RFID手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張明虎， 張 暐， 殷 欣， 屈 展

(1.甘肅廣播電視大學(xué)資源中心,甘肅 蘭州 730030；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司,甘肅 蘭州 730030； 03.甘肅省輕工研究院,甘肅 蘭州 730030；4.甘肅廣播電視大學(xué)理工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

RFID手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張明虎1， 張 暐2， 殷 欣3， 屈 展4

(1.甘肅廣播電視大學(xué)資源中心,甘肅 蘭州 730030；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司,甘肅 蘭州 730030； 03.甘肅省輕工研究院,甘肅 蘭州 730030；4.甘肅廣播電視大學(xué)理工學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

針對射頻識別技術(shù)(RFID)在追溯方面具有工作場景復(fù)雜、標(biāo)簽識別效率和準(zhǔn)確率高、同步數(shù)據(jù)并發(fā)量大、全生命周期溯源等特點(diǎn)，提出了基于高可靠性的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和多標(biāo)簽防碰撞算法的安全追溯系統(tǒng)。該追溯系統(tǒng)以WinCE5.0手持設(shè)備為平臺(tái)，引入了RFID技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期信息的可視化分析和用戶交互式操作。實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)雜環(huán)境下RFID全生命周期防偽追溯系統(tǒng)方案的可行性，表明了采用RFID技術(shù)的防偽追溯系統(tǒng)將成為行業(yè)發(fā)展方向。

食品安全；RFID技術(shù); 數(shù)據(jù)通信; 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫; 倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)

0 引言

近年來，食品安全問題嚴(yán)重威脅著社會(huì)穩(wěn)定和消費(fèi)者健康，已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)話題。美國、法國等一些發(fā)達(dá)國家的食品監(jiān)管部門幾乎控制了從農(nóng)田到餐桌的食品生產(chǎn)、加工、流通等全過程；而我國的食品監(jiān)管部門雖屢次提及食品跟蹤追溯體系建設(shè)，為每個(gè)食品企業(yè)建設(shè)一個(gè)食品全生命周期跟蹤追溯管理體系，但其應(yīng)用目前尚處于萌芽階段[1-4]。

在食品安全追溯方面，文獻(xiàn)[2]以基于二維碼的綠色食品追溯為研究方向，采用二維碼技術(shù)構(gòu)建了綠色食品溯源體系平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了食品信息的獲取、食品質(zhì)量的預(yù)判和食品指標(biāo)的監(jiān)管；文獻(xiàn)[3]分析了國內(nèi)外采用二維碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類農(nóng)副產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在深入研究和分析二維碼的技術(shù)特征后，提出了以二維碼技術(shù)作為農(nóng)副產(chǎn)品安全追溯手段中可能存在的問題；文獻(xiàn)[4]對二維碼在食品追溯方面存在的缺陷進(jìn)行了研究，采用了非對稱密碼算法，設(shè)計(jì)了基于RSA數(shù)字簽名和二維碼技術(shù)相結(jié)合的追溯平臺(tái)。

射頻識別技術(shù)(radiofrequencyidentifiration,RFID)是一種利用射頻信號實(shí)現(xiàn)非接觸式信息傳送的技術(shù)，與傳統(tǒng)的二維碼、普通一位條形碼技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有信息讀取距離長、信息更新快、安全系數(shù)高等優(yōu)勢。

本文結(jié)合RFID技術(shù)的智能性、移動(dòng)性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)和設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于輔助生產(chǎn)線管理和倉儲(chǔ)管理、以基于RFID技術(shù)和多重加密[5-6]為編碼方式的手持設(shè)備防偽追溯管理端系統(tǒng)。手持設(shè)備防偽追溯管理系統(tǒng)運(yùn)行于手持設(shè)備上，通過WiFi連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，完成與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作；通過手持式RFID讀寫器，完成RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀寫功能。系統(tǒng)的主要功能是配合生產(chǎn)線管理與倉庫管理，高效可靠完成產(chǎn)品的在線掃碼、批量出入庫管理和終端查驗(yàn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)運(yùn)行在WinCE平臺(tái)，采用微軟基礎(chǔ)類庫(microsoftfoundationclasses,MFC)設(shè)計(jì)。用戶通過界面按鈕觸發(fā)對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)入相應(yīng)界面完成操作。手持設(shè)備管理系統(tǒng)采用兩層架構(gòu)模型設(shè)計(jì)[7]。整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為業(yè)務(wù)功能層和數(shù)據(jù)適配層。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.1 業(yè)務(wù)功能層

在手持設(shè)備管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能層中，向用戶管理業(yè)務(wù)發(fā)出手持設(shè)備業(yè)務(wù)處理的請求。管理業(yè)務(wù)包括用戶的管理、系統(tǒng)參數(shù)配置的管理以及日志的管理。 手持設(shè)備業(yè)務(wù)包括標(biāo)簽賦碼、裝箱檢查、入庫關(guān)聯(lián)、出庫關(guān)聯(lián)、終端查驗(yàn)、單瓶入庫、單瓶出庫操作。

1.2 數(shù)據(jù)適配層

數(shù)據(jù)適配層設(shè)計(jì)用于與代理服務(wù)器或本地配置文件、日志文件等進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)文件記錄的增加、刪除、修改、查詢等操作。

手持設(shè)備數(shù)據(jù)適配層的主要功能包括硬件操作、與代理服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信操作、本地配置文件操作、日志文件操作。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫訪問

手持設(shè)備管理系統(tǒng)需要訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行增、刪、改、查等操作，然而手持設(shè)備管理系統(tǒng)運(yùn)行在WinCE5.0平臺(tái)，WinCE平臺(tái)不支持對數(shù)據(jù)庫的直接訪問操作，因此需要在桌面端建立一個(gè)代理服務(wù)器。通過手持設(shè)備與代理服務(wù)器的通信，采用WiFi將手持設(shè)備需要對數(shù)據(jù)庫的操作(SQL語句)發(fā)送至代理服務(wù)器，由代理服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將操作結(jié)果返回至手持設(shè)備。數(shù)據(jù)庫訪問示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫訪問示意圖

數(shù)據(jù)庫操作結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)庫操作由DBAdapter接口封裝。DBAdapter接口通過系統(tǒng)配置文件中的數(shù)據(jù)庫連接字符串來連接數(shù)據(jù)庫。對數(shù)據(jù)庫的操作主要由SQLAccessTier類實(shí)現(xiàn)，由DBHelper類封裝，并提供調(diào)用接口。

圖3 數(shù)據(jù)庫操作結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

根據(jù)用戶在賦碼界面選擇的各種產(chǎn)品標(biāo)簽信息，構(gòu)造新的產(chǎn)品標(biāo)簽EPC，并將新的EPC寫入標(biāo)簽。接著調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信類，將標(biāo)簽的TID和新的EPC關(guān)聯(lián)信息發(fā)送至代理服務(wù)器，代理服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品信息表。

本文將所有手持設(shè)備與代理服務(wù)器通信操作封裝成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輔助類(CNetHelper)，為業(yè)務(wù)功能層提供接口，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。

網(wǎng)絡(luò)通信類封裝了WinSock中的相應(yīng)操作，包括連接服務(wù)器、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等。連接服務(wù)器時(shí)，采用的IP地址和端口號為登陸界面設(shè)置的IP地址和端口號。

①ReportNetErr(intnErrCode,CStringstrErrMsg)函數(shù)用來報(bào)告通信中的錯(cuò)誤。

②ConnectServer(SOCKET&sk,CStringstrIP,intnPort,intnSendTimeout=-1,intnRecvTimeout=-1)函數(shù)用來連接代理服務(wù)器。

③SendAndRecv(SOCKET&sk,CStringstrSend)函數(shù)用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，函數(shù)傳入的strSend為手持設(shè)備發(fā)送給代理服務(wù)器的信息，函數(shù)返回為接收的消息。

④Send(SOCKET&sk,CStringstrSend)函數(shù)用來向代理服務(wù)器發(fā)送消息。

⑤DisConnect(SOCKET&sk)函數(shù)用來斷開代理服務(wù)器的連接。

手持設(shè)備與代理服務(wù)器的部分接口通信協(xié)議如表1所示。

表1 部分接口通信協(xié)議

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 多標(biāo)簽防碰撞技術(shù)

目前，RFID防碰撞算法主要采用基于時(shí)分多址的確定性算法和概率性算法。本文采用基于二進(jìn)制樹搜索算法的確定性算法[8-11]。二進(jìn)制樹搜索算法相對較復(fù)雜，但標(biāo)簽識別正確率較高、穩(wěn)定性強(qiáng)，且算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是縮短標(biāo)簽識別延遲時(shí)間和降低標(biāo)簽碰撞率。在生產(chǎn)線和倉儲(chǔ)管理中多標(biāo)簽的情況下，該算法的優(yōu)勢更加明顯。

假設(shè)在手持設(shè)備讀寫操作的有效范圍內(nèi)有6個(gè)產(chǎn)品標(biāo)簽，各標(biāo)簽ID序列如下。

A:01000100

B:01100000

C:01010000

D：01101000

E:00110001

F:00011000

RFID產(chǎn)品標(biāo)簽防碰撞實(shí)現(xiàn)過程主要有以下4個(gè)步驟。

①手持設(shè)備發(fā)出Request讀寫請求，其作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽作出響應(yīng)，讀寫器讀取響應(yīng)標(biāo)簽ID。

②手持設(shè)備對所讀取的標(biāo)簽ID解碼，經(jīng)過曼徹斯特編碼譯碼得到(01X0X0X0),讀寫器發(fā)出Request(01101010，0)指令標(biāo)簽，鎖定ID序列的第 1、3、5 位。鎖定最高位為 0 的標(biāo)簽響應(yīng)該指令，即標(biāo)簽B、D響應(yīng)，并把標(biāo)簽序列傳送給手持設(shè)備。

③手持設(shè)備對編碼序列編碼解碼為(0110X000)，讀寫器發(fā)出Request(0，0)，指令標(biāo)簽鎖定ID序列的第3位。同理鎖定最高位為 0 的標(biāo)簽響應(yīng)該指令，即標(biāo)簽B直接被識別，沒有發(fā)生碰撞。

④手持設(shè)備對標(biāo)簽B完成讀寫操作。整個(gè)識別過程結(jié)束。

本文在多標(biāo)簽工作環(huán)境下，采用基于時(shí)分多址的確定性算法，有效提高了產(chǎn)品標(biāo)簽的識別率、準(zhǔn)確率和標(biāo)簽讀寫速度。

3.2 標(biāo)簽賦碼技術(shù)

手持設(shè)備賦碼技術(shù)也是手持設(shè)備追溯系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，用戶可以選擇待賦碼的標(biāo)簽類別，包括產(chǎn)品標(biāo)簽、箱體標(biāo)簽、托盤標(biāo)簽。若待賦碼標(biāo)簽為產(chǎn)品標(biāo)簽，具體的賦值數(shù)據(jù)由用戶界面輸入。用戶通過對標(biāo)簽進(jìn)行掃描，讀取標(biāo)簽的TID和EPC信息，最后對標(biāo)簽進(jìn)行賦碼操作，更新數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)品信息。

標(biāo)簽賦碼過程主要分為以下3個(gè)步驟。

①選擇待賦碼的標(biāo)簽類型，若為產(chǎn)品標(biāo)簽，需要從數(shù)據(jù)庫獲取產(chǎn)品標(biāo)簽的參數(shù)，并選擇待賦碼的產(chǎn)品參數(shù)。

②掃描待賦碼標(biāo)簽，即讀取標(biāo)簽的TID和EPC信息，根據(jù)選擇的參數(shù)構(gòu)造新EPC。

③根據(jù)用戶在賦碼界面選擇的產(chǎn)品標(biāo)簽各種信息，構(gòu)造新的產(chǎn)品標(biāo)簽EPC，將新的EPC寫入標(biāo)簽。接著調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信類將標(biāo)簽的TID和新的EPC關(guān)聯(lián)信息發(fā)送至代理服務(wù)器；代理服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品信息表。

賦碼操作，即將新構(gòu)造的EPC寫入標(biāo)簽的EPC區(qū)，并更新數(shù)據(jù)庫。

3.3 出入庫關(guān)聯(lián)技術(shù)

產(chǎn)品出入庫關(guān)聯(lián)用于實(shí)現(xiàn)箱體標(biāo)簽和托盤標(biāo)簽之間的關(guān)聯(lián)，通過手持設(shè)備讀取箱體標(biāo)簽信息，然后將此箱體放入叉車中。當(dāng)此過程結(jié)束后，將手持設(shè)備中讀取的箱體信息與叉車關(guān)聯(lián)，以便入庫。

產(chǎn)品出入庫流程如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品出入庫流程圖

3.4 終端查驗(yàn)

終端查驗(yàn)是追溯系統(tǒng)的具體體現(xiàn)。該功能是通過掃描產(chǎn)品標(biāo)簽，獲取產(chǎn)品標(biāo)簽中的信息，從而判斷產(chǎn)品的真?zhèn)巍Ｔ诰€查驗(yàn)實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫獲取相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)簽的所有參數(shù)信息。用戶選擇在線登錄模式進(jìn)入主功能界面，選擇終端查驗(yàn)功能，進(jìn)入終端查驗(yàn)界面。

終端查驗(yàn)時(shí)，掃描標(biāo)簽，觸發(fā)OnBnClickedButtonScan()響應(yīng)函數(shù)，調(diào)用CSDKHelper類中的ReadTagNoInf(CTag&tag,EnumTagTypetagType)讀取標(biāo)簽信息，返回一個(gè)CTag類對象m_tag，利用CTag類中的GetTID()和GetEPC()函數(shù)，獲取返回m_tag對象的TID和EPC；利用SetDlgItemText()函數(shù)，在終端查驗(yàn)頂端EditControl控件中顯示TID和EPC。

解析并顯示相關(guān)信息，根據(jù)返回的m_tag，調(diào)用CTag類中的GetTagType()函數(shù)獲取返回對象的標(biāo)簽類型。若為未知標(biāo)簽、箱體標(biāo)簽或托盤標(biāo)簽，則給出提示，不能正確解析標(biāo)簽信息；若為產(chǎn)品標(biāo)簽，則調(diào)用CDlgBottleInOutDB類中的GetNameFromID(intnID,CList &list)函數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品信息的編號獲取對應(yīng)的名字，輸入的第二個(gè)參數(shù)為CDlgBottleInOutDB類中的5個(gè)CList成員變量。最后調(diào)用SetDlgItemText()函數(shù)，將獲取的產(chǎn)品信息顯示到對應(yīng)的控件中，并呈現(xiàn)給用戶。

4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文采用多標(biāo)簽防碰撞算法等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用在食品安全防偽追溯的手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用在基于WinCE5.0平臺(tái)的智能設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問及數(shù)據(jù)交互功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基于RFID技術(shù)的手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)，采用基于多標(biāo)簽碰撞算法的防碰撞解決辦法；提出和設(shè)計(jì)的通信編碼協(xié)議，采用RFID標(biāo)簽，對食品從生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售等全生命周期進(jìn)行跟蹤追溯。

基于RFID技術(shù)的手持設(shè)備追溯管理系統(tǒng)已應(yīng)用于生產(chǎn)線管理、倉儲(chǔ)管理、終端查驗(yàn)等過程。應(yīng)用結(jié)果表明，該手持設(shè)備防偽追溯管理系統(tǒng)具有架構(gòu)簡潔、易于操作、維護(hù)和升級便捷、可攜帶、可擴(kuò)展及低成本等優(yōu)點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用推廣價(jià)值。

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DesignandImplementationoftheRFIDTraceabilityManagementSystemforHand-HeldDevices

ZHANGMinghu1，ZHANGWei2，YINXin3，QUZhan4

(1.TeachingGuidanceCenter,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China;2.InformationandCommunicationCompanyofGansuProvinceElectricCorporationofStateGrid,Lanzhou730030,China；3.TheInstituteofGansuProvinceLightIndustrialScientificResearch,Lanzhou730030，China;4.InstituteofScienceandTechnology,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China)

Inaccordancewiththecharacteristicsofradiofrequencyidentifiration(RFID)inaspectoftraceability,thatincludingcomplicatedworkingscene,highefficiencyandaccuracyfortagidentification,largesynchronousdataconcurrency,andtracingoriginofwholelifecycle,etc.,andconsideringtheunificationmanagementofthetracingsystemforsynchronizedsupporttotheproductionlineandwarehousing,andfulfillingwholelifecycleperiodicityandhighreliabilityofthesystem,asystemforsafetytraceabilityisproposedbasedonhighlyreliabledatacommunicationprotocolsandmultipletaganti-collisionalgorithm.ThetraceabilitysystemadoptsWinCE5.0handhelddevicesasaplatform,inputstheRFIDtechnology,toimplementvisualizationanalysisanduserinteractiveoperationforwholelifecycleinformation.MeasuredresultsverifythefeasibilityoftheRFIDwholelifecycleanti-counterfeitingtraceabilitysystemundercomplicatedenvironment,andshowthatusingRFIDtechnologywillbecomethedevelopingdirectionforanti-counterfeitingtraceabilitysystems.

Foodsafety;RFIDtechnology;Datacommunication;Remotedatabase;Warehousemangementsystem

張明虎(1986—)，男，碩士，講師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)采集與大數(shù)據(jù)應(yīng)用的分析和研究工作。E-mail：zmx396065442@163.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701014

修改稿收到日期:2016-05-10