姬五勝，郭 宏，張豐臣

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222；2.蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，蘭州 730050）

近年來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)步、健康發(fā)展的態(tài)勢(shì)。但由于在豬肉生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)管理不規(guī)范，產(chǎn)品安全問題難以追溯，導(dǎo)致動(dòng)物性食品安全事件時(shí)有發(fā)生[1]，因此，構(gòu)建一個(gè)完善的可溯源監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)于保障食品安全、提高經(jīng)濟(jì)和生活水平有著重要的作用。目前，對(duì)于食品的溯源都是采用RFID射頻電子標(biāo)識(shí)，但現(xiàn)有的RFID讀寫器一般是建立在有線傳輸?shù)幕A(chǔ)上，存在讀寫器的位置固定、靈活性差、數(shù)據(jù)傳輸距離短以及設(shè)備成本高等缺點(diǎn)。與有線傳輸系統(tǒng)相比較，采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線雙向傳輸，使讀寫系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。

目前，我國(guó)基于動(dòng)物產(chǎn)品的溯源系統(tǒng)在理論和實(shí)踐中取得了重大進(jìn)展和突破，并運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的溯源之中。王培強(qiáng)等[2]基于RFID與條碼技術(shù)的豬肉追溯管理信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，制定了可行的追溯碼編碼規(guī)則，使整條物流鏈的數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)。但對(duì)于溯源產(chǎn)品信息的采集和溯源信息的硬件系統(tǒng)沒有做詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)。鮑曉成[3]基于物聯(lián)網(wǎng)的豬肉食品供應(yīng)鏈可追溯體系研究，對(duì)我國(guó)豬肉產(chǎn)品的信息溯源關(guān)鍵因素和溯源系統(tǒng)做了詳細(xì)的理論研究，但是并沒有將該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)溯源過(guò)程中。本文將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)與RFID技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)了一套可移動(dòng)的無(wú)線RFID讀寫器。這樣既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)RFID的不足，又采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得屠宰場(chǎng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)化得到提高。在Visual Studio 2008平臺(tái)上開發(fā)基于C/S的溯源系統(tǒng)應(yīng)用軟件，通過(guò)無(wú)線RFID讀寫器將生豬的進(jìn)宰、檢疫、分割等實(shí)時(shí)信息錄入到屠宰場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)屠宰生產(chǎn)信息進(jìn)行管理；同時(shí)，系統(tǒng)查詢終端能夠?yàn)槠髽I(yè)管理提供信息服務(wù)，管理人員通過(guò)查詢終端能查詢到企業(yè)信息、職員信息以及產(chǎn)品生產(chǎn)信息。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

屠宰可溯源系統(tǒng)由無(wú)線RFID讀寫器、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及在Visual Studio 2008平臺(tái)上開發(fā)的C/S應(yīng)用軟件組成。本文通過(guò)對(duì)蘭州市肉聯(lián)廠生產(chǎn)加工過(guò)程的調(diào)研，以HACCP體系為理論依據(jù)[4]，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)工藝，確定其系統(tǒng)的功能。利用該溯源系統(tǒng)，能夠?qū)⑸i屠宰加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)和員工相關(guān)信息的管理、查詢以及系統(tǒng)相關(guān)信息的維護(hù)。其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 屠宰場(chǎng)可溯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的主程序流程圖

在整個(gè)系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器完成對(duì)整個(gè)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的組建，等待路由器和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線RFID讀寫器對(duì)屠宰監(jiān)控過(guò)程中相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的進(jìn)行采集，然后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機(jī)，并將相關(guān)的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其主程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

在無(wú)線RFID讀寫器中，射頻芯片MF RC522與電子標(biāo)簽之間的通信協(xié)議遵循ISO/IEC14443A。CC2530主控芯片首先通過(guò) SPI接口控制MF RC522與進(jìn)入天線范圍內(nèi)類型相符合的卡進(jìn)行通信，讀取卡中信息，將信息進(jìn)行相應(yīng)處理，變成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包[5-6]，并把數(shù)據(jù)包傳送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，通信協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[7-10]。而協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過(guò)UART接口相連，最終把數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)進(jìn)行處理。同樣，也可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制指令來(lái)完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的修改等操作。

2 無(wú)線RFID讀寫器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可移動(dòng)無(wú)線RFID讀寫器系統(tǒng)的主要功能是對(duì)于屠宰場(chǎng)相關(guān)溯源信息的采集、傳輸以及修改。無(wú)線RFID讀寫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括射頻通信模塊部分的電路設(shè)計(jì)、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)以及ZigBee協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計(jì)。

2.1 射頻通信部分的電路設(shè)計(jì)

射頻部分由微處理器和射頻芯片組成，其主要功能是與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，完成標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的交換[11]。射頻模塊核心芯片采用Philips研發(fā)的MF RC522，電子標(biāo)簽為飛利浦公司生產(chǎn)的M1卡。射頻通信模塊電路如圖3所示。

圖3中，射頻模塊將包絡(luò)信號(hào)調(diào)制的13.56 MHz載波能量信號(hào)通過(guò)引腳TX1和TX2發(fā)送至天線模塊。天線由L1、L2、C11和C12組成的EMC濾波電路和C5-C10組成的匹配電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，將能量信號(hào)發(fā)射出去。在信號(hào)的接收部分，RX引腳的直流輸入電壓由C3和R2來(lái)穩(wěn)定在VMID，其交流輸入電壓可通過(guò)R3和C4來(lái)調(diào)整。

2.2 ZigBee無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee模塊的主要功能是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用TI/Chipcon公司生產(chǎn)的CC2530低功耗射頻芯片，它整合IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核[12]，其核心控制電路如圖4所示。

圖3 RFID讀寫系統(tǒng)射頻通信模塊

圖4 ZigBee核心控制電路設(shè)計(jì)

2.3 CC2530與MF RC522的硬件接口電路

系統(tǒng)采用32 MHz晶振作為CC2530核心控制器的時(shí)鐘信號(hào)，CC2530與射頻模塊之間采用SPI方式進(jìn)行通信，P1_7接射頻芯片MF RC522的SDA端，作為信號(hào)的控制線。P0_1、P1_3及P0_4分別接射頻芯片MF RC522的D5、D6和D7端，以SPI方式控制MF RC522相關(guān)寄存器的讀寫。P0_5接MF RC522的復(fù)位引腳，用于控制器復(fù)位。CC2530與MF RC522的I/O口連接示意圖如圖5所示。

圖5 CC2530與MF RC522的I/O口連接示意圖

2.4 無(wú)線RFID讀寫器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

在VS2008開發(fā)平臺(tái)下，開發(fā)基于串口通信的上位機(jī)讀寫器軟件[13]。利用該應(yīng)用軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽卡號(hào)讀取、讀取指定扇區(qū)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)、修改指定扇區(qū)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)的功能。讀寫器上位機(jī)應(yīng)用軟件如圖6所示。

圖6 讀寫器上位機(jī)應(yīng)用軟件

以用戶指定修改01扇區(qū)第00數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明上位機(jī)寫卡過(guò)程。在“修改指定數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)”部分，選擇扇區(qū)編號(hào)“01”，數(shù)據(jù)塊編號(hào)“00”。在應(yīng)用軟件界面中“修改的數(shù)據(jù)”欄中寫入數(shù)據(jù)“01888888882510199990000251110088”，然后點(diǎn)擊“修改數(shù)據(jù)”按鈕，上位機(jī)系統(tǒng)則將數(shù)據(jù)編碼為“19A2FFFFFFFFFFFF0401888888882510199990000251110088”。每2個(gè)數(shù)占一個(gè)字節(jié)，其中“19”代表向讀寫器發(fā)送25個(gè)字節(jié)數(shù)字，“A2”表示要執(zhí)行寫數(shù)據(jù)指令，“FFFFFFFFFFFF”是數(shù)據(jù)塊的初始密碼，“04”代表的是數(shù)據(jù)塊為第4塊，上位機(jī)軟件將發(fā)送的控制指令字符串編碼成二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)PC串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，然后再通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)控制射頻模塊MF RC522把數(shù)據(jù)寫入電子標(biāo)簽相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中存儲(chǔ)。為了驗(yàn)證顯示的數(shù)據(jù)是否正確，可以在“讀指定數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)”來(lái)讀取剛才寫入的數(shù)據(jù)。圖6中選擇扇區(qū)編號(hào)“01”，數(shù)據(jù)塊編號(hào)“00”，點(diǎn)擊“讀數(shù)據(jù)”按鈕，可以看到“讀取的數(shù)據(jù)”塊中顯示的是剛才寫入的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的RFID讀寫系統(tǒng)一般是建立在有線傳輸?shù)幕A(chǔ)之上[14-15]，讀寫器通過(guò)RS232或者以太網(wǎng)等接口[16-17]與上位機(jī)進(jìn)行通信。但由于RFID讀寫器的抗干擾能力較差，易受環(huán)境等因素的影響。本文將ZigBee和RFID技術(shù)相融合，建立基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線RFID讀寫器，可通過(guò)無(wú)線RFID讀寫器實(shí)現(xiàn)對(duì)于屠宰場(chǎng)相關(guān)信息的采集和傳輸，其系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，主要包括：①無(wú)線RFID讀寫器。負(fù)責(zé)整個(gè)屠宰場(chǎng)溯源信息的采集，然后將采集的信息通過(guò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸給ZigBee路由器，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)ZigBee路由器傳輸過(guò)來(lái)的操作指令來(lái)控制RFID讀寫器進(jìn)行相應(yīng)的操作。②ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)。將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的指令信息，將其發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。③ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)，將ZigBee路由器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息通過(guò)串口的方式發(fā)送給上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)將上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的控制信息發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。④PC機(jī)。安裝應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。無(wú)線RFID讀寫器的基本結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示，主要包括：①電子標(biāo)簽。記錄了標(biāo)簽卡號(hào)以及豬肉產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息。②讀寫器。由CC2530核心控制芯片和射頻芯片組成。CC2530通過(guò)控制射頻芯片來(lái)識(shí)別電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行相關(guān)信息的讀寫等操作。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。本文ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上采用的是TI公司的Z-Stack 2007協(xié)議棧，在其應(yīng)用層進(jìn)行程序的開發(fā)，完成網(wǎng)絡(luò)的組建和產(chǎn)品相關(guān)溯源信息的傳輸，其ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立流程圖如圖8所示。

圖8 ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立流程圖

4 溯源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 屠宰場(chǎng)信息查詢系統(tǒng)

管理人員可以通過(guò)信息查詢系統(tǒng)查詢企業(yè)信息、職員信息以及產(chǎn)品信息。在查詢系統(tǒng)中，選擇要查詢的內(nèi)容以及其中一條查詢條件就可以查詢到所需要的信息，其信息查詢系統(tǒng)模塊流程如圖9所示。

圖9 信息系統(tǒng)查詢模塊流程圖

4.2 屠宰場(chǎng)檢疫信息錄入系統(tǒng)

屠宰場(chǎng)檢疫信息是通過(guò)檢疫信息模塊對(duì)相關(guān)信息的錄入。檢疫信息模塊分為2個(gè)部分：部門檢疫和獸醫(yī)檢疫，如圖10所示。部門檢疫是記錄胴體檢查環(huán)節(jié)相關(guān)指標(biāo)是否合格，并在管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行記錄，圖10（a）為生豬胴體內(nèi)臟檢疫系統(tǒng)模塊。獸醫(yī)檢疫對(duì)各個(gè)部門的檢疫結(jié)果進(jìn)行審核，并將審核結(jié)果通過(guò)獸醫(yī)檢疫系統(tǒng)提交到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，圖10（b）為獸醫(yī)檢疫系統(tǒng)模塊。

圖10 檢疫信息模塊

4.3 屠宰場(chǎng)信息維護(hù)系統(tǒng)

信息維護(hù)系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：①新員工注冊(cè)，即將新員工的個(gè)人信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并設(shè)置其員工編號(hào)、密碼、訪問權(quán)限以及工作部門；②老員工數(shù)據(jù)更新，即當(dāng)老員工個(gè)人信息發(fā)生變動(dòng)時(shí)，利用軟件更新記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中；③生豬信息管理，即利用上位機(jī)軟件對(duì)豬只進(jìn)行編碼，并將該編碼信息寫入到電子標(biāo)簽中，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行記錄，其數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)界面如圖11所示。

圖11 屠宰場(chǎng)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

食品安全問題一直備受人們的關(guān)注，建立一套完整的食品溯源系統(tǒng)是食品安全的有力保障。本文將射頻識(shí)別技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于CC2530的無(wú)線RFID讀寫器和讀寫器應(yīng)用軟件，既克服了傳統(tǒng)RFID讀寫器距離短、抗干擾性差、易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)，又使屠宰場(chǎng)的監(jiān)控實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)化得到提高。在Visual Studio 2008平臺(tái)下開發(fā)基于C/S架構(gòu)的信息維護(hù)子系統(tǒng)、檢疫信息錄入子系統(tǒng)和信息查詢子系統(tǒng)，同時(shí)，采用CC2530無(wú)線射頻芯片作為讀寫器的微控制器，這樣既降低了成本和功耗，也省去了布線的麻煩。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、識(shí)別距離長(zhǎng)、應(yīng)用靈活和擴(kuò)展性好，具有很高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

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