基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)

黃慶林++張立新++焦玉聰

摘要：解決棉種銷售過程中假種子頻現(xiàn)問題的前提是準確獲得棉種各個環(huán)節(jié)的實時信息，為了更準確地檢測棉種在各個環(huán)節(jié)的實時信息，采用Visual Studio 2012作為開發(fā)平臺，以C#為開發(fā)語言，以SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫，以射頻識別（radio frequency identification，RFID）為數(shù)據(jù)傳輸技術，開發(fā)了基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括基礎信息維護、原種加工、倉儲信息維護、訂單管理和在線查詢5大模塊。系統(tǒng)運行表明：開發(fā)的溯源系統(tǒng)可實現(xiàn)對棉種培育、加工及銷售過程中數(shù)據(jù)的移動采集與網(wǎng)絡傳輸，實現(xiàn)了對棉種各個環(huán)節(jié)電子檔案的建立及產(chǎn)品質(zhì)量安全數(shù)據(jù)的深度查詢；同時，該系統(tǒng)為政府監(jiān)管部門提供了1種便捷監(jiān)管平臺執(zhí)行監(jiān)管工作。研究進一步表明，隨著RFID技術的普及成本費用下降，該系統(tǒng)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：RFID技術；棉種；質(zhì)量安全；溯源；電子檔案；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： S126；TP391.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0395-05

種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中特殊的生產(chǎn)資料，是不可替代的，是我國農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的基礎[1]。近年來，國內(nèi)不斷發(fā)生種子質(zhì)量安全問題，暴露出當前我國種業(yè)安全監(jiān)管工作的薄弱環(huán)節(jié)[2]。面對層出不窮的假冒偽劣種子等農(nóng)資投訴案件，為保證農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、維護農(nóng)民的合法權益，政府監(jiān)管部門開展了專項整治工作，但是假冒偽劣種子事件發(fā)生后，農(nóng)戶對保存的銷售單據(jù)沒有妥善保管或者經(jīng)營種子商戶不承認其銷售單據(jù)等相互推諉現(xiàn)象都為農(nóng)戶維護權益設置了障礙。因此，亟需研發(fā)建立種子追蹤溯源系統(tǒng)，以保障農(nóng)戶權益和合法化種子經(jīng)銷單位效益。

目前，我國農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)主要是針對畜禽、肉類、水產(chǎn)品、蔬菜等方面，一些地方關于農(nóng)產(chǎn)品溯源的試點工作已經(jīng)展開。全國多個?。ㄊ校╅_始實施畜禽動物的電子可標識身份制度，為我國農(nóng)產(chǎn)品可溯源系統(tǒng)的大力推廣提供了借鑒。但是，關于棉種可追溯系統(tǒng)的研究與應用一直處于空白狀態(tài)。本研究針對該現(xiàn)狀，提出構建和開發(fā)1種棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。

隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，物種鑒別、電子標簽等技術使農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)具有了標識標準化、標識唯一性、數(shù)據(jù)獲取自動化、各環(huán)節(jié)信息共享等特性。其中射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術被列為21世紀十大重要技術項目之一，被認為是影響未來全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術，廣受各方關注[3-4]。RFID的優(yōu)良特性，使其在種子的銷售渠道、安全溯源上有著很好的應用前景。建立基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)可使種子的追溯更加實時、準確，使棉種的質(zhì)量更加有保障，做到信息共享、有源可溯，在一定程度上提高監(jiān)管效能，確保廣大農(nóng)戶棉種的質(zhì)量安全[5]。

1系統(tǒng)的總體方案設計

由于設計的溯源系統(tǒng)需要涉及的用戶區(qū)域分布很廣，尤其是溯源查詢功能，面向整個新疆地區(qū)甚至更廣泛的消費者，并且良繁基地和監(jiān)管者也分布在多個團場和地區(qū)，因此該系統(tǒng)的架構采用B/S方式。其中數(shù)據(jù)庫服務器和主應用服務程序由政府主管部門負責管理和維護，保障系統(tǒng)、數(shù)據(jù)、信息的安全性以及服務的穩(wěn)定性、可靠性[6]。

1.1總體構架設計

溯源系統(tǒng)的整體構架設計見圖1。

1.2系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用Asp.Net平臺下高效的MVC（Model-View-Controller）3層架構進行開發(fā)。 視圖（View）代表用戶交互界面，對于Web應用來說，可以概括為Html界面。1個應用根據(jù)所要完成的功能不同可能有很多不同的視圖，MVC設計模式對于視圖的操作僅限于視圖上數(shù)據(jù)的采集和處理以及用戶的請求，而不包括在視圖上業(yè)務流程的處理，業(yè)務流程由模型（Model）處理。

模型（Model）：就是業(yè)務流程/狀態(tài)的處理以及業(yè)務規(guī)則的制定。業(yè)務流程的處理過程對其他層來說是黑箱操作，模型接受視圖請求的數(shù)據(jù)，并返回最終的處理結果。業(yè)務模型的設計可以說是MVC最主要的部分，它從應用技術實現(xiàn)的角度對模型作了進一步劃分，以便充分利用現(xiàn)有組件，但它不能作為應用設計模型的框架。

控制（Controller）可以理解為從用戶接收請求，將模型與視圖匹配在一起，共同完成用戶的請求。劃分控制層的作用也很明顯，它清楚地告訴系統(tǒng)：它就是一個分發(fā)器，選擇什么樣的模型，選擇什么樣的視圖，可以完成什么樣的用戶請求?？刂茖硬⒉蛔魅魏螖?shù)據(jù)處理，它只把用戶信息傳遞給模型，告訴模型做什么，選擇符合要求的視圖返回給用戶。因此，1個模型可能對應多個視圖，1個視圖可能對應多個模型。

模型、視圖與控制器的分離，使得1個模型可以具有多個顯示視圖。如果用戶通過某個視圖的控制器改變了模型的數(shù)據(jù)，所有其他依賴于這些數(shù)據(jù)的視圖都應反映這些變化。因此，無論何時發(fā)生了何種數(shù)據(jù)變化，控制器都會將變化通知所有的視圖，所有顯示都會得到更新。這實際上是1種模型的變化、傳播機制。模型、視圖、控制器3者之間的關系和各自的主要功能見圖2。

1.3系統(tǒng)功能設計

針對系統(tǒng)中各類用戶需完成的任務和承擔的職責不同，系統(tǒng)可分為基礎信息維護、原種加工、倉儲信息維護、訂單管理、在線查詢5大模塊，詳見圖3。

基礎信息維護模塊：地塊信息、農(nóng)戶信息、品種信息、區(qū)域、區(qū)域經(jīng)理、經(jīng)銷商、種植信息。地塊信息用于添加地塊的所屬單位、負責人等信息；農(nóng)戶信息用于添加農(nóng)戶姓名、身份證、聯(lián)系電話等信息；品種信息用于描述該品種名稱、品種特性等信息；種植信息用于聯(lián)系地塊、農(nóng)戶和品種信息，以及添加施肥、灌溉、農(nóng)藥使用情況等信息。

原種加工：加工班次、原種收購、原種加工。加工班次用于添加加工班次信息；原種收購用于添加收購原種的信息，如殘絨量、殘酸率、數(shù)量、價格等信息；原種加工用于添加原種加工信息，如發(fā)芽率、殘絨率、殘酸率等。

倉儲信息維護：種子入庫、種子庫存、倉庫信息。種子入庫用于對加工過的種子進行入庫操作；種子庫存用于查看某批次種子數(shù)量、價格等信息；倉庫信息用于管理倉庫名稱、倉庫管理員信息。

訂單管理：訂單狀態(tài)、總訂單、詳細訂單、種植歷史、種子運輸、種植反饋。訂單狀態(tài)、總訂單、詳細訂單用于描述訂單信息，如訂單狀態(tài)、訂單品種、數(shù)量、價格等信息；種植歷史用于經(jīng)銷商反饋農(nóng)戶種植信息，如農(nóng)戶種植面積最大的3個品種、農(nóng)戶反饋的種植問題等。

在線查詢：手機掃描查詢、網(wǎng)站查詢。手機掃描查詢用于用戶通過掃描二維碼查詢種子信息；網(wǎng)站查詢用于用戶通過網(wǎng)頁形式，輸入查詢號進行查詢。

2溯源系統(tǒng)的RFID信息采集系統(tǒng)設計

2.1RFID電子標簽的編碼設計

本系統(tǒng)的基本原理是：在棉種生產(chǎn)、銷售過程中，每袋棉種上都粘貼1個RFID電子標簽，向RFID電子標簽內(nèi)寫入棉種的各種信息，如良繁基地、品種、棉種加工以及倉儲、運輸?shù)取ＯM者和政府監(jiān)管部門可對這些信息進行查詢，從而達到追溯棉種生產(chǎn)源頭、追查事故責任的目的。RFID電子標簽內(nèi)存儲20位10進制編碼，其構成規(guī)范為：前8位為棉種加工日期，第8～9位為棉種編號，第9～10位為銷售大區(qū)編號，第11～12位為銷售小區(qū)編號，第13～14位編號為該袋棉種的質(zhì)量，隨后2位表示公司編號，最后4位為本批次棉種的順序號，每批次最大標識數(shù)為9 999，一般能滿足較大規(guī)模的棉種數(shù)量要求。

2.2RFID電子標簽防碰撞設計

2.2.1RFID碰撞產(chǎn)生的原因防碰撞技術是RFID技術的發(fā)展過程中的關鍵技術之一，主要解決多標簽下的信號識別與處理。每個標簽都含有可被識別的全球唯一信息，RFID系統(tǒng)的目的就是通過讀取并識別唯一信息，判斷標簽攜帶者的身份，從而進行相應的數(shù)據(jù)處理。若射頻區(qū)只有1個標簽，則可直接進行閱讀；但當射頻區(qū)存在多個標簽時，面對讀寫器發(fā)出的識別指令，全部標簽都會同時響應，并且標簽之間的響應信號會出現(xiàn)互相干擾現(xiàn)象，即通常所說的數(shù)據(jù)碰撞，從而使得讀寫器和標簽之間的通信出錯或失敗[7]。

2.2.2改進的自適應多叉樹防碰撞算法如果防碰撞算法能根據(jù)分支內(nèi)標簽的數(shù)量，自適應地選擇搜索叉數(shù)，就可以有效提高算法的效率。在 RFID系統(tǒng)中，采用曼徹斯特編碼，讀寫器可以識別所有碰撞位的信息。現(xiàn)階段大多數(shù)2叉樹搜索算法僅利用碰撞位的首位信息（動態(tài)4叉樹搜索算法利用碰撞位的前2位信息），而剩余的碰撞信息并沒有充分被利用。一般來說，當分支內(nèi)標簽的數(shù)量越多時，出現(xiàn)碰撞的位數(shù)越多，碰撞位占總比特位的概率越大。為了有效地利用碰撞位信息，以下定義了碰撞因子[8]。

定義1：碰撞因子μ為在碰撞時隙內(nèi)碰撞比特nc占標簽響應比特位n的比值：

μ=ncn。（1）

定理1：碰撞因子包含待識別標簽的數(shù)量信息。

證明：假設系統(tǒng)內(nèi)有N個符合查詢條件的待識別標簽，標簽響應的長度為n比特，任意1位比特不發(fā)生碰撞的概率為（1/2）N-1，因此有：

μ=n[1-（12）N-1]n=1-（12）N-1。（2）

可見，標簽數(shù)量越大時，碰撞因子越高；反之，碰撞因子越低。說明碰撞因子包含了待識別標簽的數(shù)量信息[8]。

假設系統(tǒng)內(nèi)有N個待識別標簽，系統(tǒng)分配的叉數(shù)為L，當搜索深度為1時，標簽的識別概率為：P（1）=（1-1/L）N-1；當搜索深度為k時，識別概率為：P（k）=[1-p（1）]k-1。則所需搜索深度的均值為：

E（k）=∑∞k=1kp（k）=∑∞k=1kp（1）[1-p（1）]k-1。（3）

將式（3）兩邊同乘以1-p（1），可得：

[1-p（1）]E（k）=p（1）∑∞k=1k[1-p（1）]k。（4）

將式（3）減去式（4），得到：

E（k）=k1-p（1）。（5）

因為1-p（1）<1，根據(jù)等比數(shù)列的求和公式：

E（k）=1p=1（1-1L）N-1。（6）

所需的平均時隙數(shù)為：

T=E（k）L=L（1-1L）N-1。（7）

對于2叉樹搜索，所需的平均時隙數(shù)為T2ary=2/（1-1/2）N-1。對于4叉樹搜索，所需的平均時隙數(shù)為T4ary=4/（1-1/4）N-1。對于8叉樹搜索，所需的平均時隙數(shù)為T8ary=8/（1-1/8）N-1。比較T2ary、T4ary可知：當N>3時，4叉樹優(yōu)于2叉樹搜索；比較T4ary、T8ary可知：當N≥5時，8叉樹優(yōu)于4叉樹搜索。根據(jù)式（2），碰撞因子應選擇：

μ1=1-（1-12）3-1=0.75

μ2=1-（1-12）5-1=0.937 5。

算法的搜索流程見圖4。

3主要功能模塊的實現(xiàn)

根據(jù)前面提出的系統(tǒng)設計的單袋棉種編碼規(guī)范、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開發(fā)的硬件級軟件環(huán)境，以及總體的功能設計等，開發(fā)完成了基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。下面主要介紹實施效果。

3.1對毛籽和棉種質(zhì)檢數(shù)據(jù)采集

對原料（毛籽）的抽檢是棉種質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié)。一般而言，由棉種企業(yè)質(zhì)檢部門派出人員負責對毛籽水分、短絨率和破碎率等進行抽檢[9-10]。抽檢合格的毛籽經(jīng)過加工之后就是棉種，為保障進入市場的棉種質(zhì)量安全，加工完成后的棉種在入庫之前，企業(yè)質(zhì)檢部門需要對棉種進行抽檢，目前主要抽檢的項目包括包裝和發(fā)芽率。進入圖5的原料質(zhì)檢數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)和圖6棉種復檢環(huán)節(jié)的，必須是經(jīng)過用戶權限驗證的用戶。先輸入單袋棉種（1個或1批）號后，才出現(xiàn)圖6右側的檢驗結果錄入界面。需要指明的是，抽檢時間不讓使用者錄入，而是在“保存”即提交數(shù)據(jù)時，將質(zhì)檢信息采集系統(tǒng)時間一并傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)庫中，防止人為修改時間。

3.2對入庫棉種數(shù)據(jù)采集

在完成加工的棉種入庫前，打開計算機并登陸倉儲管理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)試好RFID閱讀系統(tǒng)。在棉種入庫過程中，工作人員用RFID閱讀器讀取該批次棉種的標識編碼，然后手動或者批量自動錄入該批次棉種信息，通過計算機終端把棉種相關信息上傳到棉種質(zhì)量安全溯源數(shù)據(jù)中心。圖7為棉種加工廠棉種入庫的界面，采集的棉種數(shù)據(jù)分批次傳輸?shù)矫薹N企業(yè)局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)服務器中。

在棉種入庫過程中，電子標簽有損壞的可能性。為了不影響棉種入庫的正常進行，最大限度保障溯源信息的完整性，工作人員可以手動輸入該袋棉種的標識編碼，產(chǎn)生替代號碼并傳到棉種溯源信息中心。由于棉種在入庫過程中，都是以品種為批次依次入庫，因此棉種的來源或所屬良繁基地信息的準確性不會受到影響。

3.3對棉種營銷數(shù)據(jù)采集

對銷售過程中相關信息的采集是保證棉種質(zhì)量安全的重要環(huán)節(jié)。一般而言，由各級銷售商負責人對相關信息進行采集，因為一旦信息確認，銷售商就需要承擔相應的責任[11]。目前主要采集的信息包括所在銷售區(qū)域、區(qū)域負責人、棉種品種、棉種數(shù)量和調(diào)運信息。圖8為經(jīng)銷商數(shù)據(jù)采集畫面，必須是經(jīng)過用戶權限驗證的用戶，才能進入數(shù)據(jù)的采集與傳輸。RFID閱讀器接受到信息后，才出現(xiàn)銷售信息錄入界面。需要指明的是，采集信息時間不讓使用者錄入，而是在“保存”即提交數(shù)據(jù)時，將PC或手機的系統(tǒng)時間一并傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)庫中，防止人為修改時間。

3.4對棉種的移動終端查詢

圖9為通過運行在手機終端上的溯源查詢軟件輸入，或者手機條形碼掃描包裝產(chǎn)品上的溯源碼“6936434500035”后得到的查詢結果。更詳細的內(nèi)容包括各種投入品的使用情況等信息可以在PC端登錄溯源系統(tǒng)進行查詢。

4系統(tǒng)測試

4.1測試環(huán)境

為方便測試，采用1臺PC機運行溯源系統(tǒng)程序，表1是該機器的配置。

表1測試環(huán)境

配置項目配置信息操作系統(tǒng)Windows 7CUP2.0 GHz內(nèi)存1 GBWeb 服務器Tomcat 6.0Java 虛擬機Sun JDK 1.5.09RFID 閱讀器萬全VF-647

4.2測試內(nèi)容

為了檢驗該溯源系統(tǒng)在實際應用中的效果，筆者以倉庫管理中的入庫作業(yè)為基礎，測試系統(tǒng)在閱讀器讀取標簽、數(shù)據(jù)處理等方面的能力，圖10是硬件組成。

4.2.1閱讀器標簽讀取性能測試（1）將VF-647閱讀器的讀取模式設置為“循環(huán)讀取”，以接近0.5次/s的速率依次放置1個標簽于閱讀器的讀取范圍內(nèi)，觀察讀取效果[6]。（2）將閱讀器的讀取模式設置為“單次讀取”，將讀取源的讀取周期設定為0.5 s，同樣以接近1次/s的速率依次放置1個標簽于閱讀器的讀取范圍內(nèi)，觀察讀取效果[6]。（3）在（2）的基礎上，將讀取源的讀取周期更改為0.25 s，觀察讀取效果。

測試數(shù)據(jù)整理結果見表2。測試結果表明，該系統(tǒng)能夠為用戶提供合理的默認配置參數(shù)，并可以檢驗用戶輸入的參數(shù)進行合理性檢驗，經(jīng)過合理配置之后閱讀器的工作，能達到更加理想的效果；通過調(diào)整相關的運行參數(shù)，比如設置合理的讀取周期以及選擇合適的讀取方式，可以調(diào)整閱讀器的讀取能力[6]。

4.2.2.1重復標簽過濾測試[12]（1）將讀取源的讀取模式設置為周期性讀取，將讀取周期設定為0.5 s；（2）設定重復時間間隔為3 s；（3）將測試中所用的6個標簽放置在閱讀器讀取范圍內(nèi)，放置時間為30 s，觀察中間件的處理結果。測試數(shù)據(jù)整理結果見表3。

4.2.2.2基于標簽碼的過濾測試設定過濾掩碼（Filter Mask）為：FFFFFFFFFFFFFFFF1111，過濾值（Filter Value）為20150101010220031111，觀察中間件的處理結果，表4為測試數(shù)據(jù)。測試結果表明，該溯源系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，能夠過濾指定時間間隔內(nèi)重復讀取的標簽，減少發(fā)送給應用程序的數(shù)據(jù)量；能夠根據(jù)應用的需求，按照指定的標簽碼格式篩選出預期的標簽[6]。

5結論

本研究對基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源的系統(tǒng)架構進行設計；分析了系統(tǒng)的功能結構和各模塊的功能；針對本系統(tǒng)中使用的電子標簽——單袋棉種RFID電子標簽的存儲

情況和適應環(huán)境性能進行詳細分析設計；對數(shù)據(jù)庫進行E-R設計；著重對良繁管理模塊、質(zhì)檢模塊及倉儲模塊進行詳細的設計與實現(xiàn)。采用RFID技術、計算機網(wǎng)絡技術、嵌入式技術和數(shù)據(jù)庫等技術，并進行了深入的研究，確立了系統(tǒng)組成的基本元件和系統(tǒng)開發(fā)工具，開發(fā)出了基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)軟件。研究開發(fā)的基于RFID技術的棉種質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)已經(jīng)應用于新疆天佐農(nóng)業(yè)科技發(fā)展責任有限公司，提高了該公司的自動化、信息化和智能化管理程度，很好地保護和提高了該棉種公司的企業(yè)形象和效益，同時讓購買該公司棉種的農(nóng)戶利益得到了很好的保障，實現(xiàn)了企業(yè)與農(nóng)戶的雙贏，為我國棉花產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定了一定基礎。

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