基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

韓慧敏

（海南科技職業(yè)大學 海南省海口市 571126）

1 緒論

目前農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)多數(shù)采用條形碼進行監(jiān)測追溯，其缺點在于需近距離讀取，顯然這種方法已無法讓用戶能夠隨時地、便捷地、快速地查到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息，一方面在農(nóng)產(chǎn)品育養(yǎng)和加工過程中存在質(zhì)量安全隱患，另一方面在流通環(huán)節(jié)過程中也無法實時地記錄下農(nóng)產(chǎn)品當前所處于的環(huán)境信息和流通信息，這樣就有可能導致在運輸過程中環(huán)境參數(shù)對農(nóng)產(chǎn)品的影響?；跅l形碼的農(nóng)產(chǎn)品追溯使得我們沒有一個可以評斷的依據(jù)，僅僅依據(jù)拿到農(nóng)產(chǎn)品時其發(fā)生變質(zhì)程度判定[1,2]。

中國輕工業(yè)聯(lián)合會副會長潘蓓蕾在“食品安全高層論壇”上透露，我國每年食物中毒報告例數(shù)約為2-4 萬人，但這個數(shù)據(jù)在專家看來，還不到實際發(fā)生數(shù)的1/10，換句話說就是我國每年食物中毒例數(shù)至少在20-40 萬人。因此，我們不難發(fā)現(xiàn)對于中國而言，農(nóng)產(chǎn)品安全問題已日趨嚴重，逐漸地成為了全民健康和生命的嚴重危害問題[3,4]。

由于農(nóng)產(chǎn)品安全問題與社會每一個公民都息息相關，頻繁爆發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品安全問題，不止會影響到經(jīng)濟未來的發(fā)展走向，也會影響到社會的經(jīng)濟效益，從而會導致社會福利的下降，同時還會影響社會生活的穩(wěn)定。使得人人自危，害怕購買到有問題的農(nóng)產(chǎn)品，在購買的同時會多花精力去鑒別，這極大地浪費了社會資源。據(jù)悉，中國茶葉、蔬菜水果、牛肉與糧食等農(nóng)產(chǎn)品“從農(nóng)田到餐桌”的安全狀況，已試點加入全球統(tǒng)一的全球編碼標識追溯系統(tǒng)[5]。

鑒于目前農(nóng)產(chǎn)品安全重要性及可追溯系統(tǒng)的不完善性，本文提出一種RFID 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)。從農(nóng)產(chǎn)品育養(yǎng)基地開始，將農(nóng)產(chǎn)品與RFID 電子標簽進行綁定，然后經(jīng)過加工過程，批發(fā)售賣過程，流通等各個環(huán)節(jié)，記錄下農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、包裝、流通、運輸、銷售等所有流通過程中的全部信息，能通過用戶應用軟件實時地查詢到農(nóng)產(chǎn)品供應鏈、流通信息，在流通環(huán)節(jié)中通過自動識別并讀取數(shù)據(jù)，可自動地判斷出農(nóng)產(chǎn)品的安全性。

2 系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)可對經(jīng)質(zhì)量認證機構認證的農(nóng)產(chǎn)品分配唯一的可標識電子ID，運用物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID 技術、GPRS 技術、數(shù)據(jù)庫管理技術，以及后臺管理軟件與客戶終端機，對農(nóng)產(chǎn)品從出生產(chǎn)養(yǎng)育、出庫、批發(fā)售賣流通環(huán)節(jié)、消費者查詢追溯等全過程監(jiān)管。最后，制作樣機，開發(fā)系統(tǒng)嵌入軟件及追溯管理應用軟件，并且對樣機進行測試、調(diào)試。系統(tǒng)拓撲結構圖如圖1所示。

（1）信息管理：創(chuàng)建客商的基本信息、客戶的基本信息、產(chǎn)品的基本信息，對客商、客戶與產(chǎn)品進行信息管理。

（2）產(chǎn)品入庫管理：認證管理中心通過中心管理機來獲取RFID 標簽數(shù)據(jù)，并進行入庫操作。

（3）農(nóng)產(chǎn)品育電子標簽綁定發(fā)放：首先通過認證管理中心向生產(chǎn)養(yǎng)育基地發(fā)放標簽，然后將待售賣的農(nóng)產(chǎn)品與標簽通過客戶機管理應用軟件進行綁定并錄入數(shù)據(jù)庫中心，最后將標簽裝在實體農(nóng)產(chǎn)品上。

（4）終端設備發(fā)放：將終端設備特定的設備編號與要發(fā)放的網(wǎng)點（如：生產(chǎn)養(yǎng)育基地、批發(fā)流通、零售地點）建立對應的捆綁關系，可實現(xiàn)追溯農(nóng)產(chǎn)品的流通信息。

（5）終端設備使用：各網(wǎng)點使用終端設備能夠讀取安裝在農(nóng)產(chǎn)品上的電子標簽的信息數(shù)據(jù)，然后通過運用終端設備與數(shù)據(jù)中心服務器的遠程通信功能，將當前的批發(fā)流通或零售數(shù)據(jù)（如：時間、地點等）存入數(shù)據(jù)庫中心，再從數(shù)據(jù)庫中心獲取農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)養(yǎng)育信息、流通過程信息等，通過發(fā)送短信手機端及打印紙張的方式提供給消費者。

（6）查詢與追溯：管理者、客商、客戶能夠通過客戶機管理應用軟件對安裝了電子標簽的農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)養(yǎng)育信息、流通過程信息等進行單個或批量的查詢追溯。消費者能夠在選購過程中，通過終端設備來讀取農(nóng)產(chǎn)品上的電子標簽，對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)養(yǎng)育和流通過程信息進行查詢追溯。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件電路包括系統(tǒng)主控電路、RFID 模塊電路、GPRS 模塊電路。其中RFID 模塊電路是系統(tǒng)硬件電路設計的核心。因為所設計、制作的讀寫器頻率決定了系統(tǒng)的工頻，然后射頻識別的距離也跟讀寫器設計有關，由讀寫器的功率決定。

3.1 RFID模塊電路設計

RFID 讀寫器[6,7]主要由射頻模塊、天線、主控模塊及接口電路等組成。RFID 讀寫器功能是控制射頻模塊和天線發(fā)射出電磁場或電波向電子標簽讀取信號，然后通過非接觸式接收電子標簽的應答信號，將接收到的信號進行解碼處理，將解碼得到的電子標簽所存儲的信息和識別信息一并傳送給主機，根據(jù)操作程序的不同，主機做出相應的處理。RFID 讀寫器結構框圖如圖2所示。

圖1：系統(tǒng)拓撲結構圖

圖2：RFID 讀寫器結構框圖

圖3：RFID 射頻讀寫器硬件電路原理圖

圖4：GPRS 模塊結構框圖

圖5：產(chǎn)品信息管理圖

圖6：RFID 標簽入庫圖

圖7：RFID 標簽與產(chǎn)品綁定圖

圖8：終端機與網(wǎng)點綁定圖

圖9：單個標簽查詢圖

RFID 讀寫器可由射頻模塊和控制系統(tǒng)兩大部分組成。射頻模塊，對將要發(fā)射的信號進行調(diào)制，然后通過天線發(fā)射出高頻電磁能量，與電子標簽采用非接觸式激活并為其提供能量源，此外將數(shù)據(jù)傳送給電子標簽。射頻模塊還可以接收來自電子標簽發(fā)射回來的應答信號，并對信號進行解調(diào)?？刂葡到y(tǒng)，由微處理器控制與電子標簽通信；電子標簽信號的解碼和編碼；由微處理器對讀寫器和電子標簽間進行身份驗證；由微處理器對讀寫器與電子標簽間傳送的信息進行加密和解密；由微處理器與后臺應用系統(tǒng)進行通信；執(zhí)行后臺應用系統(tǒng)所發(fā)送的各類程序指令。

電子標簽與讀寫器發(fā)射出的頻率須相同，電子標簽內(nèi)含有一個由LC 組成的串聯(lián)諧振電路，而RFID 讀寫器則在一定范圍內(nèi)發(fā)射出電磁場，其磁場范圍由系統(tǒng)工作頻率和天線的長度決定。當電子標簽在讀寫器發(fā)射出的電磁場的范圍內(nèi)，在電磁場的激勵下，電子標簽內(nèi)部的LC 串聯(lián)諧振電路會與之產(chǎn)生共振，因此會產(chǎn)生并累計感應電荷，當達到一定程度時，電路中的C 可作為電源提供工作電壓，可通過采集器將數(shù)據(jù)采集到電子標簽內(nèi)保存或電子標簽將數(shù)據(jù)發(fā)射給讀寫器接收、讀取，然后解碼并錯誤校驗。最后通過GPRS模塊電路將數(shù)據(jù)傳送到后臺的服務器上，進行數(shù)據(jù)的采集、處理。

本系統(tǒng)所設計的RFID 射頻讀寫器硬件電路原理圖如圖3所示。RFID 讀寫器選用的是MF RC 500 芯片，MF RC 500 芯片1 號和32號引腳連接一個13.56MHz 的能量載波，以此來驅(qū)動天線，經(jīng)過天線的匹配電路將天線獲取的信號送至MF RC 500 芯片RX 引腳。RFID 射頻采用負載調(diào)制響應，通過設定寄存器，調(diào)制發(fā)送數(shù)據(jù)從而得到發(fā)送的信號。依據(jù)寄存器的設定，MF RC 500 芯片內(nèi)部接收器對信號進行解調(diào)和檢測，然后將處理好的數(shù)據(jù)通過并行口發(fā)送到微處理器AT89C52。

3.2 GPRS模塊電路設計

本系統(tǒng)單片機主控芯片采用AT89C52，GPRS 移動通信模塊采用SIM300C，電平轉(zhuǎn)換采用MAX221 芯片。以AT89C52 為本系統(tǒng)的主控制器，內(nèi)嵌有TCP/IP 協(xié)議的GPRS 無線通信模塊，實現(xiàn)電子標簽數(shù)據(jù)的采集和遠程傳輸兩大功能。AT89C52 芯片將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給SIM300C 無線通信模塊中，模塊會自動地將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP 的數(shù)據(jù)包，并通過GPRS 無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)上的服務器建立連接，將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS 無線網(wǎng)絡發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)服務器上。GPRS 模塊結構框圖如圖4所示。

4 追溯管理應用軟件

追溯管理應用軟件主要包括客戶和產(chǎn)品基本信息輸入、產(chǎn)品入庫管理、產(chǎn)品發(fā)放管理、查詢統(tǒng)計管理等。主要功能：

（1）對終端機監(jiān)控，接收和向終端機發(fā)送數(shù)據(jù)；

（2）建立基本信息檔案如：客商、客戶、產(chǎn)品檔案等；

（3）電子標簽入庫；

（4）產(chǎn)品與電子標簽的綁定；

（5）產(chǎn)品的追溯查詢。產(chǎn)品信息管理圖如圖5所示。

4.1 后臺管理

4.1.1 客戶與產(chǎn)品基本信息輸入

（1）客商信息管理：客商信息輸入、修改、刪除?？蜕淌侵府a(chǎn)品生產(chǎn)商。

（2）客戶信息管理：客戶信息輸入、修改、刪除?？蛻羰侵附?jīng)銷商商，包括批發(fā)商和零售商。

（3）產(chǎn)品信息管理：產(chǎn)品信息輸入、修改、刪除。

4.1.2 產(chǎn)品入庫管理

（1）RFID 標簽入庫。計算機和讀卡機連接好后，刷卡，屏幕界面將顯示卡號及刷卡數(shù)量，刷卡完成，按“入庫“鍵，所刷過的標簽將存入數(shù)據(jù)庫備用。RFID 標簽入庫圖如圖6所示。

（2）入庫批號查詢：按批號顯示目前庫存的標簽數(shù)量。

計算機和讀卡機連接好后，刷卡，屏幕界面將顯示卡號及刷卡數(shù)量，刷卡完成，按“入庫“鍵，所刷過的標簽將存入數(shù)據(jù)庫備用。

4.2 終端機管理

4.2.1 產(chǎn)品發(fā)放管理

（1）標簽商品綁定。把待銷售的產(chǎn)品與標簽進行綁定，輸入相關內(nèi)容后，按確定綁定按鈕即完成。RFID 標簽與產(chǎn)品綁定圖如圖7所示。

（2）終端機發(fā)放：輸入終端機編號，選擇要發(fā)放的網(wǎng)點（包括生產(chǎn)基地，流通、銷售網(wǎng)點），終端機即與具體網(wǎng)點建立對應關系，如此可以追溯產(chǎn)品的流通地點。終端機與網(wǎng)點綁定圖如圖8所示。

4.2.2 查詢統(tǒng)計管理

RFID 追溯查詢：輸入標簽號，查詢單個產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通信息。單個標簽查詢圖如圖9所示。

5 結論

本系統(tǒng)開發(fā)的食品安全流通RFID 追溯系統(tǒng)，通過RFID（無線射頻識別技術）實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯的系統(tǒng)，特別適合于無計算機或互聯(lián)網(wǎng)絡條件的農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖/種植基地和農(nóng)貿(mào)市場網(wǎng)點使用。針對目前信息追溯過程所存在的問題，本項目通過RFID 標簽用于物品身份標識的防偽可靠性，以及GPRS 無線通信技術，設計獨特的管理流程。

本系統(tǒng)優(yōu)點和特點是多項技術（RFID 無線射頻識別技術、嵌入系統(tǒng)軟件技術、無線網(wǎng)絡接入技術、計算機管理軟件開發(fā)、計算機數(shù)據(jù)庫技術等綜合）在物流領域中成功的集成應用。