基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯關(guān)鍵算法研究

張永恒 ， 張 峰 ，2

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化控制學(xué)院，陜西 西安 710065）

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，目前大多農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)一直打著綠色農(nóng)產(chǎn)品的旗號(hào)，但消費(fèi)者并不能看到農(nóng)產(chǎn)品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)，把所需的農(nóng)產(chǎn)品信息發(fā)送給生產(chǎn)廠家，廠家會(huì)把最新鮮的農(nóng)產(chǎn)品送上門;農(nóng)產(chǎn)品送到家后，消費(fèi)者可以通過上網(wǎng)查詢農(nóng)產(chǎn)品包裝上的條碼，就能了解這棵農(nóng)產(chǎn)品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，可以提供綠色農(nóng)產(chǎn)品的網(wǎng)上在線訂購(gòu)，這樣可以及時(shí)的將綠色農(nóng)產(chǎn)品送到消費(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)買的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程，保證綠色、有機(jī)不摻假，讓消費(fèi)者買得放心。

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[1]。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。

本文參照一些農(nóng)產(chǎn)品企業(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)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)處理方案，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品編碼方案以及RFID防碰撞算法模型和數(shù)據(jù)采集過濾算法模型，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]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的工作流程

物聯(lián)網(wǎng)的基本工作流程由四部分組成，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)[3]。物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。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。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Internet of Things system architecture

3）PML 信息服務(wù)器。 PML（Physical Markup Language，實(shí)體描述語言）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)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)采用了無線射頻身份識(shí)別和二維碼技術(shù)，每棵農(nóng)產(chǎn)品上都貼上二維碼，不管農(nóng)產(chǎn)品賣到哪里，消費(fèi)者都可以查到農(nóng)產(chǎn)品的來源。基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由農(nóng)產(chǎn)品識(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）農(nóng)產(chǎn)品識(shí)別。農(nóng)產(chǎn)品識(shí)別系統(tǒng)的核心是農(nóng)產(chǎn)品的編碼和識(shí)別。由于每棵農(nóng)產(chǎn)品的條形碼都有唯一編碼，不管農(nóng)產(chǎn)品賣到哪兒，只要輸入農(nóng)產(chǎn)品的編號(hào)，就可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控。所以，在基于RFID或二維碼標(biāo)簽的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)采用EPC碼作為農(nóng)產(chǎn)品的唯一標(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)字可代表農(nóng)產(chǎn)品類別和農(nóng)產(chǎn)品ID、生產(chǎn)日期和生產(chǎn)地等信息[4]。同時(shí)，隨著農(nóng)產(chǎn)品的銷售轉(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)農(nóng)產(chǎn)品上，以被信息處理軟件識(shí)別、傳遞和查詢[5]。

2）信息處理/農(nóng)產(chǎn)品控制/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、農(nóng)產(chǎn)品跟蹤和監(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)農(nóng)產(chǎn)品的自動(dòng)處理。

3）PML服務(wù)器。PML服務(wù)器主要由農(nóng)產(chǎn)品生產(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)，提供農(nóng)產(chǎn)品的詳細(xì)信息，如農(nóng)產(chǎn)品類別和ID、登生產(chǎn)日期和產(chǎn)地等信息，并允許通過農(nóng)產(chǎn)品的EPC碼對(duì)農(nóng)產(chǎn)品信息進(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農(nóng)產(chǎn)品信息，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)隨地查詢農(nóng)產(chǎn)品的當(dāng)前狀態(tài)。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Agricultural product traceability system architecture diagram

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品編碼實(shí)現(xiàn)

4.1 編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

為確保農(nóng)產(chǎn)品處理的完整性，對(duì)每棵農(nóng)產(chǎn)品上的標(biāo)簽都進(jìn)行了唯一編碼。編碼由3位農(nóng)產(chǎn)品類別碼和10位農(nóng)產(chǎn)品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。 在農(nóng)產(chǎn)品銷售前，為每棵農(nóng)產(chǎn)品上貼一個(gè)RFID標(biāo)簽。RFID電子標(biāo)簽編碼組成如圖3所示。

圖3 RFID電子標(biāo)簽編碼組成Fig.3 RFID electronic tag coding format

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[1]。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。

5 農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的RFID防碰撞算法研究

在大多應(yīng)用中，在讀寫器范圍內(nèi)存在多個(gè)待識(shí)別的標(biāo)簽，射頻識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是讀寫器在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。從讀寫器到標(biāo)簽的通信，多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)接收到同一個(gè)讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)流，在讀寫器的作用范圍內(nèi)有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向它發(fā)送數(shù)據(jù)，這種形式被稱為多路存取。為了防止由于多個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)在讀寫器的接收器中相互干擾而不能準(zhǔn)確讀出，必須采用防碰撞算法來加以解決。讀寫器防碰撞模型如圖4所示。

圖4 讀寫器防碰撞模型Fig.4 Reader anti-collision model

假設(shè)在某一RFID系統(tǒng)中，讀寫器識(shí)別標(biāo)簽的EPC在k個(gè)比特位出現(xiàn)碰撞，則算法搜索的范圍為2k個(gè)標(biāo)簽，其EPC除碰撞位之外其他比特位是確定的。假設(shè)存在某一標(biāo)簽，其不在搜索的范圍之內(nèi)，則其EPC必定與其他標(biāo)簽在除碰撞位之外的某一位或某幾位比特不同，這樣就會(huì)在其他的比特位上也出現(xiàn)碰撞，這與已知的碰撞相矛盾，所以定理成立。算法搜索需要的總的時(shí)隙數(shù)T。

其中，Tc，Tr，Te分別代表碰撞、可讀和空閑的時(shí)隙數(shù)。且總的時(shí)隙數(shù)是不同深度i對(duì)應(yīng)的時(shí)隙數(shù)的總和，即：

其中，k代表最大的搜索深度，N代表讀寫器作用范圍內(nèi)所有待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)。T（N，i）表示在搜索深度i上，算法所需的時(shí)隙數(shù)。深度為i的搜索，最多可確定2i個(gè)時(shí)隙。對(duì)于標(biāo)簽EPC長(zhǎng)度為n和標(biāo)簽總數(shù)為N的RFID系統(tǒng)來說，估計(jì)出現(xiàn)的空閑時(shí)隙數(shù)為:

可讀時(shí)隙數(shù)為:

碰撞時(shí)隙數(shù)為:

由于該算法所選擇段數(shù)是根據(jù)碰撞比特的位數(shù)決定，某一比特位不發(fā)生碰撞的概率為2N-1，所以段數(shù)滿足二項(xiàng)式分布：

將（6）代入（8）式，就可以得到算法的碰撞數(shù):

6 RFID數(shù)據(jù)采集過濾算法設(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[11]。

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。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1s，每次報(bào)告標(biāo)簽數(shù)為5個(gè)。算法實(shí)現(xiàn)采用java語言，通過Java串口來進(jìn)行串口通訊。

首先是為標(biāo)簽構(gòu)建一個(gè)RTagReadEvent類，該類包含的關(guān)鍵參數(shù)和方法如下：

public void run（）{

while（currentvalue>0）{

if（currentvalue>=tagmax&&!detecedStauts） {

//觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)記錄

……

detecedStauts=true;

}

else if（ currentvalue<=tagmin&&detecedStauts）{

//觸發(fā)標(biāo)簽消失記錄

detecedStauts=false;

}

currentvalue--;

當(dāng)過濾模塊主程序檢測(cè)到一個(gè)新標(biāo)簽的時(shí)候，便為其建立一個(gè)RTagReadEvent類的對(duì)象newReadTag，并對(duì)各個(gè)關(guān)鍵字段賦初值，同時(shí)啟動(dòng)該對(duì)象內(nèi)部的計(jì)時(shí)器線程，該計(jì)時(shí)器線程的作用是每個(gè)報(bào)告周期對(duì)標(biāo)簽權(quán)值value進(jìn)行檢查并觸發(fā)相應(yīng)操作.每次檢查后將標(biāo)簽權(quán)值currrentvalue減1，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)簽未被報(bào)告時(shí)其權(quán)值的逐步下降.當(dāng)權(quán)值currentvalue減到0的時(shí)候，計(jì)時(shí)器線程停止，這時(shí)可以銷毀該對(duì)象。

當(dāng)過濾算法主模塊發(fā)現(xiàn)報(bào)告的標(biāo)簽已存在時(shí)，對(duì)該標(biāo)簽對(duì)象的currentvalue值進(jìn)行累加:

newReadTag.currentvalue+=valueStep;

if（newReadTag.currentvalue>=newReadTag.tagmax）{

newReadTag.currentvalue=newReadTag.tagmax;

}

其中valueStep就是算法中定義的累加權(quán)值.如果權(quán)值currentvalue已經(jīng)達(dá)到閥值ReadTagmax，則將其保持在該值，防止經(jīng)過多個(gè)上報(bào)周期后標(biāo)簽權(quán)值過高，影響后繼判斷。

7 RFID數(shù)據(jù)采集仿真與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用該算法對(duì)農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)簽讀寫器進(jìn)行了模擬，其中，讀寫器防碰撞檢測(cè)算法仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 碰撞檢測(cè)算法仿真結(jié)果Fig.5 Collision Detection Algorithm simulation results

下面對(duì)上述數(shù)據(jù)采集過濾算法進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，設(shè)置valueStep=5，tagmax=8，tagmin=0，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器范圍后，經(jīng)過8s左右的時(shí)間過濾模塊觸發(fā)標(biāo)簽出現(xiàn)操作，人為將標(biāo)簽多次短時(shí)間移出讀寫器范圍，模擬信號(hào)干擾和波動(dòng)的情況，并將另一標(biāo)簽從讀寫器范圍內(nèi)移過，讀寫器均未觸發(fā)多余的標(biāo)簽出現(xiàn)和消失操作，讀寫器掃描標(biāo)簽數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 讀寫器掃描標(biāo)簽數(shù)據(jù)模擬圖Fig.6 Reader scans the tag data mimic diagram

將圖6周期中出現(xiàn)的RFID標(biāo)簽編碼為標(biāo)為1，未出現(xiàn)的編碼為0，這樣，對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品電子標(biāo)簽，其事件可以記錄為一個(gè)01序的二進(jìn)制串.對(duì)圖6而言，tag1可編碼為01001011，表示標(biāo)簽通過了讀寫器范圍;tag2可編碼為11011000，表示標(biāo)簽離開了讀寫器范圍;tag3可編碼為00000011，表示標(biāo)簽進(jìn)入并停留在讀寫器范圍中。

8 結(jié) 論

本文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，它具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)。目前基于該方案開發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)安裝使用，今后將根據(jù)用戶的反饋繼續(xù)完善。

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