基于物联网疫苗安全溯源系统的RFID技术应用

 0 前言

据世界卫生组织(WHO)调查，全球流通的药品中，有超过10%的伪药，发展中国家更超过40%，全球伪药的金额超过3200亿美元。在全球各地，掀起了越来越多的医疗纠纷。疫苗是为了预防、控制传染病的发生、流行，用于人体预防接种的疫苗类预防性生物制品，由于公众的免疫观念加强以及政府的政策导向和支持，我国已成为全球疫苗产品的最大的需求与供给市场。然而我国在经历了山西疫苗和安徽疫苗事件之后，越来越多的人希望疫苗从生产检验、配送、冷链运输、仓储、销售、注射等各个环节都能在政府与各级疾控中心的监营之下进行。疫苗的防伪防劣措施刻不容缓，在伪药防治上，除了条形码己被规范到药品包装外，利用RFID(射频识别)来作为药品生产履历，也己被美国食品药品管理局(FDA)定为打击伪药的方案，让药品的来源、流通渠道得以验证其合法性，生产履历在食品业界已有实际应用案例，要转移到医疗产业难度不高。本文就是将二维标签与RFID标签联合应用，实现疫苗整个供应链系统的追踪和监控。RFID技术在物联网中的应用，不但能够跟踪复杂的、多步骤疫苗供应网络中疫苗的供应情况，还可以建立高效的物流信息平台，优化内部物流供应和流通流程，提高工厂的生产效率和产品质量，增强疫苗供应链的透明度，提高安全性，加快流通速度，降低物流成本，进而提高整个企业的核心竞争力。通过RFID技术和物联网技术，不仅能对疫苗的生产、流通、消费等环节进行信息采集，实现全程监控，建立完善的管理服务平台，实现使用者对疫苗信息的追溯和查询，还能增进消费者所获得疫苗的安全性，有效杜绝假冒伪劣疫苗带来的危害。

1 基于物联网疫苗安全溯源系统的组成及工作流程

疫苗安全溯源系统主要按疫苗的生产、物流、仓储、接种四大环节设计，基于物联网三层架构的结构设计对疫苗实现“监管信息化、物流智能化、查询便捷化、源头追溯化”，确保疫苗供应链的安全，其系统模型如图1所示。在疫苗的生产、物流、仓储、接种每个阶段，分别通过前端的数据采集设备将各环节的信息循环叠加在一起，形成具体疫苗产品的综合信息文档，包括确定标签对应的疫苗信息、用于确认交接的照片信息以及所有的温湿度信息等。信息平台主要包括查询分析模块、监控溯源模块、数据管理模块以及物流跟踪模块，其中查询分析模块可提供标签号、温度、时间地点等信息查询。

2 基于物联网疫苗安全溯源系统中的RFID技术

RFID是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。它不仅可以实现对被识别物体的自动识别与快速读写，还可以同时识别多个标签以及高速移动的标签，操作快捷简单，能工作于各类不同的恶劣环境中，是目前最先进的自动识别技术。RFID系统通常由前端的射频终端和后台的计算机信息管理系统构成。射频终端一般由读写器和标签组成，标签用来标识存储物品的各种属性信息;读写器用来进行信息采集，利用射频信号对标签进行识别并与计算机信息系统进行通信。

在疫苗生产信息管理系统中，用读写器对疫苗的生产包装箱子上贴有的电子标签进行采集，把采集的电子标签信息存入计算机信息系统，通过物联网技术，就能在任何地方跟踪贴有RFID标签的疫苗包装箱。疫苗生产信息管理系统中RFID的应用如图2所示。

在RFID技术中，电子标签由耦合元件与芯片组成，含有微处理器、E2PROM及收发电路，储存着产品的详细信息。每一个产品的电子标签都是唯一的，含有加密逻辑，无法修改和仿造。RFID读写器通过天线发射出一定频率的射频信号，当电子标签进入读写器的工作范围内，由于电磁感应，其天线会产生感应电流，使得电子标签获得能量被激活，从而向读写器发送自身储存的编码信息。读写器将收到的信息进行解码送至后台计算机信息管理系统，计算机根据逻辑运算判断标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理与控制。计算机信息管理系统通过Internet与各个监控点进行联网，搭起信息平台，通过信息平台能够监管和查询产品的流向。

3 RFID的设计及应用

目前，RFID技术还未出台全球的统一标准，每个国家的标准都不一样，导致全球多种标准并存的局面。但随着RFID在全球物流行业的大规模应用，ISO制定的一些RFID国际标准已经得到全球各个业界的广泛认可。本文使用无源的RFID电子标签，支持ISOI8000—6C(EPC GEN2)国际标准协议，工作频率在860～960MHz之间，不同的工作频率需设计不同的天线，下面主要介绍RFID的天线设计及其应用。

3.1 RFID的天线设计

RFID技术中最难的部分是天线的设计，天线面积越大并不代表其感应强度越大，为了获得最佳的测量效果，必须知道设备的大小，然后才能确定天线的大小。天线是一敏感的物体，制作天线采用的电阻、电容、电感等元件必须具有较高的精度，否则天线制作就可能失败。天线的等效电路如图3所示。

天线的性能主要与Rant和Lant的大小有关，当计算天线的品质因数Q和天线调谐时线圈的电容Cant可以忽略。天线的几个重要参数估算公式如下：

其中：L1为一圈(匝)导线环的长度;D1为线圈的直径或导体的宽度;N1为线圈的匝数;

K为天线的系数(环形为1.07，方形为1.47)。

天线电容Cant的大小与制作出来天线的线圈的大小有关，可以用仪器直接测量。

品质因数：

(一般建议Q=35左右比较合适)，其中：ωR=2π·fR，fR为RFID工作频率，由于本系统RFID可以工作在860～960MHz频率之间，与国内手机GSM900应用会有冲突，所以使用时只采用860～870MHz作为RFID工作频率范围。

根据上述Q与ωR的两个公式，就可以直接计算出Rant电阻的阻值。

3.2 RFTD的应用

以我国目前医药物流的发展现状来说，每支疫苗都使用RFID标签进行标识，实现疫苗的追踪，还是不太可能。现在大多是将二维条码与RFID标签联合使用，用二维条码来记录疫苗信息，做到每支疫苗都有唯一标识的零售包装，再应用RFID电子标签标识疫苗的生产物流包装，记录包装箱内疫苗的信息，实现疫苗的供应链追踪以及问题疫苗的追溯功能。

RFID标签的应用，使得疫苗生产企业能够在每个包装箱建立唯一的EPC编码，它被认为是识别所有物件唯一有效方式，EPC编码虽只能记录有限的识别信息，但它有对应的后台数据库作为支持，能够迅速查询疫苗的各个包装信息。当疫苗出库时，贴有RFID电子标签的就会被跟踪，保证疫苗在分销过程中的物流、仓储、接种环节都能得到监控。RFID将遏制假冒伪劣疫苗的出现，防止出现疫苗流失，加快疫苗库存的周转，提高疫苗的召回速度。在物流环节中使用RFID技术，能对疫苗冷链运输过程中的存储温度、运输车辆、车辆位置及运输时间等信息进行记录，将记录的信息通过GPRS无线通信或车载有线网络与物流公司的本地数据库进行通信，就能使疫苗的生产、物流、仓储、接种四大环节环环相扣，每一个环节出现问题都能及时找出源头。

4 使用RFID技术需解决的问题

RFID技术的使用对疫苗安全溯源系统带来许多好处，但由于一些内在的原因整个系统仍然存在一些问题。

4.1 成本问题

RFID的价格是影响其技术被大规模应用的一个重要原因。RFID标签价格相对较贵，如果像目前二维码那样普及使用，那成本势必高涨。鉴于这个原因，本系统利用RFID能够被追踪定位的优点，只是在疫苗包装箱及运输车辆上使用。所以想把RFID技术推广到各个领域，只有等其成本进一步降低，才能真正实现其技术的优势。

4.2 电磁干扰问题

众所周知，手机会干扰很多电子设备的工作，比如医疗设备、飞机的雷达等。RFID使用的频率范围是860～960MHz，与手机的使用频率是有冲突的，所以也会对电子设备产生电磁干扰。本系统采用860～870MHz作为工作频率，据《美国医学协会杂志》(JAMA)公布的一项科学研究表明，RFID会对医疗设备产生较严重的电磁干扰，此项研究是由荷兰阿姆斯特丹大学学术医疗中心的研究人员对868MHz的无源标签对41件医疗器械进行测试，在123次测试(平均每件测试3次)中，一共记录到34次电磁干扰，造成部分医疗器械停止工作。这说明RFID技术对电子设备会产生与手机一样的辐射，是一个潜在的问题，虽不至于禁止RFID技术应用到医疗界中，但应引起重视。

4.3 标准制定和推行问题

RFID标准大致分为四大类：技术标准(如符号、射频识别技术、IC卡标准等)、数据内容标准(如编码格式、语法标准等)、一致性标准(如印刷质量、测试规范等)和应用标准(如航运标签、产品包装标准等)。目前RFID技术使用的频率难以统一，射频识别读写器与标签技术无法做到一体适用，尚未形成全世界都能接受的国际标准，所以无法普及推行。疫苗安全溯源系统的RFID技术要用到生产、物流、仓储、接种四大环节中，只有四个环节中使用相同的频率，RFID的硬件设备和软件系统才能统一，整个系统才会紧密联系起来，形成一条完整安全的疫苗产业链，才有利于推广使用。

4.4 信息安全和隐私权的问题

RFID电子标签的采用数据库信息共享模式，在数据库中信息读写、传输过程和接入互联网时可能会感染病毒，都有可能产生标签信息的非法读取及改动的安全隐患，还有RFID不需接触就能对数据进行读取，也会有侵犯个人隐私权争议的存在。信息安全和隐私权问题都需要政府来协助解决，政府在RFID技术的研究和生产上，应加强人才、政策和资金上的投入，解决RFID信息安全性的技术难题，还有可以通过立法加大对用户隐私权的保护力度，逐步解决信息安全和隐私权问题。

5 结语

本文介绍的RFID技术在疫苗安全溯源系统中的应用，整条供应链采用相同的频段范围，形成相同的标准体系。每个疫苗包装箱都有唯一的EPC编码，进一步加强疫苗的防伪措施，使用RFID技术在各个环节上进行信息采集，实时掌握产品的流向信息，还能实现产品的质量追溯，对打击假冒伪劣疫苗、保障人民身体健康具有重要意义，也为今后在医药行业进一步应用，甚至在食品、烟酒等快速消费品行业的全面推广打下基础。