RFID货架期指示器研究现状

我国有近13亿人口,食品安全是近几年来具有持续挑战性的问题和社会热点,并且随着中国经济的高速发展,消费者对食品的质量提出了更高的要求。人们不仅要求食品能够安全食用, 还要求食品的感官特性基本不变,但无论是植物性食品、动物性食品还是人造食品,其水分活度、总酸度、营养物质、自然微生物群、酶和生化底物及防腐剂等因素,在从原材料的摘取、加工、物流、仓储、销售等环节中,都会受外界温度、湿度、光照及环境中微生物群与包装气体组成等的影响,而不断地发生物理、化学、微生物上的变化,以一定的速度和方式丧失其原有品质。 传统货架期指示器存在的问题 传统的简单设定食品保质期及基于条码的食品安全管理模式无法满足更深入细致与高效食品安全管理的目的。目前传统的食品保存与管理方法存在如下问题: (1)传统保质期是通过在实验室内对少量食品样品进行加速实验、常温保存实验或通路实验等验证手段来确定,而事实上,在流通过程中食品品质不仅与每个食品个体初始状态有关,同时也与所处流通的环境密切相关。评价食品的实际品质不仅需要了解食品个体的初始状态,还需要对食品个体进行实时监测、跟踪其在运输、储藏和分销环节中的温度、湿度、光照、氧气含量等及诸多不可预见的影响因素。因此,食品安全状态评估比传统质保期的确定更加复杂、需要在更大的时间与空间范围内由具有数据采集与智能性标签的参与,带来诸如信息交互、运营成本等问题。 (2)使用传统的时间-温度指示器评价食品个体品质方法虽然应用范围广泛(如常用于乳制品、冷冻肉和冷冻水果等冷藏、冷冻食品),具有使用方便、易于观察等优点,但此类产品是一次性使用,不能记录食品流通过程中环境参数的历史变化情况,信息的获取依赖于人工观察,不利于信息管理自动化与效率的提高。生化式时间-温度指示器必须使用在有温度-时间历史影响的食品上,使用前还必须知道食品的活化能,以选择合适的指示器与其动力学参数进行匹配,且成本与可靠性也限制了其使用。 (3)现在食品的信息标识主要是利用条形码技术[5-6]。从当今企业和食品流通的现状来看,采用条形码技术进行信息标识是具有成本低、易于操作、易于制作等优点,但是条形码技术自身存在一些缺陷,不能够满足发展的需要,例如条形码存储信息少;在实际的操作过程中扫描仪只能在近距离下才能对其读取;在读取条形码时,经常会有货物粘贴条形码位置的不同和货物包装的不规则等问题,使得操作员在对货物进行扫描时需要花大量时间来寻找扫描条形码的精确位置;有时还会发生漏扫描情况。条形码技术不能够满足高精度快速识别的要求,并且其存储的信息一旦写入就不可以对其存储的内容进行修改,也不能够重复使用,降低了条形码的使用率,最主要的缺点是不能对食品进行实时的监测,这些都制约着食品企业的发展。 RFID货架期指示器的优点 RFID货架期指示器由RFID读写器和RFID微粒构成。RFID技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术,通过对实体对象的唯一有效标志,其可广泛用于生产、零售、物流、交通等各个行业[7]。RFID货架期指示器优点有: (1)不需要光学可视、非接触完成识别工作。在冷链物流中,需要对大量食品进行识别,利用RFID技术解决了条形码技术识别速度慢、识别操作复杂等缺点,提高了效率。 (2)工作时无须人工干预、不易损坏,减少了由于人为原因产生的出错概率。由于条形码识别操作过程中容易磨损,使得食品质量不能得到有效的标识,而RFID货架期指示器不需要人工对食品进行干预,通过读取微粒的数据来掌握食品的质量。 (3)可远距离识别运动物体,提高了传统货物在分拣登记信息时候的处理速度。RFID货架期指示器不需要人工操作近距离地读取食品环境与质量信息,通过射频技术,可以远距离完成通信,提高了登记食品质量信息的速度。 (4)能够对食品进行实时监测、评估与预测。传统技术不能根据当前环境的变化而实时地监测、评估与预测食品的质量,这使得食品在冷链物流过程中的质量不能被实时的反映,而RFID货架期指示器通过采集食品的一些质量信息,能够实时地监测食品的质量。 RFID货架期指示器亟需解决的问题 在冷藏运输过程中,射频装置运行与典型的行业环境下:首先装置工作于低温、潮湿、机械振动、冲击和大范围金属干扰、电磁干扰等恶劣环境下;其次射频装置要求的识别距离远,能够达到多目标快速识别;最后要具有低功耗、存储容量大、使用寿命长等特点。因此,对RFID货架期指示器的性能提出更高的要求,主要表现在: (1)应具有低功耗特性。在冷链物流过程中,RFID货架期指示器需要长时间、实时监测食品的质量,能量消耗较大,其主要是采用电池供电的方式,而电池的容量是有一定限度的,不能无限制供电,因此,这就对微粒的功耗提出了较高的要求。 (2)应具有抗干扰能力,数据通信的保密性。食品在运输过程中,由于外界信号会干扰RFID读写器与RFID微粒的通信,这就要求RFID货架期指示器能够具有较强的抗干扰能量和数据通信的保密性。 (3)要求系统具有较高的稳定性和可靠性。RFID货架期指示器需要具有较强的稳定性与可靠性,才能实现对食品实时监测的目标。 (4)能识别多个移动RFID微粒。在食品源、中转站、目的地,RFID读写器需要读取多个移动的RFID微粒,读取的过程中由于信息的不断碰撞和智能RFID微粒的移动,会产生RFID微粒被漏读的问题及功耗问题。 展望 为了实现RFID货架期指示器能够被较好地应用于食品冷链物流中,需要通过对RFID货架期指示器的功耗和多个移动RFID微粒的防碰撞问题进行了研究。论文需要在以下几个方面展开研究: (1)需要提出时间序列电源管理算法 冷链物流具有较强的行业特殊性,RFID货架期指示器需要在这一过程中实时监测食品的存储环境与质量信息,并需要对数据进行计算和存储,其能量消耗较大。现有的电源管理技术一般都是将以前的状态综合来预测将来的工作状态,不能有效应用在冷链物流中。本文提出了时间序列电源管理算法,该算法根据划分的运行模式对智能RFID微粒进行管理,优化了微粒的功耗与性能之间的平衡。 (2)需要提出智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法 传统的防碰撞算法一般都是针对于静止的应答器与读写器而设计,而在冷链物流过程中,智能RFID读写器需要读取多个移动的智能RFID微粒。针对这一情况,论文分析了冷链物流环境下RFID货架期指示器在射频通信时存在的三种情况,并总结了这三种情况共同存在的问题:一些微粒将离开稳定通信范围;而一些新的微粒将进入稳定通信范围。针对这一问题存在三个技术难点需要解决,论文通过对智能RFID微粒数量的估计,提出了智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法,算法的设计思路主要是减少多个移动微粒之间的信息碰撞,并减少微粒的射频通信时间,以此达到降低功耗的目标。 (3)需要设计低功耗的RFID货架期指示器 在上述两项技术的研究基础上,设计低功耗的RFID货架期指示器。