基于RFID智能感知攝像機的溯源系統(tǒng)

桑海偉 趙 勇

1(貴州師范學院數(shù)學與大數(shù)據學院 貴州 貴陽 550025)2(北京大學深圳研究生院信息工程學院 廣東 深圳 518055)

0 引 言

近年來，畜產品的質量安全問題時有發(fā)生，從“口蹄疫”、“禽流感”、“垃圾豬”、“瘦肉精”到“毒火腿”等事件，導致消費者對畜產品的信心明顯不足[1]。而大多農戶飼養(yǎng)方式采用天然放養(yǎng)，產品優(yōu)質健康，但存在規(guī)模小、信息化程度低等問題，導致優(yōu)質產品附加值得不到認可。由于誠信體系不健全，需要借助溯源來取得消費者的信任，進而提升產品附加值，而視頻是溯源中取得消費者認可的最有效手段。但視頻監(jiān)控存儲和傳輸成本高，每個攝像頭每月產生大約1 TB的視頻數(shù)據，溯源成本高。因此，現(xiàn)有絕大數(shù)溯源系統(tǒng)存在消費者只能查看產地信息或者查看整個飼養(yǎng)環(huán)境的概況信息，不能查看購買產品詳細信息。設計基于RFID智能感知攝像機的溯源系統(tǒng)，采用養(yǎng)殖信息定量采集，通過RFID實現(xiàn)牲畜的身份識別[2]，并將識別的牲畜信息上傳到管理平臺，查看該牲畜是否已經采集當天的活動信息，再通過聯(lián)動控制攝像頭實現(xiàn)活動信息采集。借助GPRS實現(xiàn)活動信息無線傳輸，極大降低視頻成本，自動生成畜產品個性化檔案，實現(xiàn)禽畜養(yǎng)殖信息的透明度化。消費者可以通過手機、計算機等終端，查詢購買的畜產品的養(yǎng)殖環(huán)境和生長過程活動信息，為消費者提供消費知情渠道增加消費信心，從而達到提高優(yōu)質、健康畜產品的附加值的目的。

1 溯源系統(tǒng)架構

本溯源系統(tǒng)架構如圖1所示，系統(tǒng)由溯源管理平臺、網關、RFID、攝像頭、GPRS等組成，系統(tǒng)采用溯源管理平臺、網關、終端三級結構。

圖1 系統(tǒng)框架

1) 管理平臺 管理平臺的設計充分考慮系統(tǒng)目標、用戶權限、業(yè)務處理等方面的因素，按照“高內聚，低耦合”的原則進行設計。包含系統(tǒng)運行管理、后臺管理、養(yǎng)殖戶或公司管理、二維碼管理、產品追溯、產品展示和基礎信息管理等。

2) 網關 網關是溯源中重要的組成部分，完成多種類型感知網絡之間的協(xié)議轉換，是傳統(tǒng)互聯(lián)網與無線傳感網通信的紐帶。一方面能夠在多種通信協(xié)議和通信標準之間轉換和互通；另一方面必須具備強大的網絡管理能力，進行節(jié)點信息的獲取、遠程喚醒、狀態(tài)監(jiān)控等。

3) 終端 分為采集終端和用戶終端，采集終端實現(xiàn)牲畜飼養(yǎng)過程各個階段信息采集，用戶終端實現(xiàn)畜產品各個階段信息查詢。其中采集終端給每一個牲畜佩戴一個RFID電子標簽用于區(qū)分每一個牲畜，當牲畜在RFID讀寫器覆蓋范圍時，會觸發(fā)讀寫器[3]，讀寫器讀取唯一編號后進行匹配，匹配成功后觸發(fā)聯(lián)動裝置攝像頭進行拍照，并通過GPRS上傳到溯源管理平臺。溯源服務管理平臺可以接入多個公司或者農戶溯源服務終端，消費者通過掃描二維碼查詢所購畜產品的生長過程信息。

2 軟件技術框架

采用WebSercice技術，實現(xiàn)分布式互操作的應用程序，實現(xiàn)PC端和手機端統(tǒng)一接口訪問數(shù)據庫，Tomcat集群配置部署，支持高并發(fā)多用戶。嚴格遵循Web安全規(guī)范，前后臺雙重驗證，密碼md5加密存儲，參數(shù)編碼傳輸，shiro權限驗證，從根本上避免了XSS攻擊、SQL注入、CSRF攻擊等Web攻擊手段。

軟件技術結構設計遵循國家電子政務規(guī)范五層兩翼的設計思想，在結構上共分為三層，即：“基礎層”、“服務層”和“應用層”。溯源管理平臺建設采用的技術架構如圖2所示。

圖2 軟件技術框架

各層的描述分別如下：

1) 基礎層(IaaS) 提供資源管理、數(shù)據存儲、計算處理、網絡和安全等。采用ANginx+tomcat集群進行負載均衡、安全控制和分布式存儲等技術，為溯源數(shù)據處理提供強大的基礎支撐。

2) 服務層(PaaS) 依托基礎層，為數(shù)據應用提供數(shù)據交換、數(shù)據管理、數(shù)據融合、數(shù)據挖掘、數(shù)據共享和數(shù)據分析等服務。

3) 應用層(SaaS) 搭建溯源管理平臺。應用系統(tǒng)包括以溯源管理為主要內容的業(yè)務管理系統(tǒng)，以決策管理為目標的報表統(tǒng)計分析系統(tǒng)和面向用戶的智能移動信息服務系統(tǒng)三部分組成[7]。

3 系統(tǒng)平臺

溯源系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。硬件部分實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境信息的采集和監(jiān)控，真實記錄飼養(yǎng)環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的真實可靠性。軟件部分實現(xiàn)業(yè)務的管理，是系統(tǒng)的核心部分。實現(xiàn)畜產品的可追溯信息化管理。

3.1 硬件設計

基于RFID智能感知攝像機的硬件電路包含：STM32主控模塊、RFID讀卡器識別模塊、攝像機模塊、GPRS模塊等。

3.1.1 控制模塊

控制模塊采用STM32F103ZET6，如圖3所示，數(shù)據總線寬度32 bit，最大時鐘頻率72 MHz，程序存儲器大小為512 KB，外圍接口豐富，性能穩(wěn)定，性價比高[1]。

圖3 控制模塊電路圖

3.1.2 RFID讀卡器識別模塊

E05-MLE132AP2是一款2.4 GHz無線模塊，發(fā)射功率100 mW，具有收發(fā)一體、性能穩(wěn)定、通信速率高的特點。支持SPI、I2C、ADC、USART等多種應用接口，集成帶通濾波器等，體積更小，性能也大幅度提升。連接電路如圖4所示。RXEN引腳為低電平時，關閉LNA，反之打開LNA，能夠靈活地控制功耗。

圖4 讀卡器識別模塊電路圖

3.1.3 GPRS通信模塊

由于STM32的串行口UART提供TTL電平標準，而GPRS模塊采用RS232電平標準的串行通信口，需要搭建TTL-RS232電平轉換模塊實現(xiàn)兩者通信，如圖5所示。GPRS模塊EM310內部封裝了點對點撥號協(xié)議以及TCP/IP通信協(xié)議，有效節(jié)約了成本在硬件構成上。

圖5 RS232與GPRS連接接口電路圖

3.2 軟件設計

3.2.1 RFID定位算法

RFID通過無線射頻信號進行數(shù)據的交互。目前有兩種方式計算標簽的位置。一種算法的基本原理是由數(shù)個不同位置的射頻信號接收器，根據不同位置的接收器接收到的信號強度不同，進而推斷出發(fā)射出射頻 (RF)信號物體的坐標。這種方式需要多個接收器，成本比較高。另外一種方式是在多個固定位置放置參考標簽，根據接收器讀取到不同位置的標簽的信號強度來計算標簽位置，與上一種方式相比，可以節(jié)省接收器的個數(shù)，而且達到較高的精準度[9]。

為節(jié)省溯源成本，本系統(tǒng)采用第二種方式，流程如圖6所示。

圖6 LANDMARC算法改進流程圖

由于接收器讀取數(shù)值具有離散性，會導致位置計算過程中存在異常關聯(lián)度，定位穩(wěn)定性不能得到有效保障。受電磁波的反射、折射以及多徑效應等因素的影響，參考標簽信號強度值也會發(fā)生一定的偏差,將造成的定位坐標誤差更大。為了提高系統(tǒng)定位精度, 減輕外界干擾因素對坐標計算精度的影響,在LANDMARC算法獲取理論坐標的基礎上[6，10],采用自修復機制進行坐標修復,將誤差較大的參考標簽移除，獲得更加精準的位置信息，其中坐標修復過程具體流程如下:

(1) 根據LANDMARC算法選擇K個參考標簽，根據加權求和公式計算目標理論位置。

(2) 根據得到的目標理論位置，獲取與目標理論位置最近N個參考標簽的位置。

(3) 對獲得N個參考標簽也采用步驟(1)的方法，對N個參考標簽的坐標位置進行理論位置的計算,如果偏差超過設定比例，則將其剔除，選擇M個參考標簽。

(4) 計算M個標簽理論坐標位置與實際的坐標位置的平均差值。

(5) 將計算的理論位置進行修復，得到目標的坐標位置。

3.2.2 數(shù)據采集終端和消費者查詢終端

使用RFID電子標簽給每只牲畜賦予唯一的電子身份證，RFID和攝像頭可以實現(xiàn)自動聯(lián)動，當攜帶電子標簽的牲畜經過RFID讀寫器所在的區(qū)域內，自動啟動攝像頭進行拍照，并查詢是否當天已經采集該牲畜的活動信息，如果沒有上傳則上傳到服務器，建立牲畜的活動檔案，具體流程如圖7所示。用戶購買產品后，通過掃描二維碼，管理平臺查詢該二維碼對應的信息進行匹配，如果查詢到該信息則返回該牲畜的個性化檔案信息，否則給予提醒該產品查不到相關信息謹防假冒[7]，具體流程如圖8所示。

圖7 聯(lián)動采集模塊流程圖

圖8 用戶查詢流程圖

4 結 語

通過改進的LANDMARC的RFID定位算法，利用RFID的唯一性，精準定位到每一頭牲畜。通過RFID聯(lián)動控制攝像頭，RFID讀寫器識別到該牲畜的身份后，通過服務管理查詢是否已經記錄當天的活動信息，使采集量變?yōu)樵鹊?%左右的數(shù)據量，極大地降低了存儲和傳輸成本，采集牲畜的個性化檔案信息，實現(xiàn)低成本追溯查詢,保證消費者的知情權,提升消費信心,提高畜牧產品的公信力[5]。并且，攝像頭的能耗大大降低，為山區(qū)不能布電線只能利用太陽能為溯源采集終端供電提供了可能性，具有較強的理論價值和使用價值。