基于WSN和RFID的稻米溯源系統(tǒng)設(shè)計*

苗鳳娟，蘆曉旭，陶佰睿

(1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)教務(wù)處，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

當(dāng)前，農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、儲運、加工和銷售等環(huán)節(jié)存在的質(zhì)量安全隱患問題越來越受到人們關(guān)注.特別是通過電子商務(wù)渠道銷售的農(nóng)產(chǎn)品，因為消費者和生產(chǎn)者之間的買賣通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題后容易引起糾紛，所以限制了農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)的快速發(fā)展[1-2].為此，筆者以稻米生產(chǎn)和銷售全產(chǎn)業(yè)鏈條溯源為例，擬設(shè)計一個基于WSN和RFID技術(shù)的稻米溯源系統(tǒng)，從農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)源頭開始，到農(nóng)產(chǎn)品所經(jīng)工序、環(huán)節(jié)均可查詢，從而約束生產(chǎn)者不依標(biāo)生產(chǎn)的行為、打消人們對食品安全的顧慮.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

圖1 稻米溯源系統(tǒng)的總體設(shè)計Fig. 1 Overal Design of Rice Traceability System

稻米的生產(chǎn)加工過程比其他糧食作物復(fù)雜.影響稻米品質(zhì)的因素是多重的，因此要嚴(yán)格遵守規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)來監(jiān)測稻米的培育、生產(chǎn)、加工、運輸和銷售環(huán)節(jié)，確保萬無一失[3-4].稻米溯源系統(tǒng)的設(shè)計基于北方的農(nóng)業(yè)環(huán)境，以齊齊哈爾地區(qū)的稻田為例.稻米溯源系統(tǒng)的核心功能是讓消費者通過手機讀取稻米的編碼，便捷地獲取溯源信息.稻米溯源系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示.

種植環(huán)節(jié)中，監(jiān)控稻米的生長環(huán)境，通過傳感器采集稻米的生長數(shù)據(jù).存儲環(huán)節(jié)中，入庫前讀取RFID編碼以獲取稻米數(shù)據(jù)，確保配送袋編碼與檢測指標(biāo)一致；入庫后利用WSN技術(shù)監(jiān)控環(huán)境；出庫時將具體流向等配送信息關(guān)聯(lián)到RFID標(biāo)簽里，建立消費信息與配送信息的關(guān)聯(lián).加工環(huán)節(jié)中，從稻米抵達加工廠進行檢測到產(chǎn)品出庫配送的過程中的信息數(shù)據(jù)，以RFID技術(shù)為載體來實現(xiàn)稻米信息的追溯.運輸環(huán)節(jié)中，控制溫濕度，避免稻米變質(zhì).封箱/袋的稻米貼有RFID標(biāo)簽，運輸場所配備RFID標(biāo)簽讀寫器，用來讀取外包裝上的標(biāo)簽信息.銷售環(huán)節(jié)中，商家將商品銷售信息寫入RFID標(biāo)簽中，在退貨和商品召回時可根據(jù)RFID標(biāo)簽的內(nèi)容追溯全過程.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 終端節(jié)點電路設(shè)計

終端節(jié)點的作用是感知、采集并處理外界物理量，其電路設(shè)計至關(guān)重要.終端節(jié)點電路如圖2所示.傳感器與終端節(jié)點相連，通過終端節(jié)點可以完成信息采集.

圖2 終端節(jié)點電路Fig. 2 Endpoint Circuit Diagram

2.2 協(xié)調(diào)器電路設(shè)計

協(xié)調(diào)器擔(dān)負(fù)著建立和管理網(wǎng)絡(luò)的責(zé)任，保證系統(tǒng)正常工作.將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點傳到協(xié)調(diào)器并進行數(shù)據(jù)匯總，再通過串口與上位機連接.協(xié)調(diào)器主要由CC2530芯片，以及穩(wěn)壓電路、復(fù)位電路、供電狀態(tài)指示電路和USB轉(zhuǎn)串口電路等外圍電路組成.協(xié)調(diào)器的電路原理如圖3所示.

圖3 協(xié)調(diào)器電路Fig. 3 Coordinator Circuit Diagram

2.3 路由器電路設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)中，路由節(jié)點的作用是轉(zhuǎn)發(fā)和擴大通信的距離.與終端節(jié)點不同的是，路由節(jié)點沒有傳感器接口電路和蜂鳴器報警電路，但是有核心板接口、開關(guān)和復(fù)位按鍵.路由節(jié)點的電路原理如圖4所示.

圖4 路由模塊電路Fig. 4 Routing Module Circuit Diagram

2.4 接口電路設(shè)計

2.4.1 空氣溫濕度傳感器 DHT11的供電電壓為3～5.5 V.在電源引腳之間加1個100 μF的電容用以去耦濾波.DHT11的外圍電路(圖5)由DHT11和1個10 kΩ電阻組成.DHT11采集當(dāng)前環(huán)境的參數(shù)并以數(shù)字信號傳輸，傳感器直接連接CC2530，實現(xiàn)溫濕度的數(shù)據(jù)采集和傳送.

2.4.2 水溫傳感器 DS18B20通過偏上溫度測量技術(shù)進行溫度測量.DS18B20電路如圖6所示，1，3腳接電源，2腳為數(shù)據(jù)信號線，可直接連接ZigBee節(jié)點，測量稻田水溫是否在最優(yōu)范圍內(nèi).

圖5 DHT11電路Fig. 5 DHT11 Circuit Diagram

圖6 DS18B20溫度傳感器電路Fig. 6 DS18B20 Temperature Sensor Circuit Diagram

2.4.3 土壤濕度傳感器 土壤濕度傳感器用于稻米育苗時檢測土壤的濕度情況，將濕度信息傳送至ZigBee節(jié)點.當(dāng)濕度過低時系統(tǒng)啟動補水灌溉設(shè)備；當(dāng)土壤濕度達到一定數(shù)值時，關(guān)閉補水灌溉設(shè)備.土壤濕度傳感器電路如圖7所示.LM393是一個雙電壓比較器，可以比較2，3引腳的電壓，1引腳根據(jù)結(jié)果輸出0或1.通過調(diào)節(jié)滑動變阻器VR來改變2引腳的電壓，達到設(shè)置土壤濕度閾值的目的.

圖7 土壤濕度傳感器電路Fig. 7 Soil Moisture Sensor Circuit Diagram

2.4.4 酸堿pH值傳感器 這個部分由pH值檢測采集傳感器模塊和E-201-C型號的pH值電極組成.pH值電極電路如圖8所示.pH值檢測采集傳感器模塊所檢測的液體pH值范圍大，模擬電壓信號串口輸出，響應(yīng)時間短.使用該模塊前，要通過通信測試、pH值測試和pH值校正后，才能獲取正確的pH值.

圖8 pH值電極電路Fig. 8 pH Electrode Circuit Diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

組網(wǎng)時采用分簇自組網(wǎng)的方式.分簇網(wǎng)絡(luò)由多個簇團組成，每個簇團都有1個匯聚節(jié)點，簇團間采用叉雙鏈的通信方式.將監(jiān)控范圍分區(qū)，各區(qū)看成一個簇，各簇中都有簇首節(jié)點來上傳信息.稻米溯源網(wǎng)絡(luò)地塊數(shù)量多，可將每個地塊看作是一個簇.WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D9所示.該網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自恢復(fù)功能，可保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，且功耗低.

圖9 WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig. 9 WSN Network Topology Design

3.2 協(xié)議棧設(shè)計

協(xié)議棧是協(xié)議的實現(xiàn)，是代碼、函數(shù)庫，供上層應(yīng)用調(diào)用[5].整個ZStack的程序流程分為關(guān)閉所有中斷、芯片外部初始化、芯片內(nèi)部初始化、初始化操作系統(tǒng)、打開所有中斷和執(zhí)行操作系統(tǒng)6步.

3.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要采集空氣溫濕度、水溫、土壤濕度和pH值.傳感器數(shù)據(jù)采集程序流程如圖10所示.

圖10 傳感器數(shù)據(jù)采集程序流程Fig. 10 Flow Chart of Sensor Data Acquisition Program

3.4 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)回傳至電腦端顯示.協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收程序流程如圖11所示.

圖11 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序流程Fig. 11 Flow Chart of Data Transmission and Acceptance of Coordinator Send and Receive Program

3.5 RFID溯源程序設(shè)計

在頁面上實現(xiàn)RFID讀寫命令，需將 RFID的讀寫操作制作成一個用戶控件.在用戶控件中調(diào)用RFID讀寫器驅(qū)動程序中的API方法，然后使用這個用戶控件.RFID讀寫程序流程如圖12所示.

圖12 RFID讀寫程序流程Fig. 12 Flow Chart of RFID Reading and Writing Program

4 系統(tǒng)調(diào)試

傳感器與終端節(jié)點連接后通過協(xié)調(diào)器回傳，將采集的數(shù)據(jù)在串口上顯示.打開串口調(diào)試助手，選擇好波特率，即可顯示環(huán)境數(shù)據(jù).RFID模塊調(diào)試采用單片機最小系統(tǒng)模塊控制RFID的讀卡動作并處理數(shù)據(jù)，最小系統(tǒng)再與ZigBee模塊連接，然后讓ZigBee模塊通過協(xié)調(diào)器與電腦進行數(shù)據(jù)交換，即可將錄入信息顯示在上位機.RFID模塊的程序使用Keil軟件編寫.經(jīng)測試，各模塊的各種功能基本達到預(yù)期的要求.

5 結(jié)語

針對人們?nèi)找骊P(guān)心的食品安全問題，選取稻米為研究對象，綜合運用WSN和RFID技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了稻米溯源系統(tǒng).隨著政府越來越重視農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，與溯源有關(guān)的法律法規(guī)會越來越完善，有關(guān)部門在農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)方面的投入也會越來越多.同時，隨著各個農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)試點的運營時間不斷增加，各地農(nóng)業(yè)部門積累的經(jīng)驗會越來越多.相信在不久的將來，通過覆蓋面積廣、平臺統(tǒng)一的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，一定可以提升企業(yè)品牌影響力和產(chǎn)品市場競爭力，增加消費者的購買動機和消費信心.