基于物聯(lián)網(wǎng)疫苗安全溯源系統(tǒng)的RFID技術(shù)應(yīng)用

 0 前言

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查，全球流通的藥品中，有超過10%的偽藥，發(fā)展中國家更超過40%，全球偽藥的金額超過3200億美元。在全球各地，掀起了越來越多的醫(yī)療糾紛。疫苗是為了預(yù)防、控制傳染病的發(fā)生、流行，用于人體預(yù)防接種的疫苗類預(yù)防性生物制品，由于公眾的免疫觀念加強(qiáng)以及政府的政策導(dǎo)向和支持，我國已成為全球疫苗產(chǎn)品的最大的需求與供給市場。然而我國在經(jīng)歷了山西疫苗和安徽疫苗事件之后，越來越多的人希望疫苗從生產(chǎn)檢驗、配送、冷鏈運(yùn)輸、倉儲、銷售、注射等各個環(huán)節(jié)都能在政府與各級疾控中心的監(jiān)營之下進(jìn)行。疫苗的防偽防劣措施刻不容緩，在偽藥防治上，除了條形碼己被規(guī)范到藥品包裝外，利用RFID(射頻識別)來作為藥品生產(chǎn)履歷，也己被美國食品藥品管理局(FDA)定為打擊偽藥的方案，讓藥品的來源、流通渠道得以驗證其合法性，生產(chǎn)履歷在食品業(yè)界已有實(shí)際應(yīng)用案例，要轉(zhuǎn)移到醫(yī)療產(chǎn)業(yè)難度不高。本文就是將二維標(biāo)簽與RFID標(biāo)簽聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)疫苗整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)的追蹤和監(jiān)控。RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，不但能夠跟蹤復(fù)雜的、多步驟疫苗供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中疫苗的供應(yīng)情況，還可以建立高效的物流信息平臺，優(yōu)化內(nèi)部物流供應(yīng)和流通流程，提高工廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)疫苗供應(yīng)鏈的透明度，提高安全性，加快流通速度，降低物流成本，進(jìn)而提高整個企業(yè)的核心競爭力。通過RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能對疫苗的生產(chǎn)、流通、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行信息采集，實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，建立完善的管理服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)使用者對疫苗信息的追溯和查詢，還能增進(jìn)消費(fèi)者所獲得疫苗的安全性，有效杜絕假冒偽劣疫苗帶來的危害。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)疫苗安全溯源系統(tǒng)的組成及工作流程

疫苗安全溯源系統(tǒng)主要按疫苗的生產(chǎn)、物流、倉儲、接種四大環(huán)節(jié)設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對疫苗實(shí)現(xiàn)“監(jiān)管信息化、物流智能化、查詢便捷化、源頭追溯化”，確保疫苗供應(yīng)鏈的安全，其系統(tǒng)模型如圖1所示。在疫苗的生產(chǎn)、物流、倉儲、接種每個階段，分別通過前端的數(shù)據(jù)采集設(shè)備將各環(huán)節(jié)的信息循環(huán)疊加在一起，形成具體疫苗產(chǎn)品的綜合信息文檔，包括確定標(biāo)簽對應(yīng)的疫苗信息、用于確認(rèn)交接的照片信息以及所有的溫濕度信息等。信息平臺主要包括查詢分析模塊、監(jiān)控溯源模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及物流跟蹤模塊，其中查詢分析模塊可提供標(biāo)簽號、溫度、時間地點(diǎn)等信息查詢。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)疫苗安全溯源系統(tǒng)中的RFID技術(shù)

RFID是一種通信技術(shù)，可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。它不僅可以實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別與快速讀寫，還可以同時識別多個標(biāo)簽以及高速移動的標(biāo)簽，操作快捷簡單，能工作于各類不同的惡劣環(huán)境中，是目前最先進(jìn)的自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)通常由前端的射頻終端和后臺的計算機(jī)信息管理系統(tǒng)構(gòu)成。射頻終端一般由讀寫器和標(biāo)簽組成，標(biāo)簽用來標(biāo)識存儲物品的各種屬性信息;讀寫器用來進(jìn)行信息采集，利用射頻信號對標(biāo)簽進(jìn)行識別并與計算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行通信。

在疫苗生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中，用讀寫器對疫苗的生產(chǎn)包裝箱子上貼有的電子標(biāo)簽進(jìn)行采集，把采集的電子標(biāo)簽信息存入計算機(jī)信息系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就能在任何地方跟蹤貼有RFID標(biāo)簽的疫苗包裝箱。疫苗生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中RFID的應(yīng)用如圖2所示。

在RFID技術(shù)中，電子標(biāo)簽由耦合元件與芯片組成，含有微處理器、E2PROM及收發(fā)電路，儲存著產(chǎn)品的詳細(xì)信息。每一個產(chǎn)品的電子標(biāo)簽都是唯一的，含有加密邏輯，無法修改和仿造。RFID讀寫器通過天線發(fā)射出一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作范圍內(nèi)，由于電磁感應(yīng)，其天線會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得電子標(biāo)簽獲得能量被激活，從而向讀寫器發(fā)送自身儲存的編碼信息。讀寫器將收到的信息進(jìn)行解碼送至后臺計算機(jī)信息管理系統(tǒng)，計算機(jī)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理與控制。計算機(jī)信息管理系統(tǒng)通過Internet與各個監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，搭起信息平臺，通過信息平臺能夠監(jiān)管和查詢產(chǎn)品的流向。

3 RFID的設(shè)計及應(yīng)用

目前，RFID技術(shù)還未出臺全球的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每個國家的標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，導(dǎo)致全球多種標(biāo)準(zhǔn)并存的局面。但隨著RFID在全球物流行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，ISO制定的一些RFID國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到全球各個業(yè)界的廣泛認(rèn)可。本文使用無源的RFID電子標(biāo)簽，支持ISOI8000—6C(EPC GEN2)國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，工作頻率在860～960MHz之間，不同的工作頻率需設(shè)計不同的天線，下面主要介紹RFID的天線設(shè)計及其應(yīng)用。

3.1 RFID的天線設(shè)計

RFID技術(shù)中最難的部分是天線的設(shè)計，天線面積越大并不代表其感應(yīng)強(qiáng)度越大，為了獲得最佳的測量效果，必須知道設(shè)備的大小，然后才能確定天線的大小。天線是一敏感的物體，制作天線采用的電阻、電容、電感等元件必須具有較高的精度，否則天線制作就可能失敗。天線的等效電路如圖3所示。

天線的性能主要與Rant和Lant的大小有關(guān)，當(dāng)計算天線的品質(zhì)因數(shù)Q和天線調(diào)諧時線圈的電容Cant可以忽略。天線的幾個重要參數(shù)估算公式如下：

其中：L1為一圈(匝)導(dǎo)線環(huán)的長度;D1為線圈的直徑或?qū)w的寬度;N1為線圈的匝數(shù);

K為天線的系數(shù)(環(huán)形為1.07，方形為1.47)。

天線電容Cant的大小與制作出來天線的線圈的大小有關(guān)，可以用儀器直接測量。

品質(zhì)因數(shù)：

(一般建議Q=35左右比較合適)，其中：ωR=2π·fR，fR為RFID工作頻率，由于本系統(tǒng)RFID可以工作在860～960MHz頻率之間，與國內(nèi)手機(jī)GSM900應(yīng)用會有沖突，所以使用時只采用860～870MHz作為RFID工作頻率范圍。

根據(jù)上述Q與ωR的兩個公式，就可以直接計算出Rant電阻的阻值。

3.2 RFTD的應(yīng)用

以我國目前醫(yī)藥物流的發(fā)展現(xiàn)狀來說，每支疫苗都使用RFID標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)疫苗的追蹤，還是不太可能?，F(xiàn)在大多是將二維條碼與RFID標(biāo)簽聯(lián)合使用，用二維條碼來記錄疫苗信息，做到每支疫苗都有唯一標(biāo)識的零售包裝，再應(yīng)用RFID電子標(biāo)簽標(biāo)識疫苗的生產(chǎn)物流包裝，記錄包裝箱內(nèi)疫苗的信息，實(shí)現(xiàn)疫苗的供應(yīng)鏈追蹤以及問題疫苗的追溯功能。

RFID標(biāo)簽的應(yīng)用，使得疫苗生產(chǎn)企業(yè)能夠在每個包裝箱建立唯一的EPC編碼，它被認(rèn)為是識別所有物件唯一有效方式，EPC編碼雖只能記錄有限的識別信息，但它有對應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)庫作為支持，能夠迅速查詢疫苗的各個包裝信息。當(dāng)疫苗出庫時，貼有RFID電子標(biāo)簽的就會被跟蹤，保證疫苗在分銷過程中的物流、倉儲、接種環(huán)節(jié)都能得到監(jiān)控。RFID將遏制假冒偽劣疫苗的出現(xiàn)，防止出現(xiàn)疫苗流失，加快疫苗庫存的周轉(zhuǎn)，提高疫苗的召回速度。在物流環(huán)節(jié)中使用RFID技術(shù)，能對疫苗冷鏈運(yùn)輸過程中的存儲溫度、運(yùn)輸車輛、車輛位置及運(yùn)輸時間等信息進(jìn)行記錄，將記錄的信息通過GPRS無線通信或車載有線網(wǎng)絡(luò)與物流公司的本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，就能使疫苗的生產(chǎn)、物流、倉儲、接種四大環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，每一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都能及時找出源頭。

4 使用RFID技術(shù)需解決的問題

RFID技術(shù)的使用對疫苗安全溯源系統(tǒng)帶來許多好處，但由于一些內(nèi)在的原因整個系統(tǒng)仍然存在一些問題。

4.1 成本問題

RFID的價格是影響其技術(shù)被大規(guī)模應(yīng)用的一個重要原因。RFID標(biāo)簽價格相對較貴，如果像目前二維碼那樣普及使用，那成本勢必高漲。鑒于這個原因，本系統(tǒng)利用RFID能夠被追蹤定位的優(yōu)點(diǎn)，只是在疫苗包裝箱及運(yùn)輸車輛上使用。所以想把RFID技術(shù)推廣到各個領(lǐng)域，只有等其成本進(jìn)一步降低，才能真正實(shí)現(xiàn)其技術(shù)的優(yōu)勢。

4.2 電磁干擾問題

眾所周知，手機(jī)會干擾很多電子設(shè)備的工作，比如醫(yī)療設(shè)備、飛機(jī)的雷達(dá)等。RFID使用的頻率范圍是860～960MHz，與手機(jī)的使用頻率是有沖突的，所以也會對電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。本系統(tǒng)采用860～870MHz作為工作頻率，據(jù)《美國醫(yī)學(xué)協(xié)會雜志》(JAMA)公布的一項科學(xué)研究表明，RFID會對醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾，此項研究是由荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)學(xué)術(shù)醫(yī)療中心的研究人員對868MHz的無源標(biāo)簽對41件醫(yī)療器械進(jìn)行測試，在123次測試(平均每件測試3次)中，一共記錄到34次電磁干擾，造成部分醫(yī)療器械停止工作。這說明RFID技術(shù)對電子設(shè)備會產(chǎn)生與手機(jī)一樣的輻射，是一個潛在的問題，雖不至于禁止RFID技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療界中，但應(yīng)引起重視。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)制定和推行問題

RFID標(biāo)準(zhǔn)大致分為四大類：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如符號、射頻識別技術(shù)、IC卡標(biāo)準(zhǔn)等)、數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)(如編碼格式、語法標(biāo)準(zhǔn)等)、一致性標(biāo)準(zhǔn)(如印刷質(zhì)量、測試規(guī)范等)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(如航運(yùn)標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等)。目前RFID技術(shù)使用的頻率難以統(tǒng)一，射頻識別讀寫器與標(biāo)簽技術(shù)無法做到一體適用，尚未形成全世界都能接受的國際標(biāo)準(zhǔn)，所以無法普及推行。疫苗安全溯源系統(tǒng)的RFID技術(shù)要用到生產(chǎn)、物流、倉儲、接種四大環(huán)節(jié)中，只有四個環(huán)節(jié)中使用相同的頻率，RFID的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)才能統(tǒng)一，整個系統(tǒng)才會緊密聯(lián)系起來，形成一條完整安全的疫苗產(chǎn)業(yè)鏈，才有利于推廣使用。

4.4 信息安全和隱私權(quán)的問題

RFID電子標(biāo)簽的采用數(shù)據(jù)庫信息共享模式，在數(shù)據(jù)庫中信息讀寫、傳輸過程和接入互聯(lián)網(wǎng)時可能會感染病毒，都有可能產(chǎn)生標(biāo)簽信息的非法讀取及改動的安全隱患，還有RFID不需接觸就能對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，也會有侵犯個人隱私權(quán)爭議的存在。信息安全和隱私權(quán)問題都需要政府來協(xié)助解決，政府在RFID技術(shù)的研究和生產(chǎn)上，應(yīng)加強(qiáng)人才、政策和資金上的投入，解決RFID信息安全性的技術(shù)難題，還有可以通過立法加大對用戶隱私權(quán)的保護(hù)力度，逐步解決信息安全和隱私權(quán)問題。

5 結(jié)語

本文介紹的RFID技術(shù)在疫苗安全溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用，整條供應(yīng)鏈采用相同的頻段范圍，形成相同的標(biāo)準(zhǔn)體系。每個疫苗包裝箱都有唯一的EPC編碼，進(jìn)一步加強(qiáng)疫苗的防偽措施，使用RFID技術(shù)在各個環(huán)節(jié)上進(jìn)行信息采集，實(shí)時掌握產(chǎn)品的流向信息，還能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量追溯，對打擊假冒偽劣疫苗、保障人民身體健康具有重要意義，也為今后在醫(yī)藥行業(yè)進(jìn)一步應(yīng)用，甚至在食品、煙酒等快速消費(fèi)品行業(yè)的全面推廣打下基礎(chǔ)。