基于物联网的蔬菜追溯系统的设计与实现

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基于物联网的蔬菜追溯系统的设计与实现

东北电力大学信息工程学院 高 飞 尤 明 高 鹏

【摘要】为了让消费者了解购买蔬菜的详细信息，提高蔬菜供应和追溯的效率，也让企业降低蔬菜追踪、监控成本，优化生产信息管理方法。采用无线传感器网络、超高频RFID、Internet技术和计算机技术，“自动”采集蔬菜种植信息，为每一个“单位蔬菜”贴上标签，标签包含了蔬菜的基本信息，让任何一个人通过信息系统都可以清楚的了解蔬菜的详细价值信息，实现基于物联网的蔬菜追溯系统，使信息采集“自动化”，供应链的管理可视化，既方便了消费者溯源，也方便了企业的追踪和管理。

【关键词】超高频RFID；物联网；无线传感器网络；追踪；溯源

1.引言

近年来，危害人民身体健康甚至危及生命的食品安全事件频频发生，其数量和危害程度成日益上升的趋势。蔬菜作为老百姓最基本的消费品之一，从供应效率到安全的要求得到老百姓越来越多的关注。最近几年，我国的蔬菜农药残留过高，食用蔬菜中毒的事件时有发生。如何保证蔬菜安全，提高“菜篮子”产品质量安全水平，让城乡居民长期吃上“放心菜”，是普通老百姓关注的热点，也是提高蔬菜产业竞争力的重要条件。

通过无线传感器网络获取物理世界的数据，无线射频技术搭建起物理世界与信息世界的桥梁，将两者进行有机集合，再通过Internet和EPC系统连接，在一个统一的供应链物联网的平台运作。依托EPC作索引，获取表示物品的状态，将此状态融入物品的信息链中，实现基于物联网的供应链追溯的功能。

2.相关技术2.1 物联网

物联网的定义是通过射频识别(RF-ID)、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相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网主要由EPC(Electronic Pro-duct Code)编码、EPC标签、RFID读写器、SAVANT中间件、对象名解析服务器(Object Naming Service，ONS)和实体标记语言(Physical Markup Language PML)6个部分组成。

解读器读出的EPC只是一个信息参考，由这个信息参考从Internet找到IP 地址并获得该地址中存放的相关的物品信息，并采用分布式Savant软件系统处

理和管理由解读器读取的一连串EPC信息。由于在标签上只有一个EPC码，计算机需要知道与该EPC匹配的其他信息，这就需要ONS来提供一种自动化的网络数据库服务。Savant将EPC传给ONS，ONS只是Savant到一个保存着产品文件的PML服务器查找，该文件可由Savant复制，因而文件中得产品信息就能传到供应链上。个人用户和企业用户通过不同输入输出控制终端，从物联网中获取有关物品的信息。工作流程如图1。

2.2 超高频RFID

RFID技术是一种先进的非接触式自动识别技术，它利用射频信号和空间耦合及传输特性来进行双向通信，实现对物体自动识别与信息采集。

本系统选用超高频RFID，是因为其相对于其他频段的RFID技术和二维码技术，其电子标签系统具有识别距离远、读写速度快、可多标签同时识别、抗干扰能力强等显著特点，可以满足车载蔬菜大批量多标签可靠识别，也省去了装货卸货时逐个扫描的复杂工序。

2.3 无线传感器网络

WSN由部署在检测区域内大量的传感器结点组成，是一种能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统，是一种与实际环境交互的网络，能够通过安装在微小结点上的各种传感器从真实环境中获取相关数据，然后通过自组织的无线网络将数据传送到计算能力更强的通用计算机上进行处理。

无线传感器网络以其低功耗、低成本的特点，广泛用于军事、环境检测、医疗监护系统等，本文中使用WSN检测蔬菜的生产环境，一方面采集的信息可以供消费者溯源时使用；另一方面，企业可以利用信息实现自动灌溉和自动通风等智慧农业措

施，大大降低人工成本，提高整体效益。

3.系统设计3.1 总体设计

基于物联网的蔬菜溯源系统的研究重点是如何采集蔬菜从生产、加工、运输到上市的各种信息，如何设计EPC编码、数据库让消费者获得准确全面的答案。信息的采集分为两个部分：智慧农田信息采集和生产信息采集，其中智慧农田信息采集系统是系统自动采集将数据存入数据库，包括蔬菜生产期间的温湿度、CO2浓度等等，生产信息采集系统需要信息员输入，包括蔬菜的农药、化肥的使用情况等。信息采集后存入中控中心的数据库中。

采摘好的蔬菜进入生产车间，简单加工后放入单位筐中，信息管理员根据蔬菜信息注册RFID标签挂在每个单位筐上，蔬菜出库时，门口的超高频读写器会记录下出口的信息包括数量和时间。在运输途中，车载追踪模块会定时读写车上RFID 信息和GPS信息，通过GPRS发送到中控中心，写入数据库中，方便生产企业的追踪和管理。在进入商场卸货时，工作人员不必记录，车载追踪模块能够自动计算数量，大大减少工人的工作量，消费者购买蔬菜后，通过小票上的蔬菜溯源码，可以分别在商场的溯源平台和企业溯源网站上查询到蔬菜的详细信息。溯源过程如图2所示。

3.2 软件部分

软件分为三个部分：智慧农业信息采集系统、中心控制软件、WPF网站。

软件的框架图如图3。3.3 硬件部分

硬件部分主要有两个部分：智慧农田信息采集模块和车载追踪模块。

3.3.1 智慧农田信息采集模块该部分主要有无线协调器、无线路由

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器、传感器(温湿度、CO 2浓度、土壤湿度等)。信息自动采集模块结构图如图4。

3.3.2 车载追踪模块

该部分由单片机、GPS模块、GPRS模块和超高频RFID模块组成。单片机控制GPS和超高频RFID读取数据然后通过GPRS 发送到控制中心的数据服务器上。

其结构如图5所示。

三种技术的组合可以解决蔬菜运输中的追踪问题并且大大简化读取设备，不再需要出库入库和进入商场写下货物的盘点。此种设备还没有出现在目前为止的食品供应链中。

3.4 数据库设计

4.部分模块的实现

4.1 智慧农田信息采集系统无线传感器将数据传递给无线路由，众多的无线路由再将数据发送给无线协调器，无线协调器作为传感器网络的核心，把数据通过RS232串口发送给PC，写入数据库中，如图6、7所示。

4.2 车载模块具体型号：

1)MCU主控：采用最新STC12C5A60S2，工作电压5.5v～340v)5v单片机)，片上集1028K RAM，双串口，全双工异步串口(UART)，兼容普通8051串口，分时复用可当3组使用，刚好符合要求(GPS、GPRS、RFID都需要串口通信)，工作温度从摄氏-40度到摄氏85度。

2)GPS模块：采用SIRF 3代芯片的GPS模块。具体参数如表1。

3)GPRS模块：选用SIMCOM公司的SIM300模块。具体参数如表2。

4)超高频RFID模块：采用美国联思普瑞(LinkSprite)的LS-UHF-RFID-TTL-UART模块。具体参数如表3。

5.结束语

物联网引发了各个国家，各个领域对实体对象追溯的全新理念。它改变了产品从生产、运输、存储、销售各环节监管监察的根本管理方式。将物联网用于蔬菜的追溯中，提高了企业对供应链的透明度，方便了管理，让老百姓买到放心的可溯源的蔬菜。这其中智慧农田不仅作为溯源信息采集的来源，也是企业管理种植蔬菜环境信息的来源，可以借助数据实现种

图3 中控中心服务器程序框图

图4 智慧农田信息采集模块结构图

图5 车载模块的结构图

图6 采集模块实物图(无线路由、协调器、传感器)

图7 生产信息采集系统数据显示界面

图1 物联网工作流程图图2 系统溯源的过程表1 GPS模块参数名称主要参数芯片组SIRF 3灵敏度-159DB 操作温度摄氏-40～80度存储温度摄氏-45～85度工作电压 3.3+/-%5V（VDC）卫星轨道20定位资料更新1秒

定位精度

位置：10米圆周误差

（CEP）速度：0.1米/秒时间：1微秒

使用范围

海拔高度：小于18000米

速度：小于515米/秒

输出格式TTL

数据格式

GPGGA、GPGSA、GPGSV、

GPRMC、GPVTG、GPGLL等

地球坐标系WGS84传输速率4800、9600、38400可选

表2 GPRS模块参数

名称主要参数工作电压 3.4～4.4V

工作频段

SIM具有三个频段：EGSM900、

DCS1800、

PCS1900。频段频率可由AT指令设置，

默认为EGSM900和DSC1800。

GSM类型小型基站

发射功耗

在频率EGSM900 class 4下2W，在频率

DSC1800和PSC1900 class 1下1W。

GPRS连接GPRS多时缝10级；GPRS移动电台B级

工作温度

正常工作温度：-22℃～55℃；

存储温度：-40℃～80℃

GPRS数据

传输GPRS下行传输数据最大85.6kpbs；GPRS上行传输数据最大42.8kpbs；

编码方案：CS-1，CS-2，CS-3，CS-4；

SIM300支持PAP（密码验证）协议，

此协议通常用作PPP连接。表3 UHF RFID模块参数

名称具体参数

工作频率

国标（920～925MHz）、美标、欧标等

840MHz至960MHz工作频段。支持协议

ISO18000-6C（EPC GEN2），兼容

ISO18000-6A/B

天线增益8dBi定向天线射频功率MAX 20dBm

读卡距离无源标签识别距离调整范围：1～6米读卡时间多标签64位ID号读取时间<6ms 调制方式ASK or PR-ASK 天线接口MMCX

支持接口

高速USB、UART（RS232）与PC应

用软件通信

工作电压DC+3.3V；+5.5V可选功耗 1.5W-2W 工作温度-20℃～+80℃存储温度-40℃～+125℃工作湿度20%～95%（无凝露）