摘要：為提高蔬菜追溯效率、降低蔬菜跟蹤、監(jiān)控成本，通過對(duì)蔬菜生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有蔬菜生產(chǎn)、定位、跟蹤、監(jiān)控、銷售等全過程進(jìn)行了分析，給出了一種基于RFID和Internet技術(shù)的蔬菜可追溯系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)分析了該物聯(lián)網(wǎng)中的RFID系統(tǒng)、中間件和手機(jī)或無線PDA等應(yīng)用部件，最后分析了該網(wǎng)絡(luò)在Internet基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)某蔬菜企業(yè)的蔬菜可追溯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)不僅可以為消費(fèi)者提供詳細(xì)的蔬菜產(chǎn)品信息查詢，而且還為企業(yè)的生產(chǎn)管理和蔬菜質(zhì)量安全監(jiān)控提供了良好的操作平臺(tái)。應(yīng)用結(jié)果表明對(duì)提蔬菜追溯效率、降低蔬菜跟蹤、監(jiān)控成本有較明顯的效果。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；物聯(lián)網(wǎng)；蔬菜；電子標(biāo)簽

    物聯(lián)網(wǎng)作為新興的物品信息網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈中物品自動(dòng)化的跟蹤和追溯提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。在物流供應(yīng)鏈中對(duì)物品進(jìn)行跟蹤和追溯對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的物流管理和商業(yè)運(yùn)作具有重要的意義。
    隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，目前大多蔬菜生產(chǎn)企業(yè)一直打著綠色蔬菜的旗號(hào)，但消費(fèi)者并不能看到蔬菜是否是真正的綠色食品。有了物聯(lián)網(wǎng)，消費(fèi)者可以通過應(yīng)用安裝在廚房中的點(diǎn)菜機(jī)，把所需的蔬菜信息發(fā)送給生產(chǎn)廠家，廠家會(huì)把最新鮮的蔬菜送上門；蔬菜送到家后，消費(fèi)者可以通過上網(wǎng)查詢蔬菜包裝上的條碼，就能了解這棵蔬菜從種子到采摘的全過程。
    同時(shí)，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，可以提供綠色蔬菜的網(wǎng)上在線訂購(gòu)，這樣可以及時(shí)的將綠色蔬菜送到消費(fèi)者手中，保證了食品的新鮮程度，同時(shí)使消費(fèi)者能上網(wǎng)通過商品條碼查詢，了解所購(gòu)買的蔬菜生產(chǎn)的全過程，保證綠色、有機(jī)不摻假，讓消費(fèi)者買的放心。
    應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的追溯技術(shù)，每個(gè)食品上都貼上二維碼，不管蔬菜賣到哪里，消費(fèi)者都可以查到蔬菜的來源、施肥及用藥情況，讓消費(fèi)者明明白白消費(fèi)。蔬菜生產(chǎn)企業(yè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)蔬菜生產(chǎn)館內(nèi)的空氣及土地的溫度、濕度以及氣壓、二氧化碳濃度等與種植息息相關(guān)的數(shù)據(jù)。不僅如此，廳內(nèi)何時(shí)通風(fēng)、蔬菜何時(shí)澆水、遮陽(yáng)網(wǎng)如何打開等這些此前很多需要管理人員完成的工作，現(xiàn)在安裝了物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)后，這些工作由可以自動(dòng)由安裝在網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)設(shè)置來完成。

1 相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀
    在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件方面也取得了相應(yīng)的突破，在基于國(guó)外的操作系統(tǒng)之上，開發(fā)自己的中間件軟件。如南京郵電大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心開發(fā)的基于移動(dòng)代理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺(tái)，深聯(lián)科技開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在理論研究方面，如對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法、體系結(jié)構(gòu)等方面，提出了許多具有創(chuàng)新性的想法與理論。在這方面，國(guó)內(nèi)的南京郵電大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等都取得了一些相關(guān)的理論研究成果。
    在國(guó)外，美國(guó)很多大學(xué)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面開展了大量工作。如加州大學(xué)洛杉磯分校的CENS(Center for Embedded Networked Sensi-ng)實(shí)驗(yàn)室、WINS(Wireless Integrated Netwok Sensors)實(shí)驗(yàn)室和IRL(Internet Research Lab)等。
    本文參照一些蔬菜企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)流程，借鑒國(guó)內(nèi)外可追溯系統(tǒng)的相關(guān)研究，通過研究基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)處理方案，對(duì)原有的基于Web蔬菜可追溯系統(tǒng)處理方案進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，取得了良好的效果。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其工作原理
2．1 物聯(lián)網(wǎng)的定義
    物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)的定義是：通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
2．2 物聯(lián)網(wǎng)的工作流程
    物聯(lián)網(wǎng)的基本工作流程由4部分組成，即由信息采集系統(tǒng)(RFID系統(tǒng))、PML信息服務(wù)器、產(chǎn)品命名服務(wù)器(ONS)和應(yīng)用管理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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    它們的功能分別如下：
    1)信息采集系統(tǒng) 信息采集系統(tǒng)包括RFID電子標(biāo)簽(tag)、二維碼、閱讀器(Reader)以及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)軟件，主要完成產(chǎn)品的識(shí)別和產(chǎn)品的EPC(Electronic Product Code)碼的采集和處理。
    2)產(chǎn)品命名服務(wù)器(ONS) 產(chǎn)品命名服務(wù)器ONS(Object Name Service)主要實(shí)現(xiàn)的功能是在各個(gè)信息采集點(diǎn)與PML信息服務(wù)器之間建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)從物品電子標(biāo)簽EPC碼到產(chǎn)品PML描述信息之間的映射。
    3)PML信息服務(wù)器 PML(Physical Markup Language，實(shí)體描述語(yǔ)言)信息服務(wù)器中的數(shù)據(jù)定義規(guī)則由用戶創(chuàng)建并維護(hù)，用戶根據(jù)事先規(guī)定的規(guī)則對(duì)物品進(jìn)行編碼，并利用XML對(duì)物品信息進(jìn)行詳細(xì)描述。在物聯(lián)網(wǎng)中，PML服務(wù)器主要用于以通用的模式提供對(duì)物品原始信息的規(guī)則定義，以便于其他服務(wù)器訪問。
    4)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng) 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)通過獲取信息采集軟件得到的EPC信息，并通過ONS找到物品的PML信息服務(wù)器，從而可以以Web的形式向Internet用戶提供諸如信息查詢、跟蹤等功能，用戶也可以通過手機(jī)或無線PDA實(shí)時(shí)了解物品的狀態(tài)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
    基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)采用了無線射頻身份識(shí)別和二維碼技術(shù)，每棵蔬菜上都貼上二維碼，不管蔬菜賣到哪里，消費(fèi)者都可以查到蔬菜的來源?；谖锫?lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由蔬菜識(shí)別、信息處理／控制／跟蹤、PML服務(wù)器、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、業(yè)務(wù)系統(tǒng)5大模塊組成。

    它們的作用分別如下：
    1)蔬菜識(shí)別  蔬菜識(shí)別系統(tǒng)的核心是蔬菜的編碼和識(shí)別。由于每棵蔬菜的條形碼都有唯一編碼，不管蔬菜賣到哪兒，只要輸入蔬菜的編號(hào)，就可以對(duì)蔬菜進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控。所以，在基于RFID或二維碼標(biāo)簽的蔬菜可追溯系統(tǒng)采用EPC碼作為蔬菜的唯一標(biāo)識(shí)碼，標(biāo)簽由芯片和天線(Antenna)組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的產(chǎn)品電子碼。EPC碼(Electronic Product Code)是Auto-ID研究中心為每個(gè)物理目標(biāo)分配的唯一的可查詢的標(biāo)識(shí)碼，其內(nèi)含的一串?dāng)?shù)字可代表蔬菜類別和蔬菜ID、生產(chǎn)日期和生產(chǎn)地等信息。同時(shí)，隨著蔬菜的銷售轉(zhuǎn)移或變化，這些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)更新。通常，EPC碼可存入硅芯片做成的電子標(biāo)簽內(nèi)，并附在被標(biāo)識(shí)蔬菜上，以被信息處理軟件識(shí)別、傳遞和查詢。
    2)信息處理／蔬菜控制／跟蹤  信息處理／控制／跟蹤模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊，它通過數(shù)據(jù)采集接口、信息處理、蔬菜跟蹤和監(jiān)控3個(gè)接口同其他功能模塊進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)蔬菜的自動(dòng)處理。
    3)PML服務(wù)器  PML服務(wù)器主要由蔬菜生產(chǎn)廠家創(chuàng)建并維護(hù)的服務(wù)器，它以標(biāo)準(zhǔn)的XML為基礎(chǔ)，提供蔬菜的詳細(xì)信息，如蔬菜類別和ID、登生產(chǎn)日期和產(chǎn)地等信息，并允許通過蔬菜的EPC碼對(duì)蔬菜信息進(jìn)行查詢。
    4)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器  本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集和處理接口獲得的蔬菜信息，以便在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中查詢和維護(hù)。例如，用戶可以通過手機(jī)或無線PDA或Web客戶端隨時(shí)隨地查詢蔬菜的當(dāng)前狀態(tài)。
3．2 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)
    該系統(tǒng)運(yùn)用Internet環(huán)境，采用B／S模式進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)服務(wù)器端操作系統(tǒng)選用Linux，主要技術(shù)為Java EE和使用Java語(yǔ)言編程，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)選用Oraclellg。
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4 基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4．1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)
    為了確保蔬菜處理的完整性，對(duì)每棵蔬菜上的標(biāo)簽都進(jìn)行了唯一編碼。編碼由3位蔬菜類別碼和10位蔬菜ID碼、10位生產(chǎn)日期碼、4位生產(chǎn)地碼、4位生產(chǎn)廠家碼、4位銷售地碼、10位銷售日期碼、4位銷售企業(yè)碼及6位序列號(hào)組成。在蔬菜銷售前，為每棵蔬菜上貼一個(gè)RFID標(biāo)簽。RFID電子標(biāo)簽編碼組成如圖3所示。

4．2 RFID中間件的設(shè)計(jì)
    根據(jù)前面研究的標(biāo)簽ID表示方法以及Savant中間件的定義，RFID中間件的功能模塊應(yīng)該包含如下幾個(gè)功能模塊：Reader接口模塊、邏輯驅(qū)動(dòng)器映射模塊、RFID數(shù)據(jù)過濾模塊、業(yè)務(wù)規(guī)則過濾模塊、設(shè)備管理與配置模塊、上層服務(wù)接口模塊。其中，Reader接口用于中間件與RFID讀寫器的數(shù)據(jù)通信，主要有獲取RFID數(shù)據(jù)以及下達(dá)設(shè)備管理模塊的讀寫器指令。設(shè)備管理配置模塊用于調(diào)整RFID讀寫設(shè)備的工作狀態(tài)，配置相應(yīng)的Reader接口參數(shù)等，邏輯讀寫器映射模塊用于將多個(gè)物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個(gè)邏輯讀寫器。
4．3 RFID數(shù)據(jù)采集過濾方法設(shè)計(jì)
    RFID采集的原始數(shù)據(jù)量非常大，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的配置不同，每臺(tái)讀寫器每秒可以上報(bào)數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)不等的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，如重復(fù)多次掃描同一個(gè)電子標(biāo)簽，但其中只有少部分是對(duì)用戶有意義的、非重復(fù)性的數(shù)據(jù)，這樣大量的數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過去冗等處理而直接上傳，將會(huì)給整個(gè)RFID系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān)。所以，對(duì)RFID采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理。
    RFID數(shù)據(jù)采集過濾方法設(shè)計(jì)主要可以分為如下幾類：
    1)建立數(shù)據(jù)采集事件列表類  對(duì)每一個(gè)新到電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果是新掃描的電子標(biāo)簽，則加入到相應(yīng)列表中，如果該標(biāo)簽在列表中已存在，則僅更新對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的時(shí)間等狀態(tài)數(shù)據(jù)，而不新建標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄，以達(dá)到清除重復(fù)數(shù)據(jù)的目的。
    2)數(shù)據(jù)采集事件編碼類  對(duì)電子標(biāo)簽狀態(tài)的改變進(jìn)行編碼，定義標(biāo)簽出現(xiàn)的狀態(tài)編碼為0，標(biāo)簽狀態(tài)消失的編碼為1。然后加入計(jì)時(shí)器機(jī)制，對(duì)計(jì)時(shí)器有效時(shí)間內(nèi)的同一標(biāo)簽的狀態(tài)跳變進(jìn)行忽略，從而在狀態(tài)定義和時(shí)間維度2個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去重化。
    上述這些算法均能夠很好地消除冗余數(shù)據(jù)，減少了上層系統(tǒng)的負(fù)荷。但在實(shí)際應(yīng)用中，除了RFID數(shù)據(jù)的去冗化以外，對(duì)數(shù)據(jù)的過濾還有著其他的需求。比如，由于信號(hào)不穩(wěn)定或其他干擾因素，蔬菜上的RFID標(biāo)簽并不能在每一個(gè)讀寫器周期中被檢測(cè)到。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的適應(yīng)性和有效性的過濾算法，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用RS232接口的單天線讀寫器，該讀寫器報(bào)告周期為1 s，每次報(bào)告標(biāo)簽數(shù)為5個(gè)。算法實(shí)現(xiàn)采用java語(yǔ)言，通過Java串口來進(jìn)行串口通訊。
4．4 業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    依據(jù)上述的基本原理，本文基于Java EE平臺(tái)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于蔬菜可追溯系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了蔬菜識(shí)別、信息處理／控制／跟蹤、PML服務(wù)器的維護(hù)、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)等，基于物睽網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)主要通過RFID電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)蔬菜的自動(dòng)識(shí)別和發(fā)運(yùn)，利用物聯(lián)網(wǎng)獲取蔬菜的生產(chǎn)日期等相關(guān)信息。其中，業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)通過獲取信息采集軟件得到的EPC信息，并通過ONS找到物品的PML信息服務(wù)器，以Web的形式向Internet用戶提供諸如信息查詢、跟蹤等功能的管理的界面如圖4所示，用戶通過手機(jī)或無線PDA實(shí)時(shí)了解蔬菜的狀態(tài)的界面如圖5所示。

5 結(jié)論
    本文在物聯(lián)網(wǎng)逐步興起的研究背景下，探求物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)于蔬菜可追溯碼標(biāo)簽，國(guó)外現(xiàn)有的系統(tǒng)大部分采用一維碼制作可追溯標(biāo)簽。但是考慮到蔬菜包裝一般都比較小，因此可追溯碼的標(biāo)簽不能設(shè)計(jì)過大，而且蔬菜在運(yùn)輸?shù)冗^程中容易受到污損，而一維碼信息集成度不高，并且一旦有磨損就會(huì)造成識(shí)別困難，同時(shí)也容易仿制，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所選用信息集成度以及抗污損和畸變能力高的二維碼。蔬菜可追溯系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了蔬菜從種子到包裝出庫(kù)這一過程的可追溯鏈，還可追溯還應(yīng)涉及批發(fā)商、零售商以及最終消費(fèi)者，可追溯的范圍更大，不同層次的個(gè)體問信息的對(duì)接和協(xié)調(diào)會(huì)增加可追溯的難度。
    本文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜可追溯系統(tǒng)，它具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)。目前基于該方案開發(fā)的蔬菜可追溯系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某蔬菜企業(yè)安裝使用，今后將根據(jù)用戶的反饋不斷改進(jìn)完善。