基于LPC1766的農(nóng)產(chǎn)品流通追溯系統(tǒng)設(shè)計

孫傳恒，楊信廷，李文勇，周 超，李道亮

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097）

0 引 言

農(nóng)產(chǎn)品流通追溯是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全程追溯的關(guān)鍵和難點［1］。農(nóng)產(chǎn)品流通追溯直接影響農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程［2］，通過流通階段建立 “倒逼”機(jī)制，可有效引導(dǎo)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提高流通主體的安全責(zé)任意識，增強(qiáng)政府對農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管和服務(wù)水平，促進(jìn)現(xiàn)代流通體系的完善，從而促進(jìn)全程質(zhì)量追溯系統(tǒng)的實施［3－4］。但目前農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和流通的組織化程度較低，包裝化程度不高，大部分采用傳統(tǒng)的人工結(jié)算交易，各流通節(jié)點信息不能有效交換［5－7］。因此，農(nóng)產(chǎn)品流通階段追溯系統(tǒng)在設(shè)計上需采集、記錄、傳輸每個流通節(jié)點的信息，將各經(jīng)營節(jié)點的信息相關(guān)聯(lián)，形成完整的流通信息鏈條和責(zé)任鏈條［8］。

在流通階段實行電子結(jié)算可有效保證追溯流程的完整性，但現(xiàn)階段使用的交易設(shè)備，只有稱重功能，交易記錄不能存儲，無法進(jìn)行稱量過程的跟蹤，而且大多是獨立使用的，不能與上位機(jī)進(jìn)行通訊或采用串口方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊［9－10］，無法實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品流通的分布式追溯。面向農(nóng)產(chǎn)品流通追溯的需求，針對不同包裝程度、流通模式及經(jīng)營者信息化管理水平，基于嵌入式LPC1766處理器，集成RFID射頻識別技術(shù)、條碼技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了農(nóng)產(chǎn)品流通追溯系統(tǒng)的軟硬件方案［11］。系統(tǒng)硬件在設(shè)計上盡可能簡化，只保留必要的硬件電路，如A/D轉(zhuǎn)換電路、串口電路、鍵盤電路、顯示電路等，其它以接口電路形式實現(xiàn)。軟件基于硬件平臺直接開發(fā)，實現(xiàn)了重量采集任務(wù)、RFID身份識別任務(wù)、標(biāo)簽打印任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互任務(wù)等算法，具有占用硬件資源較少，實時性強(qiáng)、處理速度快的特點。

1 流通追溯系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 流通追溯系統(tǒng)主要功能

流通追溯系統(tǒng)主要實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品交易過程的重量感知、交易主體身份識別、交易客體的標(biāo)識和交易過程信息的采集與上傳等功能，具體如下：

（1）產(chǎn)品稱重：重量傳感器信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換生成重量信息，用戶通過PLU預(yù)置商品信息關(guān)聯(lián)產(chǎn)品單價，并自動計算商品總價，完成產(chǎn)品稱重計價。

（2）身份驗證：用于流通階段責(zé)任主體身份的驗證，通過集成RFID讀寫模塊實現(xiàn)用戶身分合法性的驗證，通過驗證后設(shè)備啟動并進(jìn)入稱重狀態(tài)。

（3）標(biāo)簽打印：農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)日期、保質(zhì)日期、生產(chǎn)單位、重量等信息通過文字、數(shù)字、一維碼、二維碼等形式打印到標(biāo)簽上，方便客戶對農(nóng)產(chǎn)品信息的追溯。一維碼支持EAN－13、EAN－128等碼制，二維碼支持QR碼、漢信碼、DataMatrix等碼制。

（4）數(shù)據(jù)上傳：交易完成后，在打印產(chǎn)品交易標(biāo)簽時，同時把標(biāo)簽內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化并以UDP數(shù)據(jù)包格式通過指定端口發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的上傳。

1.2 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。LPC1766處理器的內(nèi)核是 Cortex－M3，F(xiàn)lash容量為256KB，SRAM 為64KB，包括UART接口5個、SSP接口3個、SPI接口1個、I2C接口3個，封裝方式為LQFP100，該芯片具有資源豐富、功耗低的特點［12］。接口模塊包括RFID身份識別模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、打印模塊和無線通訊模塊。重量傳感器將重量轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號濾波和放大后，信號被送入A/D轉(zhuǎn)換器，由A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，并經(jīng)LPC1766處理后發(fā)送到數(shù)碼管；RFID身份識別模塊通過識別用戶電子標(biāo)簽ID，經(jīng)串口發(fā)送到LPC1766處理認(rèn)證；鍵盤模塊通過GPIO與中斷的行列掃描實現(xiàn)與LPC1766的通訊；打印模塊通過UART接口與LPC1799通訊，并執(zhí)行控制模塊指令；無線通訊模塊通過以太網(wǎng)接口與LPC1766通訊，通過UDP協(xié)議發(fā)送到后臺服務(wù)器，實現(xiàn)對交易數(shù)據(jù)的管理［13－14］。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品流通追溯設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，外部220V交流電經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為12V以后接入主板，主板電源電路先將12V穩(wěn)壓為5V，然后再將5V穩(wěn)壓為3.3V。12V向5V轉(zhuǎn)換用的是ST公司三端穩(wěn)壓集成電路L7805，L7805為線性DC－DC轉(zhuǎn)換芯片，輸出電源波紋小，可以滿足AD部分對電源較高的要求。5V向3.3V的轉(zhuǎn)換是用LDO穩(wěn)壓芯片1117，1117具有輸出電流大，輸出電壓精度高等特點，此外還具有電流保護(hù)和熱保護(hù)的特點。

圖2 系統(tǒng)電源電路

2.2 信號調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換

重量采集是追溯設(shè)備主要功能之一，因此設(shè)備的精度至關(guān)重要。精度主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率［15］。A/D轉(zhuǎn)換國產(chǎn)芯片采用HX711，它是一款專為高精度設(shè)備轉(zhuǎn)換設(shè)計的24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了電源處理穩(wěn)壓模塊和時鐘發(fā)生器等外圍電路。穩(wěn)壓模塊可以為傳感器和A/D轉(zhuǎn)換部分提供能量。它有2個A/D轉(zhuǎn)換通道可以供選擇，通道A為主通道，增益分別為128或者64，用于采集信號變化范圍分別為±20mV或±40mV的模擬信號。通道B的放大倍數(shù)為64，用于檢測系統(tǒng)運行時候的參數(shù)如電池電壓。A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路原理

2.3 以太網(wǎng)接口電路設(shè)計

以太網(wǎng)電路如圖4所示。LPC1766內(nèi)部已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制器，因此用戶在芯片外部只需接一個以太網(wǎng)PHY（物理層）接口芯片和相關(guān)電路即可。在設(shè)計時由于LPC1766只支持RMII接口，故只能選擇支持RMII接口的PHY芯片，本設(shè)計中采用DP83848I實現(xiàn)和LPC1766的連接，DP83848I的RMII數(shù)據(jù)接口包括發(fā)送數(shù)據(jù)管腳TXD0、TXD1，發(fā)送使能管腳 TXEN，接收數(shù)據(jù)管腳RXD0、RXD1，接收數(shù)據(jù)時鐘管腳RXCLK，接收使能管腳RXEN和載波偵測管腳CRS。DP83848I的28管腳上拉和18管腳下拉將KSZ8041NL配置成RMII接口模式；15管腳同地之間的4.87K歐姆的電阻用于調(diào)整DP83848I的輸出電流。另外，26和28管腳也用于控制LED，表示當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。時鐘輸入頻率是50MHz。

圖4 以太網(wǎng)電路原理

2.4 RFID身份識別接口電路

RFID接口電路如圖5所示。RFID模塊采用SLRC400射頻芯片，執(zhí)行從LPC1766發(fā)過來的各種動作指令，實現(xiàn)射頻芯片與電子標(biāo)簽的通信控制和通訊數(shù)據(jù)的加密和解碼。其中，RFID模塊與LPC1766通過串口通信，電路中J9－1為控制信號輸出，J9－2接蜂鳴器，J9－3為自動尋卡中斷輸出，低電平有效，可以根據(jù)需要配置。

圖5 RFID接口電路原理

2.5 其它外圍電路設(shè)計

其它外圍電路主要包括打印接口電路、按鍵輸入電路和顯示電路。打印模塊通過MAX3232與LPC1766的串口1連接；按鍵輸入電路通過GPIO與中斷行列掃描與控制電路相連，每行加一10K的上拉電阻，組成8＊8的矩陣鍵盤，實現(xiàn)按鍵輸入中斷；顯示電路通過SPI接口與MB15026芯片相連，驅(qū)動8段＊16位的LED數(shù)碼管。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)控制流程

軟件開發(fā)采用C語言作為開發(fā)語言，以keilμVision3 IDE作為開發(fā)平臺，基于模塊化的開發(fā)思想來實現(xiàn)軟件系統(tǒng)，整個軟件系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)開發(fā)流程

軟件系統(tǒng)由標(biāo)定子程序和應(yīng)用子程序兩部分組成，在應(yīng)用子程序中，包括重量采集任務(wù)、RFID身份識別任務(wù)、LED顯示任務(wù)、鍵盤鍵值掃描任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互任務(wù)和數(shù)據(jù)打印任務(wù)。各個任務(wù)之間采用順序和事件驅(qū)動的方式完成，CPU開始實時探測是否有射頻RFID信號，檢測到信號且通過身份識別后，系統(tǒng)進(jìn)入稱重狀態(tài)，同時實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)、鍵盤鍵值的掃描、LED數(shù)碼管的顯示以及根據(jù)鍵值進(jìn)行任務(wù)的跳轉(zhuǎn)。

3.2 標(biāo)定子程序控制流程

圖7是系統(tǒng)標(biāo)定子程序流程圖，當(dāng)RFID卡身份信息驗證成功后，當(dāng)標(biāo)定開關(guān)按下時，系統(tǒng)進(jìn)入標(biāo)定子程序，首先按分度值的設(shè)定、滿量程量設(shè)置、過載量設(shè)置、加載量設(shè)置步驟進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)入零位狀態(tài)，此時一定要確保秤臺上為空載，按確定鍵后，進(jìn)入加載狀態(tài)，放上與加載量相等的砝碼。最后待穩(wěn)定指示燈點亮?xí)r，按 “確認(rèn)”鍵退出完成標(biāo)定操作。

3.3 應(yīng)用子程序控制流程

圖8是系統(tǒng)應(yīng)用子程序流程圖，當(dāng)RFID卡身份信息驗證成功后，當(dāng)不進(jìn)行標(biāo)定時，系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)用子程序。首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行初始化，為后面的數(shù)據(jù)上傳提供網(wǎng)絡(luò)支持，然后從Flash存儲器中讀取標(biāo)定參數(shù)，并進(jìn)行開機(jī)秤臺清零處理，最后進(jìn)入稱重顯示狀態(tài)。根據(jù)用戶按鍵命令進(jìn)行條碼編碼算法后，進(jìn)行重量采集、條碼打印和數(shù)據(jù)上傳等服務(wù)。

3.3.1 RFID身份識別任務(wù)設(shè)計

RFID身份識別任務(wù)，主要負(fù)責(zé)RFID射頻信號的探測以及用戶身份ID號的獲取，當(dāng)有RFID卡靠近時，系統(tǒng)感應(yīng)射頻信號，讀取卡內(nèi)用戶信息，并進(jìn)行存儲，隨后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式，主要算法如下：

Void TASK＿ListenCard（void）

｛監(jiān)聽RFID信號；

讀取卡內(nèi)用戶信息；

存儲用戶信息；

進(jìn)入稱重工作模式；｝

3.3.2 重量采集任務(wù)設(shè)計

重量數(shù)據(jù)采集任務(wù)，主要負(fù)責(zé)讀取AD轉(zhuǎn)換器的AD值，利用滑動平均濾波數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)標(biāo)定參數(shù)，計算得出實際的重量數(shù)據(jù)值，主要算法如下：

Void TASK＿WeightAcquisit（void）

｛循環(huán)讀取AD值；

平滑濾波處理；

重量數(shù)據(jù)計算；｝

3.3.3 標(biāo)簽打印任務(wù)設(shè)計

標(biāo)簽打印任務(wù)主要負(fù)責(zé)一維條碼、二維條碼生成，定制條碼標(biāo)簽格式等。其中，一維條碼采用EAN－128碼制實現(xiàn)，編碼主要包括市場編號、經(jīng)營主體號碼、產(chǎn)品編號和銷售日期編號等，二維條碼采用漢信碼實現(xiàn)，內(nèi)容包括市場信息、經(jīng)營主體信息和產(chǎn)品信息，并經(jīng)DES算法加密后存儲在漢信碼中，實現(xiàn)信息的安全存儲。具體算法如下：

Void TASK＿LabelPrint（void）

｛調(diào)用一維條碼生成算法，生成一維條碼信息；

調(diào)用二維條碼生成算法，生成二維條碼信息；

標(biāo)簽格式定制；

調(diào)用數(shù)據(jù)上傳函數(shù)，完成打??；｝

3.3.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互任務(wù)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互任務(wù)設(shè)計，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，包括數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，主要算法如下：

Void TASK＿NetDataExchange（void）

｛監(jiān)聽上位機(jī)端口數(shù)據(jù)；

有數(shù)據(jù)，接收并進(jìn)行串行Flash存儲；｝

4 系統(tǒng)實驗

4.1 系統(tǒng)重量準(zhǔn)確度測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《非自動秤通用檢定規(guī)程JJG555－1996》的要求，利用F1級的檢定砝碼（包裝標(biāo)稱值為20Kg、10Kg、1Kg、10g和1g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼若干），對設(shè)備的準(zhǔn)確度誤差進(jìn)行了檢定，試驗結(jié)果見表1。從結(jié)果可以看出，設(shè)備的指標(biāo)優(yōu)于國家規(guī)定的三級秤標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)備準(zhǔn)確度測度誤差

4.2 系統(tǒng)在流通追溯中的應(yīng)用測試

研發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品流通追溯設(shè)備樣機(jī)，成功實現(xiàn)了在北京某批發(fā)市場的測試應(yīng)用。通過發(fā)行采購商卡，實現(xiàn)對產(chǎn)品來源的跟蹤，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和混合條碼標(biāo)簽的打印。消費者可以通過產(chǎn)品條碼實現(xiàn)對產(chǎn)品來源、銷售信息、檢測信息、商戶信息的追溯。農(nóng)產(chǎn)品流通追溯系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 農(nóng)產(chǎn)品流通追溯系統(tǒng)

5 結(jié)束語

本文給出一種農(nóng)產(chǎn)品安全流通追溯系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計與實現(xiàn)過程，基于LPC1766處理器完成了電源、A/D轉(zhuǎn)化、晶振、復(fù)位、以太網(wǎng)通信和RFID模塊、條碼打印模塊的電路設(shè)計，實現(xiàn)了硬件設(shè)計的簡化；基于模塊化的思想進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)了重量采集、條碼打印、RFID識讀、數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)算法，達(dá)到了配置方便，使用靈活，滿足不同層次不同需求的批發(fā)市場的目的；經(jīng)重量準(zhǔn)確度測試，系統(tǒng)準(zhǔn)確度誤差在0.5%以內(nèi)，優(yōu)于國家三級秤的標(biāo)準(zhǔn)，完全可以滿足農(nóng)產(chǎn)品交易的需求，并能實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品流通過程的質(zhì)量追溯，對于提高流通階段的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)控水平具有重要促進(jìn)作用。

［1］YANG Xinting，QIAN Jianping，SUN Chuanheng，et al.Design and application of safe production and quality traceability system for vegetable ［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2008，24（3）：162－166（in Chinese）.［楊信廷，錢建平，孫傳恒，等.蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（3）：162－166.］

［2］LI Ming，QIAN Jianping，YANG Xinting，et al.A PDA－based record－keeping and decision support system for traceability in cucumber production ［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2010，70（1）：69－77.

［3］SUN Chuanheng，LIU Xuexin，DING Yongjun，et al.Design and realization of agricultural products circulation traceability system based on Linux embedded technology ［J］.Transactions of the CSAE，2010，26（4）：208－214（in Chinese）.［孫傳恒，劉學(xué)馨，丁永軍，等.基于嵌入式Linux技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品流通追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（4）：208－214.］

［4］SUI Yuwei.Agricultural products wholesale markets electronic trading research and realization ［D］.Shanghai：Tongji University，2007（in Chinese）.［隋育偉.農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場電子交易研究與實現(xiàn) ［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.］

［5］LOU Haowen，ZENG Zhikang，HUANG Kairen，et al.Preliminary study on the pesticides credible circulation management and service application ［J］.Agriculture Network Information，2008，23（10）：119－122（in Chinese）.［駱浩文，曾志康，黃楷仁，等.農(nóng)藥可信流通管理與服務(wù)應(yīng)用研究初探 ［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008，23（10）：119－122.］

［6］LIU Xuexin，MA Li，SUN Chuanheng，et al.Design and realization of fishery products circulation quality traceability system［J］.Agriculture Network Information，2008，23（12）：22－24（in Chinese）.［劉學(xué)馨，馬莉，孫傳恒，等.流通環(huán)節(jié)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008，23（12）：22－24.］

［7］WANG Zhaohong.Discussion on agricultural product circulation pattern based on information technology ［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2007，29（8）：208－210（in Chinese）.［王兆紅.基于信息技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品流通模式探討［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007，29（8）：208－210.］

［8］QI Lin，ZHANG Jian，XU Mark，et al.Recent advances in simulation and mathematical modeling of wireless networks［J］.Mathematical and Computer Modelling，2011，53（11－12）：2162－2172.

［9］CHEN Dezeng，ZHANG Min.The design and using of a multifunctional weighing and burden instrument ［J］.Chinese Journal of Science Instrument，2005，26（8）：164－165（in Chinese）.［陳德增，張民.多功能稱重配料儀表設(shè)計與應(yīng)用 ［J］.儀器儀表學(xué)報，2005，26（8）：164－165.］

［10］LUO Jihong.DSP－based design of high precision electronic scale ［J］.Computer Measurement ＆Control，2010，18（8）：1955－1958（in Chinese）.［羅及紅.一種高精度的電子秤設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2010，18（8）：1955－1958.］

［11］YANG Jiuhong，WANG Xiaozeng.Lost children automatic location system based on GPRS and GPS ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（15）：3399－3403（in Chinese）.［楊久紅，王小增.基于GPRS和GPS的特殊人群自動定位系統(tǒng) ［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2010，31（15）：3399－3403.］

［12］TANG Yifeng，CHEN Xinhua，F(xiàn)ENG Hui1，et al.Design of wireless sensor network node for environmental monitoring in greenhouse ［J］.Hunan Agricultural Sciences，2010，49（19）：146－148（in Chinese）.［唐義鋒，陳新華，馮輝，等.溫室環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計 ［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49（19）：146－148.］

［13］YANG Xu，MA Guangsheng，DU Zhongping.Design and research of embedded automatic measurement system based on FPGA ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29（4）：869－872（in Chinese）.［楊旭，馬光勝，杜中平.基于FPGA的嵌入式自動計量系統(tǒng)研究與設(shè)計 ［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29（4）：869－872.］

［14］ZHANG Houwu，YAO Kaixue.System of coal revenue tax based on GPRS and RF IC card ［J］.Computer Engineering and Design，2007，28（24）：5997－5999（in Chinese）.［張厚武，姚凱學(xué).基于GPRS和射頻IC卡的煤炭稅費征收系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2007，28（24）：5997－5999.］

［15］PU Fanghua，TIAN Zuohua.A high－precision electronic weight meter based on W77E516 ［J］.Measurement ＆ Control Technology，2007，26（6）：12－14（in Chinese）.［浦 方華，田作華.一種基于 W77E516的高精度電子稱重儀 ［J］.測控技術(shù)，2007，26（6）：12－14.］