基于物联网的农产品可追溯关键算法研究

基于物联网的农产品可追溯关键算法研究张永恒1，张峰1，2(1.榆林学院信息工程学院，榆林719000;2.西北工业大学自动化控制学院，西安710065)摘要:为提高农产品追溯效率、降低农产品跟踪、监控成本，通过对对现有农产品生产、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农产品可追溯系统的物联网设计方案。重点分析了标签的唯一编码方案、RFID防碰撞算法和RFID数据采集过滤算法，最后对RFID数据采集进行了仿真与实现。应用结果表明对提农产品追溯效率、降低农产品跟踪、监控成本有较明显的效果。关键词:射频识别；防碰撞算法；物联网；农产品；电子标签中图法分类号：TP391文献标识码：AResearchonagricultureproductstraceabilityalgorithmsbasedonInternetofthings（1.SchoolofInformationEngineering,YulinUniversity,Yulin719000,China；2.Schoolofautomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710065,China）+Correspondingauthor:E-mail:[e-mail]：Toimprovethevegetablestracingefficiencyandreducevegetablestrackingandmonitoringcost,analyzedexistingvegetableproduction,testing,,location,trackandsalesprocessthroughtheinvestigationofonevegetableenterprise,thevegetabletraceabilitysystemschemebyRFIDandInternettechnologyisdesigned.EmphasisonananalysisoftheRFIDsystem,middleware,andapplicationssuchasmobilephoneorwirelessPDAofinternetofthings．ThefinalanalysisofthenetworkintheInternetbasedonthevegetableenterprisevegetabletraceabilitysystemintegratedapproach.Thesystemprovidesthedetailsaboutvegetableinformationfortheconsumersandagoodoperationplatformforvegetableproductionmanagementandvegetablequalitysafetymonitoring.Applicationresultsshowthatthewarehousehasasignificanteffectinimprovingthetracingefficiencyandreducingthetrackingandmonitoringcost．Keywords：RFID;anticollisionalgorithm;InternetofThings;agricultureproducts；electronictag1概述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,目前大多农产品生产企业一直打着绿色农产品的旗号,但消费者并不能看到农产品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,把所需的农产品信息发送给生产厂家，厂家会把最新鲜的农产品送上门;农产品送到家后,消费者可以通过上网查询农产品包装上的条码,就能了解这棵农产品从种子到采摘的全过程。同时,应用了物联网技术之后,可以提供绿色农产品的网上在线订购,这样可以及时的将绿色农产品送到消费者手中,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,了解所购买的农产品生产的全过程,保证绿色、有机不掺假,让消费者买的放心。2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[1]。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。本文参照一些农产品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农产品可追溯系统处理方案，研究了基于物联网的农产品编码方案以及RFID防碰撞算法模型和数据采集过滤算法模型，并在实际项目中应用，取得了良好的效果。3物联网及其工作原理3.1物联网的定义物联网（TheInternetofthings）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]。3.2物联网的工作流程物联网的基本工作流程由四部分组成，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[3]。物联网的系统结构如图1所示。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（ElectronicProductCode）码的采集和处理。（2）产品命名服务器（ONS）。产品命名服务器ONS（ObjectNameService）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。图1.物联网系统结构Fig.1Internetofthingssystemarchitecture（3）PML信息服务器。PML（PhysicalMarkupLanguage,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。4基于物联网的农产品可追溯系统设计4.1系统架构设计基于物联网的农产品可追溯系统采用了无线射频身份识别和二维码技术，每棵农产品上都贴上二维码，不管农产品卖到哪里，消费者都可以查到农产品的来源。基于物联网的农产品可追溯系统的结构如图2所示。它主要由农产品识别、信息处理/控制/跟踪、PML服务器、本地数据库服务器、业务系统五大模块组成。它们的作用分别如下：图2.农产品可追溯系统结构图Fig.2Agriculturalproducttraceabilitysystemarchitecturediagram（1）农产品识别。农产品识别系统的核心是农产品的编码和识别。由于每棵农产品的条形码都有唯一编码，不管农产品卖到哪儿，只要输入农产品的编号，就可以对农产品进行跟踪和监控。所以，在基于RFID或二维码标签的农产品可追溯系统采用EPC码作为农产品的唯一标识码，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(ElectronicProductCode)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农产品类别和农产品ID、生产日期和生产地等信息[4]。同时，随着农产品的销售转移或变化，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，并附在被标识农产品上，以被信息处理软件识别、传递和查询[5]。（2）信息处理/农产品控制/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、农产品跟踪和监控三个接口同其他功能模块进行交互，从而实现农产品的自动处理。（3）PML服务器。PML服务器主要由农产品生产厂家创建并维护的服务器，它以标准的XML为基础，提供农产品的详细信息，如农产品类别和ID、登生产日期和产地等信息，并允许通过农产品的EPC码对农产品信息进行查询。（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农产品信息，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农产品的当前状态。5基于物联网的农产品编码实现5.1编码系统实现的关键技术为确保农产品处理的完整性，对每棵农产品上的标签都进行了唯一编码。编码由3位农产品类别码和10位农产品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。在农产品销售前，为每棵农产品上贴一个RFID标签。RFID电子标签编码组成如图3所示。图3RFID电子标签编码组成Fig.3RFIDelectronictagcodingformat5.2RFID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[1]。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。6农产品可追溯系统的RFID防碰撞算法研究在大多应用中，在读写器范围内存在多个待识别的标签，射频识别系统的一个优点就是读写器在很短时间内对多个标签进行识别。从读写器到标签的通信，多个标签同时接收到同一个读写器发送的数据流，在读写器的作用范围内有多个标签同时向它发送数据，这种形式被称为多路存取。为了防止由于多个标签数据在读写器的接收器中相互干扰而不能准确读出，必须采用防碰撞算法来加以解决。读写器防碰撞模型如图4所法。图4读写器防碰撞模型Fig.4readeranti-collisionmodel假设在某一RFID系统中，读写器识别标签的EPC在k个比特位出现碰撞，则算法搜索的范围为2k个标签，其EPC除碰撞位之外其它比特位是确定的。假设存在某一标签，其不在搜索的范围之内，则其EPC必定与其它标签在除碰撞位之外的某一位或某几位比特不同，这样就会在其它的比特位上也出现碰撞，这与已知的碰撞相矛盾，所以定理成立。算法搜索需要的总的时隙数TcreTTTT（1）其中，cT，rT，eT分别代表碰撞、可读和空闲的时隙数。且总的时隙数是不同深度i对应的时隙数的总和，即：0()(,)kiTkTNi（2）0()(,)kcciTkTNi（3）0()(,)keeiTkTNi（4）其中，k代表最大的搜索深度，N代表读写器作用范围内所有待识别的标签数。(,)TNi表示在搜索深度i上，算法所需的时隙数。深度为i的搜索，最多可确定2i个时隙。对于标签EPC长度