基于NFC_GPS的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)建

劉偉+陳真佳+張永輝

摘要：針對我國農(nóng)業(yè)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展的需要，以荔枝、芒果、苦瓜等熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運輸流程為目標，構(gòu)建一種基于近場通信（near field communication，NFC）技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS ）技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控追蹤系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)對車載農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運輸?shù)娜^程進行追蹤和室溫調(diào)控，建立起一套完整可靠的安全保障體系?？梢赃M行農(nóng)產(chǎn)品車載運輸過程中的實時跟蹤定位，為車內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的儲藏提供實時的溫濕度調(diào)控，保障農(nóng)產(chǎn)品的鮮活度。此外，這兩種新型技術(shù)的融合使用也可以推廣應用于醫(yī)療用品、工業(yè)用品乃至食品等眾多領域，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NFC；GPS；實時跟蹤；溫濕度調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0208-03

Abstract：For the needs of Chinas agricultural technological innovation and the development of information industry， lychee， mango， bitter gourd and other tropical agricultural production and marketing the transportation process as the goal， to build a agricultural vehicle temperature tracking systembased on near field communication （near field communication， NFC） technology and global positioning system （global positioning system， GPS） technology，. Through the system construction， to achieve the whole process of agricultural production transportation vehicle tracking and room temperature control， established a complete and reliable security system. The system can produce real-time tracking and positioning and provide real-time temperature and humidity regulation for the car storage of agricultural products， the degree of protection of fresh agricultural products. In addition， the integration of the use of these two new technologies can also be extended to the fields of medical supplies， food and other industrial products as well as provide a theoretical basis for the development of Chinas Internet of Things industry.

Keywords：NFC；GPS；real-time tracking；temperature and humidity control；internet of things

1 引言

作為我國唯一的熱帶省份，海南省素來以盛產(chǎn)各類品質(zhì)優(yōu)良、口味獨特的熱帶農(nóng)產(chǎn)品而聞名全國，其盛產(chǎn)的熱帶農(nóng)產(chǎn)品主要用于對外出口。但諸如荔枝、芒果這類的熱帶農(nóng)產(chǎn)品，其對于生產(chǎn)運輸過程中的溫濕度等環(huán)境條件有著嚴格的要求。由于缺乏較為有效的溫控追蹤體系，導致很多熱帶農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中便已變質(zhì)損壞，更為嚴峻的則是缺乏對農(nóng)產(chǎn)品運輸過程中的實時跟蹤監(jiān)控，使得一些不良的人為因素加劇了消費者對于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的質(zhì)疑力度。嚴重的削弱了消費者的購買力，阻礙了海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的向外推廣。目前，國內(nèi)主流的產(chǎn)品溫控追蹤技術(shù)[1-5]存在如下不足：一是溫度顯色標簽卡，它的使用是一次性的，存在著被人為因素替換成新標簽的安全隱患；二是溫度標簽試紙，其對高溫靈敏但對低溫靈敏性較差，受環(huán)境酸堿度的影響較大，使用壽命往往短于產(chǎn)品的運輸周期；三是電子溫度記錄標簽，其記錄的數(shù)據(jù)保存周期短，一次性使用，成本相對較高。

本文提出一種基于NFC電子標簽技術(shù)和GPS技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控追蹤系統(tǒng)的構(gòu)建方案 ，通過NFC標簽信息采集模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊、溫濕度采集模塊匯集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運輸流程中的產(chǎn)品標識信息、地理位置信息、儲藏環(huán)境溫濕度信息，通過網(wǎng)絡通信技術(shù)傳輸給后臺管理系統(tǒng)和用戶終端，以提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運輸過程中的透明度和保障性，為海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的向外推廣提供強有力的技術(shù)理論支撐。

1）系統(tǒng)概述

整個農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)主要由：用戶終端、車載終端和后端管理監(jiān)測系統(tǒng)三個部分組成。其中，車載終端安裝在農(nóng)產(chǎn)品運輸車輛內(nèi)部，用來實時的監(jiān)測和顯示各模塊采集而來的各類參數(shù)信息，再將這些采集來的信息經(jīng)由處理器實時處理后通過無線網(wǎng)絡通信技術(shù)匯集到后端管理監(jiān)測系統(tǒng)供管理人員進行監(jiān)測管控。用戶終端則根據(jù)具體的操作需求向后端管理監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送請求命令，等待相應的信息反饋（圖1）。此系統(tǒng)的構(gòu)建主要用到二項關(guān)鍵技術(shù)：NFC近場通信技術(shù)，GPS衛(wèi)星定位導航技術(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)簡介

NFC是一種標準的近距離無線連接技術(shù)，它基于RFID（radio frequency identification）射頻識別技術(shù)，是一種非接觸式自動識別技術(shù)，通過讀寫器中內(nèi)置的天線發(fā)射信號，達到可以自動識別目標物體，把記錄在物體電子標簽上的數(shù)據(jù)信息傳輸出去的目的[6]。整個識別傳輸過程不需要人工介入，同時讀寫器可以工作在較為惡劣的運輸環(huán)境下，信號穿透性強，能實現(xiàn)無屏障讀取。不僅可以穿透冰、雪、霧等自然環(huán)境，還可以穿透厚度低于10cm的運輸箱體。此外，NFC技術(shù)可以精確識別高速移動中的物體，可以一次性讀取數(shù)十個電子標簽中的數(shù)據(jù)信息，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率。

NFC技術(shù)在產(chǎn)品信息溯源以及冷鏈物流管理中有著較為針對性的應用。主要用來實現(xiàn)產(chǎn)品物流運輸過程中產(chǎn)品信息的鑒別和實時的管理，進而起到準確、實時、快速運輸產(chǎn)品的目的。將NFC電子標簽粘貼于物品表面，在產(chǎn)品出廠、出入庫、中轉(zhuǎn)裝卸、銷售全程中實現(xiàn)對產(chǎn)品運輸信息的實時跟蹤與查詢。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)早已經(jīng)被大眾所熟知，這里便不再贅述。因此，新型NFC技術(shù)在本系統(tǒng)的構(gòu)建中起著核心的作用。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設計

3.1 系統(tǒng)功能需求分析

海南省是熱帶農(nóng)產(chǎn)品的核心產(chǎn)地，每年都要向外輸出大量的鮮活農(nóng)產(chǎn)品，對于農(nóng)產(chǎn)品在車載運輸流程中的信息追蹤、車內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品儲藏的溫濕度環(huán)境等都有著嚴格的要求。以盛產(chǎn)的荔枝來說，荔枝果皮薄，果汁多，易受機械損傷和微生物侵染而造成腐爛。當其放置在車內(nèi)長途運輸時，若車內(nèi)溫度能維持4℃—6℃（相對濕度75%—90%），可保鮮一個月；但當車內(nèi)溫度高于20℃時，只能保鮮一周左右。因此諸如荔枝這樣的熱帶農(nóng)產(chǎn)品，如何做好產(chǎn)銷運輸流程中的產(chǎn)品質(zhì)量安全保障是極其重要的。

根據(jù)需求分析，通過分析熱帶農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)場出產(chǎn)、出庫入庫、中轉(zhuǎn)裝卸、冷鏈運輸、終點銷售整個產(chǎn)銷流程中核心環(huán)節(jié)的需求特點，結(jié)合當前海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運輸?shù)默F(xiàn)狀，這里構(gòu)建的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能：首先，需要使用NFC電子標簽技術(shù)來記錄農(nóng)產(chǎn)品的標識信息和防偽驗證信息、使用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)來實時的捕捉產(chǎn)品運輸過程中車輛的地理位置、使用溫濕度傳感器來實時的采集運輸車內(nèi)的溫濕度信息；其次，需要通過GPRS/3G無線通信傳輸模塊將采集到的相關(guān)信息上傳到后端監(jiān)測管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中存儲起來；最后，廣大消費者通過手機終端發(fā)送所需的請求命令，經(jīng)由服務器解析處理后向消費者手機終端反饋相應的查詢結(jié)果。整個運作流程對消費者而言是全程透明的。因此，整個系統(tǒng)的實施將為農(nóng)產(chǎn)品車載運輸產(chǎn)銷流程安全保障體系的構(gòu)建提供一個高效實際的解決方案。

3.2 系統(tǒng)模型的構(gòu)建

整個系統(tǒng)依托NFC和GPS新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線網(wǎng)絡通信技術(shù)和軟硬件開發(fā)技術(shù)來進行可靠實際的構(gòu)建，以荔枝產(chǎn)銷運輸流程為例來闡述農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)的模型構(gòu)造。首先，荔枝的生產(chǎn)商們將產(chǎn)品的出廠日期、保質(zhì)期、數(shù)量等信息發(fā)送到后端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中存儲，同時將產(chǎn)品的防偽標識信息寫入NFC電子標簽中保存，這樣就能有效地防止在后續(xù)運輸流通的過程中遭人為替換標簽的安全隱患；然后，當運輸車輛運行到經(jīng)銷商那里進行產(chǎn)品的中轉(zhuǎn)裝卸時，這里的操作員同樣的將產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)發(fā)送到后端數(shù)據(jù)庫中存儲，同時在NFC電子標簽中寫入下一條的數(shù)據(jù)信息；最終，當運輸車輛到達目的地后，卸載貨物的同時也要完成對產(chǎn)品數(shù)據(jù)消息的實時上傳和更新。通過這樣的構(gòu)建方式，管理人員在車輛運輸?shù)倪^程中，就可以通過后端監(jiān)測管理系統(tǒng)查詢車載終端的最新情況，實時的獲得運輸車輛內(nèi)的產(chǎn)品信息、地理位置信息、車內(nèi)儲藏的溫濕度環(huán)境信息等，有助于他們做出準確實時的管理和決策。消費者也可以通過手機終端應用向遠程服務器獲取自己權(quán)限范圍內(nèi)的想要知道的產(chǎn)品流程信息（圖2）。

3.3 系統(tǒng)總體設計

3.3.1 硬件環(huán)境構(gòu)建

在基于系統(tǒng)功能需求分析的基礎上，綜合比較市場上主流的高集成度微處理器，我們這里選擇的車載終端處理器是STMicroelectronics（ST，意法半導體）公司出產(chǎn)的高性能、32位低功耗的STM32F103微處理器，其內(nèi)核是Cortex-M3。其標準外設包含：2個AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個全速USB接口、2個I2C接口、2個CAN2.0B接口、3個SPI接口、5個USART接口、10個定時器以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊，其完好全面的性能完全能夠滿足本系統(tǒng)車載終端硬件模塊構(gòu)建的需要[7]。其最小工作系統(tǒng)包括電源模塊、復位電路、時鐘電路和JTAG調(diào)試電路[8]。NFC產(chǎn)品信息采集模塊選用NXP（恩智浦半導體）公司生產(chǎn)的MFRC522非接觸式讀寫芯片，工作頻率為13.56MHz，支持ISO14443A/MIFARE工作模式，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達424kbits/s，具有良好的兼容性和安全保密性。GPS衛(wèi)星定位模塊采用瑞士u-blox公司出產(chǎn)的u-blox-NEO-6M模塊，該模塊可通過USB接口或串口向STM32F103微處理器輸出GPS定位信息，具有高性能、低功耗的特性[9]。溫濕度信息采集模塊選用DHT11溫濕度傳感器，它由NTC測溫元件和感濕元件二部分組成，該傳感器具有高度穩(wěn)定性和極高的可靠性。

因此，整個硬件部分主要有三大模塊組成：NFC產(chǎn)品信息采集模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊和溫濕度采集模塊。其中，NFC產(chǎn)品信息采集模塊主要用來收集農(nóng)產(chǎn)品的標識信息和數(shù)量信息等，GPS衛(wèi)星定位模塊主要用來實時反饋運輸車輛所處的地理位置信息，溫濕度采集模塊主要用來實時的采集運輸車內(nèi)產(chǎn)品儲藏環(huán)境的溫濕度信息。通過STM32F103處理器的2個USART接口實現(xiàn)NFC產(chǎn)品信息采集模塊接口和GPS衛(wèi)星定位模塊接口的電路連接，利用PA11引腳實現(xiàn)與溫濕度信息采集模塊傳感器的數(shù)據(jù)傳輸功能，使用SPI串行接口實現(xiàn)與GPRS無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能。最后，經(jīng)由STM32F103微處理器通過GPRS無線通信模塊裝置將NFC產(chǎn)品信息采集、GPS衛(wèi)星定位和溫濕度采集3個模塊匯集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺管理檢測系統(tǒng)，完成整個農(nóng)產(chǎn)品車載運輸流程中的實時信息采集（圖3）[10]。

3.3.2 軟件設計

在系統(tǒng)軟件開發(fā)方面，車載終端的應用程序在u Vision4環(huán)境下使用C語言進行開發(fā)。具體包括NFC產(chǎn)品信息采集模塊的應用程序、GPS衛(wèi)星定位模塊的應用程序、溫濕度采集模塊的應用程序和無線通信模塊的應用程序全部在此軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、調(diào)試并下載的，從而進一步的對應用程序做修改和完善，最終達到車載終端硬件功能的設計需求。對于后端監(jiān)測管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)，基于經(jīng)典的C/S模式，應用ASP.NET技術(shù)使用C++語言在WINDOWS操作系統(tǒng)下完成開發(fā)，同時在LINUX系統(tǒng)下搭建MySQL數(shù)據(jù)庫服務器。用戶終端手機應用在ANDROID操作系統(tǒng)下使用JAVA語言進行編程開發(fā)。整個軟件系統(tǒng)通過后端數(shù)據(jù)庫服務器提供的服務來保證數(shù)據(jù)的同步性、一致性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文研究分析了新型NFC技術(shù)和GPS技術(shù)的融合使用在車載溫控跟蹤系統(tǒng)中的應用方法。以海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品為服務對象，構(gòu)建了一個基于NFC技術(shù)和GPS技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)。闡述了基于這兩種技術(shù)的系統(tǒng)模型構(gòu)建，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的具體的硬件組成和軟件設計方案。依托NFC近場通信技術(shù)和GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的聯(lián)合使用，對熱帶農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸、銷售整個產(chǎn)銷流程進行實時的跟蹤和管控。該系統(tǒng)的構(gòu)建基本能夠?qū)崿F(xiàn)熱帶農(nóng)產(chǎn)品整個產(chǎn)銷運輸流程的信息化管理，確保農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運輸全程信息的公眾透明度，最大程度上保證了整個運輸流程中農(nóng)產(chǎn)品的鮮活度和產(chǎn)品品質(zhì)，同時也提升了農(nóng)產(chǎn)品運輸供應鏈上的監(jiān)督管理力度，降低了消費者和中間商對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的擔憂，提升海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力。本系統(tǒng)的構(gòu)建方案也可以推廣應用于醫(yī)療用品、工業(yè)用品乃至食品等眾多領域，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1] 袁學國，鄒平，朱軍，等.我國冷鏈物流業(yè)發(fā)展態(tài)勢、問題與對策[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報，2015，17（1）：7-14.

[2] 劉東紅，周建偉，莫凌飛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品及農(nóng)產(chǎn)品中應用的研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43（1）：146-152.

[3] 張浩，許慎思，劉蕊.射頻識別技術(shù)在蔬菜冷鏈物流管理中的應用研究[J].物流技術(shù)，33（7）：348-353.

[4] 梁琨，肖宏偉，杜瑩瑩，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果蔬冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（11）：519-521.

[5] 陳琴剛，李峰霞，馬本學，等.基于RFID技術(shù)的棉種溯源系統(tǒng)構(gòu)建[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（7）：388-390.

[6] 徐興梅，曹麗英，趙月玲，等.幾種短距離無線通信技術(shù)及應用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：101-102.

[7] 袁廣升.基于RFID/GPS的車載冷藏貨物跟蹤系統(tǒng)研究[D].遼寧：遼寧工業(yè)大學，2016.

[8] 望超，黃翠翠，劉美中.基于MSP430F149單片機的最小系統(tǒng)設計及其應用[J].現(xiàn)代物業(yè)（上旬刊），2012，11（1）：28-30.

[9] 阮曉聰，姚松麗，劉凱強，等.基于單片機的GPS顯示模塊設計[J].中國科技信息，2014，23：126-127.

[10] 趙萍.變電站溫濕度實時測控系統(tǒng)的研究和開發(fā)[D].北京：華北電力大學，2012.