Monitoring Cold Chain Logistics by Means of RFID

1. Introduction

Every day, millions of tons of temperature sensitive goods are produced, transported, stored or distributed worldwide. For all these products the control of temperature is essential. The term “cold chain” describes the series of interdependent equipment and processes employed to ensure the temperature preservation of perishables and other temperature-controlled products from the production to the consumption end in a safe, wholesome, and good quality state (Zhang, 2007). In other words, it is a supply chain of temperature sensitive products. So temperature-control is the key point in cold chain operation and the most important factor when prolonging the practical shelf life of produce. Thus, the major challenge is to ensure a continuous lsquo;cold chainrsquo; from producer to consumer in order to guaranty prime condition of goods (Ruiz-Garcia et al., 2007).These products can be perishable items like fruit, vegetables, flowers, fish, meat and dairy products or medical products like drugs, blood, vaccines, organs, plasma and tissues. All of them can have their properties affected by temperature changes. Also some chemicals and electronic components like microchips are temperature sensitive.

1.1 Problematic

The quality of these products might can change rapidly, when inadequate temperature and relative humidity conditions during transport and storage. Temperature variations can occur in warehousing, handling and transportation. Studying and analyzing temperature gradients inside refrigeration rooms, containers and trucks is a primary concern of the industry. Any temperature disturbance can undermine the efforts of the whole chain (Meenke, 2006). In refrigerated trucks or containers, temperatures rise very quickly if a reefer unit fails. A recent study shows temperature-controlled shipment rise above the specified temperature in 30% of trips from the supplier to the distribution centre, and in 15% of trips from the distribution centre to the store. Lower-than required temperatures occur in 19% of trips from supplier to distribution centre and in 36% of trips from the distribution centre to the store (White, 2007).

Source: Sustainable Radio Frequency Identification Solutions, Book edited by: Cristina Turcu,

ISBN 978-953-7619-74-9, pp. 356, February 2010, INTECH, Croatia, downloaded from SCIYO.COM

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The supply chain management for temperature sensitive goods requires fast decisions; goods are forwarded within hours. Appropriate planning calls for more information than that which could be provided by standard RFID tracking and tracing. It is essential to ensure that temperatures are adequate. Reports from literature indicate gradients of 5°C or more, when deviations of only a few degrees can lead to spoiled goods and thousands of Euros in damages (Tanner amp; Amos, 2003; Nunes et al., 2006; Rodriacute;guez-Bermejo et al., 2007). Loss and damage of perishable goods during storage and transportation is a substantial global issue. Inadequate temperature is second on the list of factors causing foodborne illness, surpassed only by the initial microflora present in foods (Saacute;nchez Loacute;pez amp; Daeyoung, 2008). It is estimated that 300 million tons of produce are wasted annually through deficient refrigeration worldwide (IIR/UNEP, 2002). The Cool Chain Association (CCA) estimates that 30% of temperature-sensitive products are lost during transport (Hoffman, 2006).

International refrigerated trade continues growing at 6% per annum (Coates, 2003). Quality control and monitoring of goods during the cold chain is an increasing concern for producers, suppliers, transport decision makers and consumers. Commercial systems are presently available for monitoring containers, refrigerated chambers and trucks, but they do not give complete information about the cargo, because they typically measure only a single or very limited number of points (Ruiz-Garcia et al., 2007). Also, there is an increasing demand of traceability in the cold chain, statutory requirements are growing stricter and there is increasing pressure to develop standardized traceability systems. Each event in the chain, like production of transportation, packing, distribution or processing results in a different product which can have its own information associated within the tracing system. From the raw material to the sale of goods, more and more information like temperature, humidity or tamper needs to be gathered and made available. Supplementary information may also be collected at any step, in order to provide data for analysis and optimization of production practices (Thompson et al., 2005).

Parties involved need better quality assurance methods to satisfy customer demands and to create a competitive point of difference. Successful cold chain logistics calls for automated and efficient monitoring and control of all operations. The monitoring should allow the establishment of better knowledge of the cold chain, the detection of weakness and the optimization of the whole process, all things that potentially would have a significant impact on the supply chain (Vervest et al., 2005).

The cold chain is involved in many industries as it was mentioned previously. However, existing applications on the cold chain topic are associated mainly with food and pharmaceuticals. Therefore, the scope of this chapter will focus on these products.

1.2 Perishable food products

The internal biological and chemical processes of fresh produce continue after harvesting. Produce is a living, breathing commodity, which emits heat and carbon dioxide. The risk of a failure in the cold chain could cause excessive ripening, weight loss, softening, color and texture change

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翻译

通过RFID监控冷链物流

1. 介绍

每天，数百万吨的温度敏感物品在全世界生产，运输，储存或分发。对于所有的这些产品，温度的控制是必不可少的。“冷链”描述了一系列相互依赖的设备和过程，用于确保易腐品和其他温度控制产品在安全、健康和良好质量状态下从生产到消费端的温度的保持（Zhang，2007）。换句话说，它是温度敏感产品的供应链。因此，温度控制是冷链操作的关键点，是延长产品实际保质期的最重要因素。因此，主要的挑战是确保从生产者到消费者的连续“冷链”，以保证商品的主要条件（Ruiz-Garcia等，2007）。这些产品可以是易腐烂的物品，如水果，蔬菜，鱼，肉和乳制品或医药产品如药物，血液，疫苗，器官，血浆和组织。所有这些都具有受温度变化影响的性质。还有一些化学品和电子元件比如如微芯片对温度敏感。

1.1问题

在运输过程和储存期间温度和相对湿度条件不适当时，这些产品的质量可能会快速变化。在仓储，处理和运输中可能发生温度变化。研究和分析冷藏室，该行业的主要关注点是集装箱和卡车内的温度梯度。任何温度扰动可以破坏整个供应链链的努力（Meenke，2006）。在冷藏车或集装箱中，如果冷藏单元失效，温度将会升高非常快。最近的一项研究表明，从供应商到配送中心的30％的行程中温度控制的装运超过指定温度，在从配送中心到存储的15％的行程中温度控制装运超过指定温度。在从供应商到配送中心的19％的行程中，以及从配送中心到商店的行程的36％中，低于所需温度（White，2007）。

对温度敏感商品的供应链管理需要快速决策;货物在几个小时内移动。适当的规划要求提供比由标准RFID跟踪和跟踪信息提供的信息更多。必须确保温度适当。从文献报告显示5℃或者5℃以上，只有几度的偏差可能导致商品的损害和千欧元的赔偿金(Tanner amp; Amos, 2003; Nunes et al., 2006; Rodriacute;guez-Bermejo et al., 2007).。储存和运输期间易腐烂物品的损失和损坏是一个重大的全球性问题。仅仅由食物中存在的初始微生物群落超出标准，可以得出不适当的温度是导致食源性疾病的因素列表中的第二。（Saacute;nchezLoacute;pez＆Daeyoung，2008）。据估计，全世界制冷每年浪费3亿吨产品（IIR / UNEP，2002年）。冷链协会（CCA）估计，30％的温度敏感产品在运输过程中损坏（Hoffman，2006）。

国际制冷贸易继续以每年6％的速度增长（Coates，2003年）。冷链中的货物的质量控制和监测是生产者，供应商，运输决策者和消费者日益关注的问题。商业系统目前是可用来监测的容器，冷藏腔室和卡车，但他们没有给出关于货物的完整信息，因为它们通常只测量点的单个或非常有限数目（Ruiz的-Garcia等人，2007年）。此外，在冷链中对可追溯性的需求不断增长，法定要求日益严格，并且开发标准化可追溯性系统的压力越来越大。链中的每个事件，如运输，包装，分发或处理的生产导致不同的产品，其可以具有在跟踪系统内相关联自己的信息。从原材料到销售商品，需要收集和提供越来越多的信息，如温度，湿度或篡改。还可以在任何步骤收集补充信息，以便提供用于分析和优化生产实践的数据（Thompson等人，2005）。

涉及的各方需要更好的质量保证方法，以满足客户的需求，并创造一个竞争差异点。成功的冷链物流要求对所有操作进行自动和高效的监控和控制。监测应该允许建立冷链更好的知识，检测弱点和全过程的优化，所可能会对供应链产生影响显著有的事情。（Vervest等，2005）。

冷链涉及许多行业，如前所述。然而，冷链主题的现有应用主要与食品和药物相关。因此，本章的范围将集中在这些产品上。

1.2 易腐食品

新鲜农产品在收获后继续内部生物和化学过程。生产是一种生活，呼吸的农产品，它散发热量和二氧化碳。冷链失效的风险可能导致过度成熟，减重，软化，颜色和质地变化，物理退化和淤伤，以及腐烂和霉菌的侵袭。这些因素影响新鲜度，期望度和可销售性。整个供应链的严格温度控制可以最大限度地减少食源性疾病的风险，因为低温会大大降低大多数人类病原体的生长速度（Ukuku＆Sapers，2007）。

根据温度要求，我们可以发现四组产品（弗尼和火花，2004）：

-冷冻对于冰淇淋是-25ordm;C，对于其他食品和食品成分是-18ordm;C。

-新鲜肉类和家禽，大多数乳制品和肉类食品，大多数蔬菜和一些水果的冷冻是0ordm;C至1ordm;C。

-对于一些基于糕点的产品，奶酪，脂肪和奶酪，温度为5ordm;C。

-的土豆，鸡蛋，异国水果和香蕉异国冷冻是10-15ordm;C。

EN 12380 （1999）立法要求冷藏食品运输的一类温度测量。测量必须在-25ordm;C到 15ordm;C之间的范围内进行，精度为plusmn;1ordm;C，分辨率le;0.5ordm;C（CEN，1999）。

在整个链条上保持适当的条件并不容易，易腐食品物流过程的疏忽或不当处理是非常普遍的，包括不良或过度冷却的商品。Roy等人（2006）分析了日本新鲜番茄的供应，在运输和分销期间量化产品损失5％（Roy等，2006）。Tanner和Amos（2003a和2003b）研究了从新西兰到欧洲长途运输水果的热变化。结果显示，产品超过设定点超过30％的时间，在容器的宽度上以及在时间上沿着行程在空间上具有显着的变化性。在那些实验中，通过在单个容器中安装数百个有线传感器来实现监控，这使得该系统架构在商业上不可行（Tanner＆Amos，2003）。

政府当局规定了关于冷链的全球食品安全政策，目的是保护食品的安全和质量。在欧盟制造ATP（关于国际运输易腐食品的协议和用于这种运输的特殊设备）（UNECE，2003）。在美国有HACCP标准（危害分析和关键控制点）（HACCP，1997），生物恐怖主义法（FDA，2002）和COOL（强制性原产地标签）（USDA，2009）。

1.3 药用冷链

如前所述，医疗产品如疫苗，血液，某些药品和其他产品对温度十分敏感。大多数这些产品需要在2-8℃范围内的温度。因此，他们需要一个冷链物流，以防止由热暴露造成的损害。因此，温度控制和监测是制药供应链中关键的因素之一，并且正受到业界的更多关注。例如，在疫苗的情况下，保持太冷可能与保持它们太温暖一样有害，因为许多疫苗可能被冷冻损伤。为了安全和质量，温度需要在供应链的每个阶段仔细和连续监测和控制。如果疫苗接受不当处理，使得它们由于不正确的温度维持而损坏，那么用于接种免疫接种服务的儿童得到的功效将会消失（Bishara，2006）。

制冷产品的冷链是复杂的。这种复杂性是制药公司的全球化所造成的。各种包装商，一级和二级分销商，零售药店，医院和其他人可能在得到最终消费者之前已经处理了药物。在这个框架中，假冒是一个主要问题。例如，根据佛罗里达州全州制药服务和药品批发商咨询委员会，最值得关注的34种药物中，超过61％具有严格的冷链要求。冷链药物由于其更高的附加值而最常被假冒（Ames，2006; Floridashealth，2006）。

制药供应链的所有成员都有各种全球监管要求，以处理，存储和分发对环境敏感的产品。世界卫生组织规定：“在运输过程中需要特殊的储存条件（如温度和相对湿度）时，应提供，检查，监测和记录。”还规定：“车辆温度测绘车辆上的温度的均匀性。记录的温度监测数据应可查阅。“其他法规如”加拿大药品储存和运输过程中温度控制指南“指出，应使用经校准的监测设备和温度和警报记录来控制和监测温度，“（加拿大卫生部，2006年）。在欧盟（欧盟，2003）或“美国药典”（USP，2005）“良好储存和运输实践”的建议中的“人用药用产品的良好分销实践指南”中也有类似的陈述。

2. RFID在冷链中的作用

RFID正在进入一个新阶段。RFID技术据说可以改善冷链的性能。最近的进展为冷链中的研究、开发和创新提供了巨大的机会。降低成本是通过制造越来越小的传感设备以及射频技术和数字电路方面的成就的结果。

RFID最初是为短距离产品识别开发的，通常覆盖2 mm - 2 m的读取距离，并已成功应用于食品物流和供应链管理流程。然而，配备传感器的RFID硬件的最新发展扩展了其应用范围。将传感器添加到用于跟踪移动通过供应链的物品的相同标签也可以警告它们是否未被存储在正确的温度下并预测剩余的保质期。有可以测量温度的活性和半无源标签，湿度，冲击/振动或光。此外，最后一代4类RFID标签可以在网状网络中配置。在这种类型的网络中，标签可以相互通信以获得绕过环境障碍的读取器并且扩展系统的尺寸。

2.1 RFID监控的优点

诸如条形图记录器或温度数据记录器的当前温度监测系统通常是昂贵的并且不是自动化的，因此需要手动检查。RFID设备更精确，并且可以在不打开容器或包装的情况下被读取。专门的RFID监控设备有望彻底改变各种易腐产品的运输和处理。它们可以被放置在运输车辆中，以便监测运行中的环境，并且可以作为分布式系统的基础，使得能够与数据处理一起进行环境感测；给供应商和分销商在整个链条的连续和准确的读数。精确，频繁和自动的读数，由软件解释并与现有和计划的产品清单协调，应转化为更智能的产品管理和更少的拒绝批次。

RFID降低了成本将提供跟踪和追踪不仅大而昂贵的产品，也提供小而便宜的产品的机会，从而产生新一代的智能产品。从原材料到销售商品，越来越多的信息可以收集和提供。此外，该信息可以在产品生命的每个步骤“从农场到餐桌”与可追溯性系统相联系，以新的详尽方式跟踪和跟踪产品从现场到产业。“冷可追溯性”的概念已被引入到痕量组的温度敏感产品在不同的大气要求中运输。

2.2 FIFO与FEFO

如果无法直接使用交通工具，在线通知为改善交通规划提供了新的机会。如果固定交付承诺需要订购替代品，信息的时间非常关键。改进的冷链管理方法，如质量导向跟踪和跟踪系统（QTT）提供了新的功能。这种方法的一个例子是安全监测和保证系统（SMAS），该系统被开发用于降低消费微生物污染肉的消费的风险。基于温度历史估计病原体的生长速率。在控制点，包裹被送到当地或出口市场。基于对分布链条件的先前调查进行熟火腿的案例研究。根据SMAS方法，与正常的FIFO（先进先出）处理相比，出口商店的零保质期的产品数量可以从12％减少到4％。一个零售商知道哪些案件的保质期较短，可以在具有较长保质期的案件之前提出。这被称为FEFO。

3. RFID在冷链跟踪和监测中的应用

通过RFID监测冷链物流的若干应用已经被报道了很多。大多数是面向易腐食品。这里是我们最有代表性的知识。

使用微生物生长模型结合来自有源RFID的信息已经面临。这些模型允许通过监测环境而无需进一步进行微生物分析来预测食品的微生物安全性和质量。因此，可以基于供应链的温度曲线来对新鲜农产品的质量和/或安全性做出即时决定。研究了三种不同的情况：冷冻乳制品，肉类屠体冷冻和发酵肉加工。

冷链管理的一个重要步骤是记录整个供应链的温度。实施HACCP需要进行测量，以确保不违反规定的控制限值。 Ogasawara和Yamasaki（2006）报道了一种使用带有嵌入式温度传感器的RFID标签的冷链解决方案。它还引入了温度管理的可追溯性入门工具包，通过在整个运输过程中轻松实现一致的温度管理，有助于有效的风险管理。

冷链的完整性必须从生产或加工的开始，通过每个链路（装载，卸载，运输，处理，存储）到消费者端来保持。 Gras（2006）使用具有温度传感器的半无源和有源RFID监测冷冻货物的冷链。实验工作涵盖了冷链的四个步骤：生产，运输，储存和交付。数据与计算机化的冷链管理系统相联系（Gras，2006）。

环境温度可以根据记录器的位置，包装材料或产品的散热而彼此不同。RFID标签还可以用于测量，而不仅仅是车辆的壁，而且还在箱内。Amador et al。 （2008年）显示，在哥斯达黎加的包装厂，在美国的批发仓库，国际运输菠萝中使用RFID进行温度跟踪。他们通过比较RFID温度标签与常规温度跟踪方法的性能以及具有探针的RFID温度标签与没有探针的RFID温度标签及其在供应链中的利用，研究了在温度监测中使用RFID。进行包括使用不同RFID温度数据记录器和传统温度数据记录器仪器化并且包装在容器内的两种包装（瓦楞纸箱和可重复使用的塑料容器）中的托盘的运输试验的温度映射。结果表明，RFID温度标签在传统方法的精度方面是类似的，但是具有优越的性能，因为它们允许快速的仪器和数据恢复，以及在没有线路的供应链的任何点访问传感器程序和数据数据记录器的准确性是冷链管理中的一个关键问题。如果目标是早期检测温度变化和梯度，则该精度变得更加重要。食品分布标准允许偏离设定点plusmn;0.5ordm;C（CEN，1999）。 Jedermann等人（2009）比较了三个不同的RFID记录仪，以便找到最适合的监测冷链物流。在气候室中进行几个测试。在单独的实验中，每个logger型具有20至40个样品，室中的温度逐步升高。记录器的采样率设置为5分钟。在至少30分钟的时间间隔内保持-10℃，0℃，15℃和30℃的恒温，给出每个logger和温度步骤的最少7个有效样品。对于测试温度，对于表1中的三种记录器类型分别计算平均值和标准偏差delta;（均方根偏差）。平均温度和设定点之间的差异的一部分可能源于气候室的公差，由制造商规定为0.1℃。具有小于偏差plusmn;delta;的平均值的差异的测量的百分比在66％和73％之间，这非常接近于2/3的高斯分布的期望值。iButton产生最好的结果，偏差为plusmn;0.09°C，其次是Turb

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