茶葉防偽溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

趙雷 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 南昌市 330045

肖鳳蓮 樂博昊 華東交通大學(xué) 南昌市 330013

0 引言

中國擁有悠久的茶文化，并且經(jīng)常喝茶也有降低人體內(nèi)固醇，防治心肌梗塞 的作用，因此飲茶也逐漸成為許多人的一種生活習(xí)慣。

由于茶葉的消費(fèi)量的不斷提高，越來越多的消費(fèi)者投入更多的金錢來消費(fèi)茶葉。但是好茶葉數(shù)量少，并且價(jià)格不菲，加上現(xiàn)如今加之目前茶葉污染問題嚴(yán)重，茶葉的價(jià)格更是不斷攀升。因此許多不良商家看到了巨大的商機(jī)，盜用知名品牌，生產(chǎn)假冒偽劣茶葉。假冒偽劣產(chǎn)品以次充好，不但損害消費(fèi)者的權(quán)益，而且破壞了原本正版商品品牌的價(jià)值。因此需要一套防偽溯源系統(tǒng)來降低假冒偽劣產(chǎn)品在市場上流通的可能性?，F(xiàn)階段使用的防偽技術(shù)的效果并不能很好抑制假冒偽劣產(chǎn)品的流通。現(xiàn)階段的防偽技術(shù)主要是在外包裝上進(jìn)行特殊的標(biāo)注，這些技術(shù)很容易被破解，從而讓人把這些“山寨”產(chǎn)品視為正品。

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一種基于RFID和無線感知網(wǎng)絡(luò)的茶葉防偽溯源系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對茶葉生長環(huán)境和運(yùn)輸環(huán)境等的數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)和共享。相較于傳統(tǒng)的防偽溯源系統(tǒng)，本系統(tǒng)將記錄從茶葉的生長一直消費(fèi)者獲取茶葉手上這整個(gè)過程的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者可以查看茶葉的生長過程的情況，不必?fù)?dān)心是否有食品安全的問題。另外每份茶葉都有自己獨(dú)有的“身份證”，這個(gè)“身份證”不會(huì)被破解。而假冒偽劣的茶葉不會(huì)擁有這個(gè)“身份證”，這樣可以有效識別正品與山寨品。

因此，使用茶葉防偽溯源系統(tǒng)即可以減輕消費(fèi)者對的茶葉食品安全問題的顧慮，又可以降低買到假冒偽劣產(chǎn)品的可能性，具有廣闊的市場應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

茶葉防偽溯源系統(tǒng)由無線感知網(wǎng)絡(luò)、RFID防偽平臺和溯源信息管理平臺三部分組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線感知網(wǎng)絡(luò)可采集茶園環(huán)境和傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)或直接傳輸至網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器，各節(jié)點(diǎn)之間的通信通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換后，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，在服務(wù)器端把接收到的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件顯示，管理員可以在上位機(jī)上查看管理數(shù)據(jù)。RFID防偽平臺負(fù)責(zé)對商品上的RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行防偽溯源信息的寫入并上傳至溯源信息管理平臺。溯源信息管理平臺分為溯源信息錄入及二維碼生成兩部分。溯源信息錄入主要為茶葉生產(chǎn)商信息及茶葉信息錄入；二維碼生成部分負(fù)責(zé)將茶園無線感知網(wǎng)絡(luò)和RFID防偽平臺上傳的信息生成二維碼。另外顧客也可以通過手機(jī)等終端設(shè)備登陸系統(tǒng)服務(wù)器指定的網(wǎng)頁，就可獲取所購買的茶葉生長環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線感知網(wǎng)絡(luò)

無線感知網(wǎng)絡(luò)分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要功能是采集茶園的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)上傳至協(xié)調(diào)器。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)圖

各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成了中層GPRS網(wǎng)絡(luò)。它主要由協(xié)調(diào)器、ARM處理器、GPRS模塊和電源子系統(tǒng)組成。協(xié)調(diào)器接收底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)ARM處理器處理后用GPRS模塊發(fā)射出去。因此，網(wǎng)關(guān)主要解決了底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與中層GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)、通信問題。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 RFID防偽平臺

RFID防偽平臺負(fù)責(zé)對商品上的RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行防偽溯源信息（生產(chǎn)日期、物流信息等）的寫入并上傳至溯源信息管理平臺。為了實(shí)現(xiàn)溯源這項(xiàng)功能, 采集成功的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行相應(yīng)的處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。防偽平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 RFID防偽平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

茶葉防偽追溯系統(tǒng)軟件包括兩部分：是硬件驅(qū)動(dòng)程序；二是上位機(jī)軟件。硬件驅(qū)動(dòng)程序包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、傳輸程序以及ARM網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)程序、RFID防偽平臺驅(qū)動(dòng)程序三個(gè)部分。上位機(jī)軟件采用這里主要用到的是PHP和HTML開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)查詢監(jiān)測頁面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及傳輸程序

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要功能是采集茶園的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)上傳至協(xié)調(diào)器。其工作流程如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)采集工作流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)程序

各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成了中層GPRS網(wǎng)絡(luò)。它主要由協(xié)調(diào)器、ARM處理器、GPRS模塊和電源子系統(tǒng)組成。協(xié)調(diào)器接收底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)ARM處理器處理后用GPRS模塊發(fā)射出去。因此，網(wǎng)關(guān)主要解決了底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與中層GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)、通信問題。網(wǎng)關(guān)工作流程如圖6所示：

圖6 網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

3.3 RFID防偽平臺驅(qū)動(dòng)程序

RFID防偽平臺負(fù)責(zé)對商品上的RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行防偽溯源信息（生產(chǎn)日期、物流信息等）的寫入并上傳至溯源信息管理平臺。RFID防偽平臺工作流程如圖7所示：

圖7 RFID防偽平臺工作流程圖

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器從各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取采集到的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)功能。上位機(jī)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取對應(yīng)數(shù)據(jù)，并且與web前端共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)軟件由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)接收部分實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件從網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理則主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息的網(wǎng)頁顯示；數(shù)據(jù)管理利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便未來用戶查詢相關(guān)數(shù)據(jù)以及后期處理。另外客戶端在任何時(shí)間地點(diǎn)只要掃描商品二維碼或者登陸系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)頁，就可獲取所購買的茶葉整個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

溯源信息管理平臺分為溯源信息導(dǎo)入及二維碼生成兩部分。溯源信息導(dǎo)入主要為茶葉生產(chǎn)商信息、茶葉商品信息導(dǎo)入；二維碼生成部分負(fù)責(zé)將茶園無線感知網(wǎng)絡(luò)和RFID防偽平臺上傳的信息結(jié)合導(dǎo)入的商品信息最終生成二維碼。溯源信息管理平臺流程圖如圖8所示：

圖8 溯源信息管理平臺流程圖

4 茶葉防偽追溯系統(tǒng)測試結(jié)果

本章主要介紹茶葉防偽溯源的信息管理平臺和手機(jī)端的演示。

4.1 溯源信息管理平臺實(shí)現(xiàn)

（1）用戶登陸界面

用戶登陸界面如圖9所示：

圖9 登陸界面

（2）生產(chǎn)基地相關(guān)配置功能展示

每個(gè)生產(chǎn)地包含多個(gè)生產(chǎn)片區(qū)，生產(chǎn)基地主要記錄了聯(lián)系人，聯(lián)系電話，所屬區(qū)域等，如圖10所示：

圖10 生產(chǎn)地信息顯示

（3）種植環(huán)節(jié)相關(guān)信息配置界面展示

生產(chǎn)過程操作記錄如圖11所示：

圖11 生產(chǎn)過程操作記錄

（4）二維碼生產(chǎn)界面

防偽二維碼生成界面如圖12所示：

圖12 二維碼生成界面

4.2 手機(jī)端實(shí)現(xiàn)

茶葉防偽溯源系統(tǒng)的手機(jī)端由與生產(chǎn)相關(guān)和與查詢防偽相關(guān)兩部分組成：

（1）生產(chǎn)相關(guān)

在傳統(tǒng)溯源過程中，使用人工進(jìn)行手寫記錄是生產(chǎn)階段信息監(jiān)測的常態(tài)，人工手寫的方式不但效率較為低下并且往往具有一定的錯(cuò)誤率。所以本設(shè)計(jì)將使用二維碼掃碼進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，使得數(shù)據(jù)的記錄方式從人工手寫記錄轉(zhuǎn)為數(shù)字化的方式，來提高數(shù)據(jù)錄入效率和準(zhǔn)確率。針對相關(guān)數(shù)據(jù)查詢的手機(jī)端的實(shí)現(xiàn)方式通過不同階段的掃碼來與服務(wù)器端自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，從而實(shí)現(xiàn)茶葉信息的溯源。手機(jī)客戶端掃碼流程實(shí)現(xiàn)界面如下所示。

圖13 手機(jī)端登陸界面

圖14 掃碼演示圖

（2）防偽和溯源信息查詢客戶端

該客戶端主要針對消費(fèi)者進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售各個(gè)階段的實(shí)時(shí)溯源信息的查詢和展示工作，通過掃碼進(jìn)行信息的自動(dòng)查詢。主要的界面如下圖所示：

圖15 防偽信息溯源查詢界面

圖16 產(chǎn)品相關(guān)信息界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對茶葉生長環(huán)境信息（如CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、空氣溫濕度等）的穩(wěn)定監(jiān)測與收集，RFID電子標(biāo)簽與二維碼配套使用，使商品具有一定程度的防偽性。應(yīng)用該系統(tǒng)，能幫助園主更加方便的種植管理茶葉，提高茶葉優(yōu)產(chǎn)率；讓消費(fèi)者便捷獲知商品信息，保障消費(fèi)者知情權(quán)，以購買到優(yōu)質(zhì)正品茶葉，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)產(chǎn)優(yōu)購”。