基于物联网的蔬菜可追溯系统的设计与实现

摘要：为提高蔬菜追溯效率、降低蔬菜跟踪、监控成本，通过对蔬菜生产企业进行实际调研，对现有蔬菜生产、定位、跟踪、监控、销售等全过程进行了分析，给出了一种基于RFID和Internet技术的蔬菜可追溯系统的物联网设计方案。重点分析了该物联网中的RFID系统、中间件和手机或无线PDA等应用部件，最后分析了该网络在Internet基础上实现某蔬菜企业的蔬菜可追溯系统的实现方法。该系统不仅可以为消费者提供详细的蔬菜产品信息查询，而且还为企业的生产管理和蔬菜质量安全监控提供了良好的操作平台。应用结果表明对提蔬菜追溯效率、降低蔬菜跟踪、监控成本有较明显的效果。
关键词：射频识别；物联网；蔬菜；电子标签

    物联网作为新兴的物品信息网络，为实现供应链中物品自动化的跟踪和追溯提供了基础平台。在物流供应链中对物品进行跟踪和追溯对于实现高效的物流管理和商业运作具有重要的意义。
    随着物联网的发展，其技术也被广泛应用到农业生产的各个环节中，目前大多蔬菜生产企业一直打着绿色蔬菜的旗号，但消费者并不能看到蔬菜是否是真正的绿色食品。有了物联网，消费者可以通过应用安装在厨房中的点菜机，把所需的蔬菜信息发送给生产厂家，厂家会把最新鲜的蔬菜送上门；蔬菜送到家后，消费者可以通过上网查询蔬菜包装上的条码，就能了解这棵蔬菜从种子到采摘的全过程。
    同时，应用了物联网技术之后，可以提供绿色蔬菜的网上在线订购，这样可以及时的将绿色蔬菜送到消费者手中，保证了食品的新鲜程度，同时使消费者能上网通过商品条码查询，了解所购买的蔬菜生产的全过程，保证绿色、有机不掺假，让消费者买的放心。
    应用基于物联网的追溯技术，每个食品上都贴上二维码，不管蔬菜卖到哪里，消费者都可以查到蔬菜的来源、施肥及用药情况，让消费者明明白白消费。蔬菜生产企业可以实时监蔬菜生产馆内的空气及土地的温度、湿度以及气压、二氧化碳浓度等与种植息息相关的数据。不仅如此，厅内何时通风、蔬菜何时浇水、遮阳网如何打开等这些此前很多需要管理人员完成的工作，现在安装了物联网传感器和网络后，这些工作由可以自动由安装在网络中的相应设置来完成。

1 相关技术及研究现状
    在物联网相关技术方面，国内目前在无线传感器网络的软件方面也取得了相应的突破，在基于国外的操作系统之上，开发自己的中间件软件。如南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动代理的无线传感器网络中间件平台，深联科技开发的无线传感器网络开发套件。国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。在这方面，国内的南京邮电大学、清华大学、北京邮电大学等都取得了一些相关的理论研究成果。
    在国外，美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校的CENS(Center for Embedded Networked Sensi-ng)实验室、WINS(Wireless Integrated Netwok Sensors)实验室和IRL(Internet Research Lab)等。
    本文参照一些蔬菜企业的实际生产流程，借鉴国内外可追溯系统的相关研究，通过研究基于物联网的蔬菜可追溯系统处理方案，对原有的基于Web蔬菜可追溯系统处理方案进行了一定的改进，并在实际项目中应用，取得了良好的效果。

2 物联网及其工作原理
2．1 物联网的定义
    物联网(The Internet of Things)的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
2．2 物联网的工作流程
    物联网的基本工作流程由4部分组成，即由信息采集系统(RFID系统)、PML信息服务器、产品命名服务器(ONS)和应用管理系统。物联网的系统结构如图1所示。

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    它们的功能分别如下：
    1)信息采集系统 信息采集系统包括RFID电子标签(tag)、二维码、阅读器(Reader)以及数据交换和管理系统软件，主要完成产品的识别和产品的EPC(Electronic Product Code)码的采集和处理。
    2)产品命名服务器(ONS) 产品命名服务器ONS(Object Name Service)主要实现的功能是在各个信息采集点与PML信息服务器之间建立关联，实现从物品电子标签EPC码到产品PML描述信息之间的映射。
    3)PML信息服务器 PML(Physical Markup Language，实体描述语言)信息服务器中的数据定义规则由用户创建并维护，用户根据事先规定的规则对物品进行编码，并利用XML对物品信息进行详细描述。在物联网中，PML服务器主要用于以通用的模式提供对物品原始信息的规则定义，以便于其他服务器访问。
    4)业务管理系统 业务管理系统通过获取信息采集软件得到的EPC信息，并通过ONS找到物品的PML信息服务器，从而可以以Web的形式向Internet用户提供诸如信息查询、跟踪等功能，用户也可以通过手机或无线PDA实时了解物品的状态。

3 基于物联网的蔬菜可追溯系统设计
3．1 系统架构设计
    基于物联网的蔬菜可追溯系统采用了无线射频身份识别和二维码技术，每棵蔬菜上都贴上二维码，不管蔬菜卖到哪里，消费者都可以查到蔬菜的来源。基于物联网的蔬菜可追溯系统的结构如图2所示。它主要由蔬菜识别、信息处理／控制／跟踪、PML服务器、本地数据库服务器、业务系统5大模块组成。

    它们的作用分别如下：
    1)蔬菜识别  蔬菜识别系统的核心是蔬菜的编码和识别。由于每棵蔬菜的条形码都有唯一编码，不管蔬菜卖到哪儿，只要输入蔬菜的编号，就可以对蔬菜进行跟踪和监控。所以，在基于RFID或二维码标签的蔬菜可追溯系统采用EPC码作为蔬菜的唯一标识码，标签由芯片和天线(Antenna)组成，每个标签具有唯一的产品电子码。EPC码(Electronic Product Code)是Auto-ID研究中心为每个物理目标分配的唯一的可查询的标识码，其内含的一串数字可代表蔬菜类别和蔬菜ID、生产日期和生产地等信息。同时，随着蔬菜的销售转移或变化，这些数据可以实时更新。通常，EPC码可存入硅芯片做成的电子标签内，并附在被标识蔬菜上，以被信息处理软件识别、传递和查询。
    2)信息处理／蔬菜控制／跟踪  信息处理／控制／跟踪模块是系统的核心功能模块，它通过数据采集接口、信息处理、蔬菜跟踪和监控3个接口同其他功能模块进行交互，从而实现蔬菜的自动处理。
    3)PML服务器  PML服务器主要由蔬菜生产厂家创建并维护的服务器，它以标准的XML为基础，提供蔬菜的详细信息，如蔬菜类别和ID、登生产日期和产地等信息，并允许通过蔬菜的EPC码对蔬菜信息进行查询。
    4)本地数据库服务器  本地数据库服务器主要用于存储数据采集和处理接口获得的蔬菜信息，以便在业务系统中查询和维护。例如，用户可以通过手机或无线PDA或Web客户端随时随地查询蔬菜的当前状态。
3．2 系统开发平台
    该系统运用Internet环境，采用B／S模式进行开发。系统服务器端操作系统选用Linux，主要技术为Java EE和使用Java语言编程，数据库系统选用Oraclellg。
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4 基于物联网的蔬菜可追溯系统实现
4．1 系统实现的关键技术
    为了确保蔬菜处理的完整性，对每棵蔬菜上的标签都进行了唯一编码。编码由3位蔬菜类别码和10位蔬菜ID码、10位生产日期码、4位生产地码、4位生产厂家码、4位销售地码、10位销售日期码、4位销售企业码及6位序列号组成。在蔬菜销售前，为每棵蔬菜上贴一个RFID标签。RFID电子标签编码组成如图3所示。

4．2 RFID中间件的设计
    根据前面研究的标签ID表示方法以及Savant中间件的定义，RFID中间件的功能模块应该包含如下几个功能模块：Reader接口模块、逻辑驱动器映射模块、RFID数据过滤模块、业务规则过滤模块、设备管理与配置模块、上层服务接口模块。其中，Reader接口用于中间件与RFID读写器的数据通信，主要有获取RFID数据以及下达设备管理模块的读写器指令。设备管理配置模块用于调整RFID读写设备的工作状态，配置相应的Reader接口参数等，逻辑读写器映射模块用于将多个物理读写器或者读写器的多条天线映射成为一个逻辑读写器。
4．3 RFID数据采集过滤方法设计
    RFID采集的原始数据量非常大，在实际应用中，根据具体的配置不同，每台读写器每秒可以上报数个至数十个不等的电子标签数据，如重复多次扫描同一个电子标签，但其中只有少部分是对用户有意义的、非重复性的数据，这样大量的数据如果不经过去冗等处理而直接上传，将会给整个RFID系统带来很大的负担。所以，对RFID采集的数据进行过滤处理。
    RFID数据采集过滤方法设计主要可以分为如下几类：
    1)建立数据采集事件列表类  对每一个新到电子标签数据进行实时检测，如果是新扫描的电子标签，则加入到相应列表中，如果该标签在列表中已存在，则仅更新对应标签的时间等状态数据，而不新建标签数据记录，以达到清除重复数据的目的。
    2)数据采集事件编码类  对电子标签状态的改变进行编码，定义标签出现的状态编码为0，标签状态消失的编码为1。然后加入计时器机制，对计时器有效时间内的同一标签的状态跳变进行忽略，从而在状态定义和时间维度2个方面对数据进行了去重化。
    上述这些算法均能够很好地消除冗余数据，减少了上层系统的负荷。但在实际应用中，除了RFID数据的去冗化以外，对数据的过滤还有着其他的需求。比如，由于信号不稳定或其他干扰因素，蔬菜上的RFID标签并不能在每一个读写器周期中被检测到。针对上述问题，设计了在不同应用场景下的适应性和有效性的过滤算法，实验平台使用RS232接口的单天线读写器，该读写器报告周期为1 s，每次报告标签数为5个。算法实现采用java语言，通过Java串口来进行串口通讯。
4．4 业务系统的实现
    依据上述的基本原理，本文基于Java EE平台下设计并实现了一个基于蔬菜可追溯系统，该原型系统实现了蔬菜识别、信息处理／控制／跟踪、PML服务器的维护、本地数据库的维护等，基于物睽网的蔬菜可追溯系统主要通过RFID电子标签实现蔬菜的自动识别和发运，利用物联网获取蔬菜的生产日期等相关信息。其中，业务管理系统通过获取信息采集软件得到的EPC信息，并通过ONS找到物品的PML信息服务器，以Web的形式向Internet用户提供诸如信息查询、跟踪等功能的管理的界面如图4所示，用户通过手机或无线PDA实时了解蔬菜的状态的界面如图5所示。

5 结论
    本文在物联网逐步兴起的研究背景下，探求物联网在农业生产中的应用，对于蔬菜可追溯码标签，国外现有的系统大部分采用一维码制作可追溯标签。但是考虑到蔬菜包装一般都比较小，因此可追溯码的标签不能设计过大，而且蔬菜在运输等过程中容易受到污损，而一维码信息集成度不高，并且一旦有磨损就会造成识别困难，同时也容易仿制，因此本文所设计的系统所选用信息集成度以及抗污损和畸变能力高的二维码。蔬菜可追溯系统不仅实现了蔬菜从种子到包装出库这一过程的可追溯链，还可追溯还应涉及批发商、零售商以及最终消费者，可追溯的范围更大，不同层次的个体问信息的对接和协调会增加可追溯的难度。
    本文所提出的基于物联网的蔬菜可追溯系统，它具有高度自动化的特点。目前基于该方案开发的蔬菜可追溯系统已经在国内某蔬菜企业安装使用，今后将根据用户的反馈不断改进完善。