豬肉溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

魏雅

摘 ? 要：針對食品質(zhì)量安全問題，結(jié)合目前各地區(qū)溯源系統(tǒng)中存在的問題，以豬肉溯源為例，設(shè)計(jì)了豬肉溯源系統(tǒng)。系統(tǒng)從生豬的養(yǎng)殖、屠宰、加工、運(yùn)輸，最終到零售，進(jìn)行各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點(diǎn)設(shè)計(jì)研究了Web平臺，二進(jìn)制樹搜索算法，數(shù)據(jù)庫等，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的全部功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溯源系統(tǒng);通信技術(shù);二進(jìn)制樹搜索算法

隨著人們生活水平的提高，對食品質(zhì)量安全的需求愈加凸顯，從國家到地方，都高度重視食品質(zhì)量安全監(jiān)管及追溯。豬肉作為人們舌尖上的一道美食，更應(yīng)該保證其食用安全性。所以建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)的豬肉跟蹤與溯源系統(tǒng)，不但能讓消費(fèi)者買得放心、吃得放心，還能加強(qiáng)企業(yè)的監(jiān)管力度，提高國民收入，保障國家安全穩(wěn)定。本系統(tǒng)在前人研究的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，在保障豬肉質(zhì)量和控制豬肉安全方面，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 ? ?系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)按照典型的物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層模式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，圍繞著數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建。

（1）感知層：通過傳感器等智能終端，對豬個體、豬肉及物流的信息進(jìn)行采集，同時(shí)，接收上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的控制信息，完成相應(yīng)的執(zhí)行動作，還可以進(jìn)行短距離無線通信。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：由互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞。負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，使物體能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的通信。

（3）應(yīng)用層：是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，用戶借助Web客戶端和手機(jī)端，完成對豬個體及豬肉信息的匯總、分析、查詢等功能。用戶可根據(jù)溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鑒定豬肉質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，為消費(fèi)者提供放心服務(wù)。企業(yè)可以對不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析，來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖業(yè)和豬肉的供應(yīng)情況，獲取最大利潤。

1.2 ?系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)、常用的二維碼技術(shù)以及具有跨平臺、不受操作系統(tǒng)和開發(fā)平臺制約的Java語言完成動態(tài)Web的開發(fā)[1]。詳細(xì)設(shè)計(jì)MySQL數(shù)據(jù)庫存儲采集到的信息以被溯源查詢，采用二進(jìn)制樹搜索算法來提高RFID標(biāo)簽識別效率。開發(fā)Android手機(jī)平臺客戶端、PC端，實(shí)現(xiàn)豬肉溯源系統(tǒng)的系統(tǒng)管理、信息維護(hù)、信息查詢模塊功能，完成對生豬養(yǎng)殖信息、屠宰加工信息、檢疫檢驗(yàn)信息、物流倉儲信息、銷售信息的錄入與修改，實(shí)現(xiàn)信息查詢的功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 ? ?系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，其系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成。因其有識別迅速、形狀大小不受限制、操作性比較強(qiáng)、比較耐用、抗干擾能力較強(qiáng)、存儲信息量大、存儲信息可以隨意修改等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智慧交通、智慧城市、智能圖書館、物流運(yùn)輸、醫(yī)藥及食品生產(chǎn)等行業(yè)，且效果顯著。RFID在豬肉溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示。其中，實(shí)線箭頭表示追蹤過程，虛線箭頭表示追溯過程。

2.2 ?RFID防碰撞算法研究

2.2.1 ?防碰撞現(xiàn)象

在RFID系統(tǒng)應(yīng)用中，碰撞分為標(biāo)簽碰撞和讀寫器碰撞兩種。在發(fā)送信息和接收信息過程中，本來在特定時(shí)間，只能是一個標(biāo)簽與對應(yīng)閱讀器建立通信，但在系統(tǒng)中出現(xiàn)一個終端采集器對應(yīng)很多個保存有豬個體和豬肉信息的RFID標(biāo)簽，也就是出現(xiàn)了多個標(biāo)簽對單一閱讀器信道進(jìn)行競爭的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱之為標(biāo)簽碰撞。另外，一個特定的標(biāo)簽反射到讀寫器的信號很容易被另外讀寫器發(fā)出的信號干擾，特定的標(biāo)簽接收到的信息為兩個讀寫器發(fā)射信號的矢量和，是一個未知信號，導(dǎo)致出現(xiàn)了多個讀寫器對一個標(biāo)簽的干擾，這種現(xiàn)象被稱為讀寫器碰撞。

2.2.2 ?防碰撞算法的選擇

在RFID系統(tǒng)中，可以采用多址復(fù)用的方式解決由于讀寫器信道引起的碰撞問題。通過分析采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA），即對所有標(biāo)簽，在某個時(shí)間內(nèi)建立唯一的閱讀器和標(biāo)簽的通信關(guān)系，可以很好地解決標(biāo)簽碰撞問題。標(biāo)簽防碰撞算法有基于TDMA的ALOHA系列的算法和二進(jìn)制防碰撞系列算法，兩種算法只需知道標(biāo)簽的數(shù)量，就能很好地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。但相比之下二進(jìn)制樹型搜索法更能快速、準(zhǔn)確地識別對應(yīng)的標(biāo)簽[2]。二進(jìn)制搜索算法的工作流程如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)為n，標(biāo)簽長度為L時(shí)，所有的標(biāo)簽被讀取成功所需要的搜索次數(shù)：

吞吐率為： ?（2）

總的傳輸數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)為：

因在識別標(biāo)簽時(shí)，讀寫器要多次發(fā)送請求碼給標(biāo)簽，浪費(fèi)時(shí)間、效率較低。

2.2.3 ?改進(jìn)的二進(jìn)制樹搜索算法

當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較多時(shí)，每次都要從頭搜索會出現(xiàn)多余數(shù)據(jù)并浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)，只要發(fā)生標(biāo)簽碰撞，就把碰撞的最高位設(shè)為0，高于該位的數(shù)不變，產(chǎn)生新的請求碼;再和新的請求碼進(jìn)行比較，每次ID最小的標(biāo)簽應(yīng)答后，返回父節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，讀寫器無需每次都要發(fā)送最大序列號請求碼。這樣，識別所有標(biāo)簽需搜索次數(shù)t=2×n-1，識別一個標(biāo)簽平均查詢次數(shù)v=（2×n-1）÷n，則吞吐率為s=n÷（2×n-1）。

經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量較大時(shí)，改進(jìn)后的算法效率更高。因系統(tǒng)中標(biāo)簽數(shù)較多，所以系統(tǒng)使用改進(jìn)后的二進(jìn)制算法可以提高RFID的工作效率。

2.3 ?socket ?通信

本系統(tǒng)選擇了基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的socket通信協(xié)議，以保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的正確可靠性，確保實(shí)時(shí)的通信質(zhì)量。

3 ? ?系統(tǒng)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

3.1 ?系統(tǒng)總體工程實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在創(chuàng)建項(xiàng)目前，先設(shè)置好端口。選擇功能強(qiáng)大、操作簡單、運(yùn)行速度快、占用資源少的Eclipse作為開發(fā)工具，應(yīng)用Java語言完成對應(yīng)程序的設(shè)計(jì)并運(yùn)行，通過系統(tǒng)提供的溯源網(wǎng)址來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的編輯，查詢等功能。

3.2 ?通信及服務(wù)器設(shè)置

本系統(tǒng)選擇了基于TCP/IP協(xié)議的socket通信協(xié)議，以保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的正確可靠性，確保實(shí)時(shí)的通信質(zhì)量。使用Web服務(wù)器，當(dāng)客戶端發(fā)送請求網(wǎng)址給服務(wù)器端時(shí)，服務(wù)器就轉(zhuǎn)換、翻譯.JSP文件，再執(zhí)行.class文件。

3.3 ?數(shù)據(jù)庫管理實(shí)現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)原則[3]和系統(tǒng)軟硬件的實(shí)際需求，本系統(tǒng)選用管理方便、操作簡單、運(yùn)行速度高效、成本低的且可靠性高的MySQL數(shù)據(jù)庫。選用Navicat Lite 9.0作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理軟件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)執(zhí)行增、刪、改、查等操作，用它建立的數(shù)據(jù)庫能夠在任何網(wǎng)絡(luò)訪問，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 ? ?結(jié)語

系統(tǒng)通過對硬件的選取和軟件平臺的搭建，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，從豬仔的養(yǎng)殖到生豬的屠宰、分割、再經(jīng)流通，最終到零售超市進(jìn)行銷售的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)了Web平臺，二進(jìn)制樹型搜索算法，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等，最終實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)頁端和手機(jī)端完成對系統(tǒng)的監(jiān)測。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]韓雨佟.基于B/S物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津大學(xué)，2014.