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基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯關(guān)鍵算法研究

2012-01-24 12:25張永恒
電子設(shè)計工程 2012年15期
關(guān)鍵詞:讀寫器電子標簽標簽

張永恒 , 張 峰 ,2

(1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化控制學(xué)院,陜西 西安 710065)

物聯(lián)網(wǎng)作為新興的物品信息網(wǎng)絡(luò),為實現(xiàn)供應(yīng)鏈中物品自動化的跟蹤和追溯提供了基礎(chǔ)平臺。在物流供應(yīng)鏈中對物品進行跟蹤和追溯對于實現(xiàn)高效的物流管理和商業(yè)運作具有重要的意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,其技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中,目前大多農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)一直打著綠色農(nóng)產(chǎn)品的旗號,但消費者并不能看到農(nóng)產(chǎn)品是否是真正的綠色食品。有了物聯(lián)網(wǎng),消費者可以通過應(yīng)用安裝在廚房中的點菜機,把所需的農(nóng)產(chǎn)品信息發(fā)送給生產(chǎn)廠家,廠家會把最新鮮的農(nóng)產(chǎn)品送上門;農(nóng)產(chǎn)品送到家后,消費者可以通過上網(wǎng)查詢農(nóng)產(chǎn)品包裝上的條碼,就能了解這棵農(nóng)產(chǎn)品從種子到采摘的全過程。

同時,應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后,可以提供綠色農(nóng)產(chǎn)品的網(wǎng)上在線訂購,這樣可以及時的將綠色農(nóng)產(chǎn)品送到消費者手中,保證了食品的新鮮程度,同時使消費者能上網(wǎng)通過商品條碼查詢,了解所購買的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程,保證綠色、有機不摻假,讓消費者買得放心。

1 相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀

在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)方面,國內(nèi)目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件方面也取得了相應(yīng)的突破,在基于國外的操作系統(tǒng)之上,開發(fā)自己的中間件軟件。如南京郵電大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心開發(fā)的基于移動代理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件平臺,深聯(lián)科技開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件[1]。國內(nèi)研究機構(gòu)在理論研究方面,如對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法、體系結(jié)構(gòu)等方面,提出了許多具有創(chuàng)新性的想法與理論。在這方面,國內(nèi)的南京郵電大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等都取得了一些相關(guān)的理論研究成果。

本文參照一些農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)的實際生產(chǎn)流程,借鑒國內(nèi)外可追溯系統(tǒng)的相關(guān)研究,通過研究基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)處理方案,研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品編碼方案以及RFID防碰撞算法模型和數(shù)據(jù)采集過濾算法模型,并在實際項目中應(yīng)用,取得了良好的效果。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其工作原理

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)的定義是:通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的工作流程

物聯(lián)網(wǎng)的基本工作流程由四部分組成,即由信息采集系統(tǒng)(RFID系統(tǒng))、PML信息服務(wù)器、產(chǎn)品命名服務(wù)器(ONS)和應(yīng)用管理系統(tǒng)[3]。物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它們的功能分別如下:

1)信息采集系統(tǒng)。信息采集系統(tǒng)包括RFID電子標簽(tag)、二維碼、閱讀器 (Reader)以及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)軟件,主要完成產(chǎn)品的識別和產(chǎn)品的EPC(Electronic Product Code)碼的采集和處理。

2)產(chǎn)品命名服務(wù)器(ONS)。產(chǎn)品命名服務(wù)器 ONS(Object Name Service)主要實現(xiàn)的功能是在各個信息采集點與PML信息服務(wù)器之間建立關(guān)聯(lián),實現(xiàn)從物品電子標簽EPC碼到產(chǎn)品PML描述信息之間的映射。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Internet of Things system architecture

3)PML 信息服務(wù)器。 PML(Physical Markup Language,實體描述語言)信息服務(wù)器中的數(shù)據(jù)定義規(guī)則由用戶創(chuàng)建并維護,用戶根據(jù)事先規(guī)定的規(guī)則對物品進行編碼,并利用XML對物品信息進行詳細描述。在物聯(lián)網(wǎng)中,PML服務(wù)器主要用于以通用的模式提供對物品原始信息的規(guī)則定義,以便于其他服務(wù)器訪問。

4)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)通過獲取信息采集軟件得到的EPC信息,并通過ONS找到物品的PML信息服務(wù)器,從而可以以Web的形式向Internet用戶提供諸如信息查詢、跟蹤等功能,用戶也可以通過手機或無線PDA實時了解物品的狀態(tài)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)采用了無線射頻身份識別和二維碼技術(shù),每棵農(nóng)產(chǎn)品上都貼上二維碼,不管農(nóng)產(chǎn)品賣到哪里,消費者都可以查到農(nóng)產(chǎn)品的來源?;谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由農(nóng)產(chǎn)品識別、信息處理/控制/跟蹤、PML服務(wù)器、本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、業(yè)務(wù)系統(tǒng)5大模塊組成。它們的作用分別如下:

1)農(nóng)產(chǎn)品識別。農(nóng)產(chǎn)品識別系統(tǒng)的核心是農(nóng)產(chǎn)品的編碼和識別。由于每棵農(nóng)產(chǎn)品的條形碼都有唯一編碼,不管農(nóng)產(chǎn)品賣到哪兒,只要輸入農(nóng)產(chǎn)品的編號,就可以對農(nóng)產(chǎn)品進行跟蹤和監(jiān)控。所以,在基于RFID或二維碼標簽的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)采用EPC碼作為農(nóng)產(chǎn)品的唯一標識碼,標簽由芯片和天線 (Antenna)組成,每個標簽具有唯一的產(chǎn)品電子碼。EPC碼 (Electronic Product Code)是Auto-ID研究中心為每個物理目標分配的唯一的可查詢的標識碼,其內(nèi)含的一串數(shù)字可代表農(nóng)產(chǎn)品類別和農(nóng)產(chǎn)品ID、生產(chǎn)日期和生產(chǎn)地等信息[4]。同時,隨著農(nóng)產(chǎn)品的銷售轉(zhuǎn)移或變化,這些數(shù)據(jù)可以實時更新。通常,EPC碼可存入硅芯片做成的電子標簽內(nèi),并附在被標識農(nóng)產(chǎn)品上,以被信息處理軟件識別、傳遞和查詢[5]。

2)信息處理/農(nóng)產(chǎn)品控制/跟蹤。信息處理/控制/跟蹤模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊,它通過數(shù)據(jù)采集接口、信息處理、農(nóng)產(chǎn)品跟蹤和監(jiān)控3個接口同其他功能模塊進行交互,從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的自動處理。

3)PML服務(wù)器。PML服務(wù)器主要由農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)廠家創(chuàng)建并維護的服務(wù)器,它以標準的XML為基礎(chǔ),提供農(nóng)產(chǎn)品的詳細信息,如農(nóng)產(chǎn)品類別和ID、登生產(chǎn)日期和產(chǎn)地等信息,并允許通過農(nóng)產(chǎn)品的EPC碼對農(nóng)產(chǎn)品信息進行查詢。

4)本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于存儲數(shù)據(jù)采集和處理接口獲得的農(nóng)產(chǎn)品信息,以便在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中查詢和維護。例如,用戶可以通過手機或無線PDA或Web客戶端隨時隨地查詢農(nóng)產(chǎn)品的當前狀態(tài)。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Agricultural product traceability system architecture diagram

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品編碼實現(xiàn)

4.1 編碼系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

為確保農(nóng)產(chǎn)品處理的完整性,對每棵農(nóng)產(chǎn)品上的標簽都進行了唯一編碼。編碼由3位農(nóng)產(chǎn)品類別碼和10位農(nóng)產(chǎn)品ID碼、10位生產(chǎn)日期碼、4位生產(chǎn)地碼、4位生產(chǎn)廠家碼、4位銷售地碼、10位銷售日期碼、4位銷售企業(yè)碼及6位序列號組成。 在農(nóng)產(chǎn)品銷售前,為每棵農(nóng)產(chǎn)品上貼一個RFID標簽。RFID電子標簽編碼組成如圖3所示。

圖3 RFID電子標簽編碼組成Fig.3 RFID electronic tag coding format

4.2 RFID中間件的設(shè)計

根據(jù)前面研究的標簽ID表示方法以及Savant中間件的定義,RFID中間件的功能模塊應(yīng)該包含如下幾個功能模塊:Reader接口模塊、邏輯驅(qū)動器映射模塊、RFID數(shù)據(jù)過濾模塊、業(yè)務(wù)規(guī)則過濾模塊、設(shè)備管理與配置模塊、上層服務(wù)接口模塊[1]。其中,Reader接口用于中間件與RFID讀寫器的數(shù)據(jù)通信,主要有獲取RFID數(shù)據(jù)以及下達設(shè)備管理模塊的讀寫器指令。設(shè)備管理配置模塊用于調(diào)整RFID讀寫設(shè)備的工作狀態(tài),配置相應(yīng)的Reader接口參數(shù)等,邏輯讀寫器映射模塊用于將多個物理讀寫器或者讀寫器的多條天線映射成為一個邏輯讀寫器。

5 農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的RFID防碰撞算法研究

在大多應(yīng)用中,在讀寫器范圍內(nèi)存在多個待識別的標簽,射頻識別系統(tǒng)的一個優(yōu)點就是讀寫器在很短時間內(nèi)對多個標簽進行識別。從讀寫器到標簽的通信,多個標簽同時接收到同一個讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)流,在讀寫器的作用范圍內(nèi)有多個標簽同時向它發(fā)送數(shù)據(jù),這種形式被稱為多路存取。為了防止由于多個標簽數(shù)據(jù)在讀寫器的接收器中相互干擾而不能準確讀出,必須采用防碰撞算法來加以解決。讀寫器防碰撞模型如圖4所示。

圖4 讀寫器防碰撞模型Fig.4 Reader anti-collision model

假設(shè)在某一RFID系統(tǒng)中,讀寫器識別標簽的EPC在k個比特位出現(xiàn)碰撞,則算法搜索的范圍為2k個標簽,其EPC除碰撞位之外其他比特位是確定的。假設(shè)存在某一標簽,其不在搜索的范圍之內(nèi),則其EPC必定與其他標簽在除碰撞位之外的某一位或某幾位比特不同,這樣就會在其他的比特位上也出現(xiàn)碰撞,這與已知的碰撞相矛盾,所以定理成立。算法搜索需要的總的時隙數(shù)T。

其中,Tc,Tr,Te分別代表碰撞、可讀和空閑的時隙數(shù)。且總的時隙數(shù)是不同深度i對應(yīng)的時隙數(shù)的總和,即:

其中,k代表最大的搜索深度,N代表讀寫器作用范圍內(nèi)所有待識別的標簽數(shù)。T(N,i)表示在搜索深度i上,算法所需的時隙數(shù)。深度為i的搜索,最多可確定2i個時隙。對于標簽EPC長度為n和標簽總數(shù)為N的RFID系統(tǒng)來說,估計出現(xiàn)的空閑時隙數(shù)為:

可讀時隙數(shù)為:

碰撞時隙數(shù)為:

由于該算法所選擇段數(shù)是根據(jù)碰撞比特的位數(shù)決定,某一比特位不發(fā)生碰撞的概率為2N-1,所以段數(shù)滿足二項式分布:

將(6)代入(8)式,就可以得到算法的碰撞數(shù):

6 RFID數(shù)據(jù)采集過濾算法設(shè)計

RFID采集的原始數(shù)據(jù)量非常大,在實際應(yīng)用中,根據(jù)具體的配置不同,每臺讀寫器每秒可以上報數(shù)個至數(shù)十個不等的電子標簽數(shù)據(jù),如重復(fù)多次掃描同一個電子標簽,但其中只有少部分是對用戶有意義的、非重復(fù)性的數(shù)據(jù),這樣大量的數(shù)據(jù)如果不經(jīng)過去冗等處理而直接上傳,將會給整個RFID系統(tǒng)帶來很大的負擔。 所以,對RFID采集的數(shù)據(jù)進行過濾處理。

RFID數(shù)據(jù)采集過濾方法設(shè)計主要可以分為如下幾類:

1)建立數(shù)據(jù)采集事件列表類:對每一個新到電子標簽數(shù)據(jù)進行實時檢測,如果是新掃描的電子標簽,則加入到相應(yīng)列表中,如果該標簽在列表中已存在,則僅更新對應(yīng)標簽的時間等狀態(tài)數(shù)據(jù),而不新建標簽數(shù)據(jù)記錄,以達到清除重復(fù)數(shù)據(jù)的目的[11]。

2)數(shù)據(jù)采集事件編碼類:對電子標簽狀態(tài)的改變進行編碼,定義標簽出現(xiàn)的狀態(tài)編碼為0,標簽狀態(tài)消失的編碼為1。 然后加入計時器機制,對計時器有效時間內(nèi)的同一標簽的狀態(tài)跳變進行忽略,從而在狀態(tài)定義和時間維度2個方面對數(shù)據(jù)進行了去重化。

上述這些算法均能夠很好地消除冗余數(shù)據(jù),減少了上層系統(tǒng)的負荷。 但在實際應(yīng)用中,除了RFID數(shù)據(jù)的去冗化以外,對數(shù)據(jù)的過濾還有著其他的需求。針對上述問題,設(shè)計了在不同應(yīng)用場景下的適應(yīng)性和有效性的過濾算法.實驗平臺使用RS232接口的單天線讀寫器,該讀寫器報告周期為1s,每次報告標簽數(shù)為5個。算法實現(xiàn)采用java語言,通過Java串口來進行串口通訊。

首先是為標簽構(gòu)建一個RTagReadEvent類,該類包含的關(guān)鍵參數(shù)和方法如下:

public void run(){

while(currentvalue>0){

if(currentvalue>=tagmax&&!detecedStauts) {

//觸發(fā)標簽出現(xiàn)記錄

……

detecedStauts=true;

}

else if( currentvalue<=tagmin&&detecedStauts){

//觸發(fā)標簽消失記錄

detecedStauts=false;

}

currentvalue--;

當過濾模塊主程序檢測到一個新標簽的時候,便為其建立一個RTagReadEvent類的對象newReadTag,并對各個關(guān)鍵字段賦初值,同時啟動該對象內(nèi)部的計時器線程,該計時器線程的作用是每個報告周期對標簽權(quán)值value進行檢查并觸發(fā)相應(yīng)操作.每次檢查后將標簽權(quán)值currrentvalue減1,以實現(xiàn)當標簽未被報告時其權(quán)值的逐步下降.當權(quán)值currentvalue減到0的時候,計時器線程停止,這時可以銷毀該對象。

當過濾算法主模塊發(fā)現(xiàn)報告的標簽已存在時,對該標簽對象的currentvalue值進行累加:

newReadTag.currentvalue+=valueStep;

if(newReadTag.currentvalue>=newReadTag.tagmax){

newReadTag.currentvalue=newReadTag.tagmax;

}

其中valueStep就是算法中定義的累加權(quán)值.如果權(quán)值currentvalue已經(jīng)達到閥值ReadTagmax,則將其保持在該值,防止經(jīng)過多個上報周期后標簽權(quán)值過高,影響后繼判斷。

7 RFID數(shù)據(jù)采集仿真與實現(xiàn)

應(yīng)用該算法對農(nóng)產(chǎn)品標簽讀寫器進行了模擬,其中,讀寫器防碰撞檢測算法仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 碰撞檢測算法仿真結(jié)果Fig.5 Collision Detection Algorithm simulation results

下面對上述數(shù)據(jù)采集過濾算法進行仿真檢驗,設(shè)置valueStep=5,tagmax=8,tagmin=0,當標簽進入讀寫器范圍后,經(jīng)過8s左右的時間過濾模塊觸發(fā)標簽出現(xiàn)操作,人為將標簽多次短時間移出讀寫器范圍,模擬信號干擾和波動的情況,并將另一標簽從讀寫器范圍內(nèi)移過,讀寫器均未觸發(fā)多余的標簽出現(xiàn)和消失操作,讀寫器掃描標簽數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 讀寫器掃描標簽數(shù)據(jù)模擬圖Fig.6 Reader scans the tag data mimic diagram

將圖6周期中出現(xiàn)的RFID標簽編碼為標為1,未出現(xiàn)的編碼為0,這樣,對每一個產(chǎn)品電子標簽,其事件可以記錄為一個01序的二進制串.對圖6而言,tag1可編碼為01001011,表示標簽通過了讀寫器范圍;tag2可編碼為11011000,表示標簽離開了讀寫器范圍;tag3可編碼為00000011,表示標簽進入并停留在讀寫器范圍中。

8 結(jié) 論

本文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng),它具有高度自動化的特點。目前基于該方案開發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)安裝使用,今后將根據(jù)用戶的反饋繼續(xù)完善。

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