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基于RFID和云平台技术的 中药材追溯系统设计

发布时间:2020年03月09日 来源:中国自动识别网 作者:冯正西 繆延晖

中医作为中华文明的瑰宝,其使用的中药质量直接决定病人的康复进展。通过基于RFID和云平台技术的中药溯源系统,可以实现对中药材种植、生产、加工、储存、运输、销售的全生命周期管理,提升药材信息透明度,加强药材质量安全管控,保证患者用药安全。

近年来中药材安全倍受社会大众关注,导致中医这一中华文明瑰宝备受世人质疑。主要原因是中药材的使用和管理不当,患者使用了劣质甚至是错误的中药材。因此,加强对中药材的管理,是当前扭转中医困局的当务之急。中药材由于其特殊性,管理难度巨大。首先中药材种类繁多,相似相近药材数不胜数,全国用于饮片和中成药的药材有1000~1200种(其中,植物类药材有800~900种,动物类药材100多种,矿物类药材70~80种),一般消费者缺乏识别真假优劣的能力;其次药材采收后,经过多级收购商采购、包装、贮藏、运输、混批、混包、混储等环节,导致药材的来源混杂。因此建设中药材追溯系统,是实现中药材来源可查、去向可追、责任可究,真正做到质量提升的关键。
国家从提升人民健康水平的角度出发,很早就开始考虑建设中药材追踪管理系统。从2012年开始,国家分三批支持18个省市建设中药材流通追溯体系;2016年下发《总局关于推动食品药品生产经营者完善追溯体系的意见》;2017年下发《国家中药材流通追溯体系建设规范》;2019年下发《关于协同推进肉菜中药材等重要产品信息化追溯体系建设的意见》。在国家的大力支持下,部分省份陆续开始建设中药材溯源系统,但由于中药材从生产、流通、存储到使用过程中环节较多,传统的人工输入中药材信息方式无法满足精细化管理要求。随着传感器技术的日趋成熟,加上云计算、虚拟化等云平台技术大规模商用,基于RFID和云平台技术的中药材追溯系统越来越得到重视。
 
基于RFID和云平台技术的中药材追溯系统设计
RFID技术介绍
射频识别(RFID)是 Radio Frequency Identification 的英文缩写。它是一种非接触式、在一定距离内自动识别、获取信息的技术。其工作机理如下:当装有RFID电子标签的物体进入微波天线覆盖区时,RFID阅读器受控发出微波查询信号,安装在物体表面的RFID电子标签收到查询命令后,根据查询信号中的命令内容,将RFID标签中的数据信息反射回微波天线。
微波天线接收到RFID电子标签反射回的数据信号后,经RFID阅读器分析处理,将RFID电子标签中的识别代码、存储数据等信息分离出来。阅读器通过网络,将信息作为物体的特征数据传送到控制计算机作进一步处理,从而实现与物体有关的信息登记、查询、统计、管理等应用。整个识别过程无需人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,阅读器能自行判断RFID标签是否被重复读取处理。根据微波波长的不同,RFID阅读器和RFID电子标签的距离可以从5cm到1km。
RFID系统一般由阅读器、电子标签和应用系统三部分组成,通过无线电波在响应媒介和询问媒介间传递信息。读写器,一般是一台内含天线和芯片解码器的阅读设备,可设计为手持式或固定式;读写器可无接触地读取并识别RFID电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。应用系统,一般是由应用软件和计算机、服务器、存储等硬件系统组成,定制化的软件负责对接收到的电子标签数据进行分析、处理并管理整个系统。电子标签,主要是射频标签,响应端内含天线,将存储的数据通过天线发送给读写器。
云平台介绍
云计算平台也称为云平台,是指基于硬件资源和软件资源的服务,提供计算、网络和存储能力。它是一种基于网络的计算方式,通过这种方式,共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给用户。云平台有这三种主要服务形式:SaaS(软件即服务),PaaS(平台即服务),IaaS(信息即服务)。
SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上,用户根据需求通过互联网向厂商订购应用软件服务,服务提供商根据客户所订软件的数量、时间的长短等因素收费,通过浏览器向客户提供软件服务。这种服务模式的优势是,由服务提供商维护和管理软件,提供软件运行的硬件设施,用户只需拥有能够接入互联网的终端,即可随时随地使用软件。这种模式下,客户不再像传统模式那样花费大量资金在硬件、软件、维护人员上,只需要支出一定的租赁服务费用,通过互联网就可以享受到相应的硬件、软件和维护服务,这是网络应用最具效益的营运模式。Salesforce.com和Google Apps都属于这类服务。
PaaS是一种分布式平台服务,厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给客户,用户在其平台基础上定制开发自己的应用程序并通过其服务器和互联网传递给其他客户。PaaS能够给企业或个人提供研发的中间件平台,提供应用程序开发、数据库、应用服务器、试验、托管及应用服务。Google App Engine平台,八百客的800APP是PaaS的代表产品。
IaaS是把厂商的多台服务器组成的“云端”基础设施,将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。这是一种托管型硬件方式,用户付费使用厂商的硬件设施。IaaS的优点是用户只需低成本硬件,按需租用相应计算能力和存储能力,大大降低了用户在硬件上的开销。Amazon Web服务(AWS),IBM的BlueCloud等均是将基础设施作为服务出租。
中药材追溯系统属于定制化专用系统,需要定制应用开发软件,并伴随数据库需求,因此云平台应选用PaaS方案。
基于RFID和云平台技术的中药材追溯系统总体架构
基于RFID和云平台技术的中药材追溯系统采用分层、模块化设计方案。系统的设计遵循并参照国家关于信息系统建设的政策性法规、行业标准和规范。系统总体框架如图1所示:
 
图1  基于RFID和云平台的中药材追溯系统架构图
感知层
通过RFID阅读器与RFID电子标签交互,采集或更新电子标签内的数据信息,从而识别出中药材的种植、存储、运输、销售等信息。根据无线电传播特性,RFID和电子标签间距离可根据采用的无线电频率做适当调整:125KHz:5~10cm,专用的远距离读头配远距离卡,可达到1m左右;13.56MHz:5~10cm,专用的远距离读头配远距离卡,可达到1m左右;433.92MHz:远的可达到1km;915MHz:远的可达到25m多;2.4GHz:可达到200m;手持机:一般为10cm以下;特殊的915MHz远距离手持机可达到7m。
网络层
依托通信技术,将RFID阅读器采集到的信息送往部署在云平台的追溯系统。目前广泛采用的通信技术包括GPRS、Zigbee、WiFi、LTE(NB-IoT、LoRa),以及未来将大规模商用的5G网络等。云平台为中药材追溯系统提供计算和存储能力,云平台以数据保存,建立业务分类数据库为核心,实现中药材信息资源的有效整合、全局管理和数据共享,为业务流、知识流和信息流的一体化集成提供数据基础。采用PaaS模式的云平台依靠弹性伸缩和虚拟化功能,可以方便追溯系统根据业务需求动态扩容调整,同时云平台的安全防护机制(信息安全防护、容灾恢复机制)可以为中药材追溯系统提供网络信息安全防护和容灾备份。
应用层
应用层分为系统支撑子层和业务应用子层。系统支撑子层包含数据仓库组件、联机分析处理(OLAP)等各种服务策略和服务引擎,通过以集约组合和模块化的方式为中药材追溯系统业务处理提供专业化的服务组件。系统支撑子层可以提高系统功能的扩展性,可任意组合或者独立使用,让系统更具灵活性。
业务应用子层根据RFID采集信息类别不同,分为种植信息管理模块、加工信息管理模块、储藏信息管理模块、运输信息管理模块、销售信息管理模块以及追溯信息查询API接口。业务应用子层通过综合多个功能模块,实现中药材各个环节的管控,通过不同的接口为用户提供交互服务和信息查询。
中药材追溯系统的模块功能
系统功能设计(如图2所示)分为种植信息管理模块、加工信息管理模块、储藏信息管理模块、运输信息管理模块、销售信息管理模块。
 图2  中药材追溯系统流程图
 
种植信息管理模块
种植信息管理模块是中药材追溯系统基础信息模块之一。中药材种植管理者登入种植信息管理模块,对区域内种植药材的信息进行管理。中药材种植区域内的传感器在传感器层接收到采集的数据(包括土壤信息、水源信息、大气信息、温度信息、光照信息等)后直接通过路由节点将所有数据上传至协调器节点,进而发送到与PC端相连的RFID服务器,最终到达终端数据库。中药材种植管理者可对这些信息进行详细分类和筛选,除此之外还可以通过RFID读写器扫描中药材种植区域RFID标签锁定区域编号,记录种植中药信息,例如:药材名称、地域代码、播种时间、品质等级、病虫害防治信息、农药施肥和喷药信息、采收时间等。
加工信息管理模块
加工信息模块记录中药材的加工信息。其主要流程是由加工厂在对中药材进行加工处理操作的过程中进行信息的采集录入。加工人员通过阅读器扫描中药材RFID标签,将中药材加工信息与加工环节RFID关联,录入信息包括中药材名称、加工时间、加工地点、加工批次、加工厂家、加工工艺(清洗除杂、日晒烘干、净制、切制、炒制、炙法、烫制、煅法等)。如果中药材存在多次加工,则依次增加新的加工记录。
储藏信息管理模块
储藏信息管理模块记录中药材贮藏信息。中药材储藏管理工作人员通过阅读器扫描锁定中药材RFID标签,将有关信息写入该模块,写入的信息包含有:储藏仓库位置、仓库名称、储藏批次、储存天数、储藏环境、保鲜剂使用情况等信息。如果储藏过程中出现储藏位置变更,则在原有储藏记录后新增一条记录。中药材的储藏管理人员可以根据储藏的中药材信息,及时出库储存周期久的中药材,保证中药材品质。
运输信息管理模块
运输信息管理模块记录中药材运输信息。运输人员手持终端阅读器扫描中药材RFID标签,录入运输批次、承运单位、运输路线、运输起止时间、运输人员、运输方式、运输环境等信息。如果运输过程中出现运输条件变更(人员、运输工具、运输单位、路线等),则依次增加新的运输记录。所有信息实时保存在数据库内,便于后续查询、关联、追溯。
销售信息管理模块
销售信息模块采集销售批次、销售厂商、销售人员、销售时间等信息。当一批中药材出现多次交易时,需要依次增加销售信息。通过阅读器扫描RFID标签,写入销售环节记录,所有销售记录存储在销售信息管理模块。消费者则可以通过扫描中药材包装上的一维条码或二维条码,了解到中药材从种植到加工各环节的信息。
追溯信息查询API接口
追溯信息查询API接口负责向中药材追溯系统使用者提供各功能模块WEB应用页面和API接口,方便各功能模块使用者使用系统,同时API接口方便与其他第三方系统对接,便于数据共享或数据导入、导出。
 
总结与展望
建立完整的中药材追溯体系,实现中药材的全方位追踪服务,不仅在发生问题时能够可追溯、可定责,更重要的是能从源头解决问题。如今各种传感设备、通信技术、云计算等发展日新月异,将RFID技术与云计算技术相结合,本文提供了一种基于RFID和云平台的中药材追溯系统建设方案,实现中药材全生命周期过程中信息公开透明的交流,为企业提供更好的技术服务,帮助政府提高监管效率、降低监管成本,最终为消费者的安全保驾护航,同时也能促进中药材产业健康平稳发展。

江西省标准化研究院 冯正西 繆延晖

《条码与信息系统》2020年第6期总第155期

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