采用RSA数字签名方式来实现防伪[7?8]。养殖场通过在防伪追溯系统平台注册并审核后获取私钥[d，]养殖场利用私钥[d]和模数[n]将生猪ID加上数字签名后写入NFC标签，消费通过平台获取公钥[e]和模数[n]对数字签名进行验证。具体步骤如下：

　　Step1：养殖场注册并等候审核;

　　Step2：平台通过审核后，选择大素数[p，q，]生成[n，d， fn。]其中[n=q×q，][fn=(q-1)?(p-1)，]选一整数[e(1　　Step3：养殖场对生猪ID(M)进行数字签名，S=Md(mod n);

　　Step4：养殖场在生猪ID(M)后附上数字签名S，并写入NFC电子标签;

　　Step5：消费者或猪肉供应链上的各个环节通过平台获取公钥e和模数n，对签名进行验证。如果Se(mod n)=M，则说明NFC标签不是伪造的，否则说明NFC标签是伪造的。如果验证成功，则返回相关猪肉的信息。

　　4 结 语

　　为解决肉类蔬菜的食品安全问题，我国自2010年开始分批在全国范围开始进行肉类蔬菜流通追溯体系建设的试点工作，截止2014年底，已经有5批共58个城市参与了试点建设。本文提出的基于物联网技术的猪肉防伪追溯系统结合RFID技术和NFC技术对猪肉从养殖、检验检疫、屠宰、批发、分销等供应链环节上实现对上可以防伪溯源、对下可以决策追溯的双向追溯模式，对我国肉类蔬菜实现可追溯具有一定的应用价值。

　　参考文献

　　[1] 国家统计局.2013年国民经济和社会发展统计公报[EB/OL].

　　[2] 周凯.六大问题威胁食品安全追溯体系不完善追责难[N].粮油市场报，2013，11(5)：A01.

　　[3] 徐勇军，刘禹，王峰.物联网关键技术[M].北京：电子工业出版社，2012：2?115.

　　[4] 白忠贺.基于物联网技术的肉品追溯系统研究[D].江苏：南京邮电大学，2013.

　　[5] 朱燕妮，雷坚，龙陈锋.基于双向追溯模式的黑茶防伪溯源系统的构建[J].湖南农业大学学报(自然科学版)，2014，40(5)：552?555.

　　[6] 李文勇，孙传恒，刘学馨，等.嵌入式农产品追溯码加密算法设计与实现[J].农业工程学报，2012，28(17)：253?258.

　　[7] 黄帧.基于物联网技术的乳业食品安全追溯平台分析与设计[D].北京：北京邮电大学，2012.

　　[8] 胡方.改进的 RSA 算法及其在数字签名中的应用[D].沈阳：东北大学，2008.

　　[9] 黄叶珏.基于 NFC 的茶叶防伪验证可追溯系统的设计与研究[J].农村经济与科技，2013，24(3)：151?152.

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