劉偉+陳真佳+張永輝

摘要：針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展的需要，以荔枝、芒果、苦瓜等熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運(yùn)輸流程為目標(biāo)，構(gòu)建一種基于近場(chǎng)通信（near field communication，NFC）技術(shù)和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS ）技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控追蹤系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)娜^程進(jìn)行追蹤和室溫調(diào)控，建立起一套完整可靠的安全保障體系?？梢赃M(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品車載運(yùn)輸過程中的實(shí)時(shí)跟蹤定位，為車內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的儲(chǔ)藏提供實(shí)時(shí)的溫濕度調(diào)控，保障農(nóng)產(chǎn)品的鮮活度。此外，這兩種新型技術(shù)的融合使用也可以推廣應(yīng)用于醫(yī)療用品、工業(yè)用品乃至食品等眾多領(lǐng)域，為我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NFC；GPS；實(shí)時(shí)跟蹤；溫濕度調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）27-0208-03

Abstract：For the needs of Chinas agricultural technological innovation and the development of information industry， lychee， mango， bitter gourd and other tropical agricultural production and marketing the transportation process as the goal， to build a agricultural vehicle temperature tracking systembased on near field communication （near field communication， NFC） technology and global positioning system （global positioning system， GPS） technology，. Through the system construction， to achieve the whole process of agricultural production transportation vehicle tracking and room temperature control， established a complete and reliable security system. The system can produce real-time tracking and positioning and provide real-time temperature and humidity regulation for the car storage of agricultural products， the degree of protection of fresh agricultural products. In addition， the integration of the use of these two new technologies can also be extended to the fields of medical supplies， food and other industrial products as well as provide a theoretical basis for the development of Chinas Internet of Things industry.

Keywords：NFC；GPS；real-time tracking；temperature and humidity control；internet of things

1 引言

作為我國(guó)唯一的熱帶省份，海南省素來以盛產(chǎn)各類品質(zhì)優(yōu)良、口味獨(dú)特的熱帶農(nóng)產(chǎn)品而聞名全國(guó)，其盛產(chǎn)的熱帶農(nóng)產(chǎn)品主要用于對(duì)外出口。但諸如荔枝、芒果這類的熱帶農(nóng)產(chǎn)品，其對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的溫濕度等環(huán)境條件有著嚴(yán)格的要求。由于缺乏較為有效的溫控追蹤體系，導(dǎo)致很多熱帶農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中便已變質(zhì)損壞，更為嚴(yán)峻的則是缺乏對(duì)農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸過程中的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，使得一些不良的人為因素加劇了消費(fèi)者對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的質(zhì)疑力度。嚴(yán)重的削弱了消費(fèi)者的購買力，阻礙了海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的向外推廣。目前，國(guó)內(nèi)主流的產(chǎn)品溫控追蹤技術(shù)[1-5]存在如下不足：一是溫度顯色標(biāo)簽卡，它的使用是一次性的，存在著被人為因素替換成新標(biāo)簽的安全隱患；二是溫度標(biāo)簽試紙，其對(duì)高溫靈敏但對(duì)低溫靈敏性較差，受環(huán)境酸堿度的影響較大，使用壽命往往短于產(chǎn)品的運(yùn)輸周期；三是電子溫度記錄標(biāo)簽，其記錄的數(shù)據(jù)保存周期短，一次性使用，成本相對(duì)較高。

本文提出一種基于NFC電子標(biāo)簽技術(shù)和GPS技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控追蹤系統(tǒng)的構(gòu)建方案 ，通過NFC標(biāo)簽信息采集模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊、溫濕度采集模塊匯集農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)輸流程中的產(chǎn)品標(biāo)識(shí)信息、地理位置信息、儲(chǔ)藏環(huán)境溫濕度信息，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳輸給后臺(tái)管理系統(tǒng)和用戶終端，以提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的透明度和保障性，為海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的向外推廣提供強(qiáng)有力的技術(shù)理論支撐。

1）系統(tǒng)概述

整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)主要由：用戶終端、車載終端和后端管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中，車載終端安裝在農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸車輛內(nèi)部，用來實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和顯示各模塊采集而來的各類參數(shù)信息，再將這些采集來的信息經(jīng)由處理器實(shí)時(shí)處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)匯集到后端管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供管理人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)管控。用戶終端則根據(jù)具體的操作需求向后端管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求命令，等待相應(yīng)的信息反饋（圖1）。此系統(tǒng)的構(gòu)建主要用到二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：NFC近場(chǎng)通信技術(shù)，GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

NFC是一種標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線連接技術(shù)，它基于RFID（radio frequency identification）射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過讀寫器中內(nèi)置的天線發(fā)射信號(hào)，達(dá)到可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體，把記錄在物體電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)信息傳輸出去的目的[6]。整個(gè)識(shí)別傳輸過程不需要人工介入，同時(shí)讀寫器可以工作在較為惡劣的運(yùn)輸環(huán)境下，信號(hào)穿透性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)無屏障讀取。不僅可以穿透冰、雪、霧等自然環(huán)境，還可以穿透厚度低于10cm的運(yùn)輸箱體。此外，NFC技術(shù)可以精確識(shí)別高速移動(dòng)中的物體，可以一次性讀取數(shù)十個(gè)電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率。

NFC技術(shù)在產(chǎn)品信息溯源以及冷鏈物流管理中有著較為針對(duì)性的應(yīng)用。主要用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品物流運(yùn)輸過程中產(chǎn)品信息的鑒別和實(shí)時(shí)的管理，進(jìn)而起到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速運(yùn)輸產(chǎn)品的目的。將NFC電子標(biāo)簽粘貼于物品表面，在產(chǎn)品出廠、出入庫、中轉(zhuǎn)裝卸、銷售全程中實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品運(yùn)輸信息的實(shí)時(shí)跟蹤與查詢。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)早已經(jīng)被大眾所熟知，這里便不再贅述。因此，新型NFC技術(shù)在本系統(tǒng)的構(gòu)建中起著核心的作用。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能需求分析

海南省是熱帶農(nóng)產(chǎn)品的核心產(chǎn)地，每年都要向外輸出大量的鮮活農(nóng)產(chǎn)品，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品在車載運(yùn)輸流程中的信息追蹤、車內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏的溫濕度環(huán)境等都有著嚴(yán)格的要求。以盛產(chǎn)的荔枝來說，荔枝果皮薄，果汁多，易受機(jī)械損傷和微生物侵染而造成腐爛。當(dāng)其放置在車內(nèi)長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)，若車內(nèi)溫度能維持4℃—6℃（相對(duì)濕度75%—90%），可保鮮一個(gè)月；但當(dāng)車內(nèi)溫度高于20℃時(shí)，只能保鮮一周左右。因此諸如荔枝這樣的熱帶農(nóng)產(chǎn)品，如何做好產(chǎn)銷運(yùn)輸流程中的產(chǎn)品質(zhì)量安全保障是極其重要的。

根據(jù)需求分析，通過分析熱帶農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)場(chǎng)出產(chǎn)、出庫入庫、中轉(zhuǎn)裝卸、冷鏈運(yùn)輸、終點(diǎn)銷售整個(gè)產(chǎn)銷流程中核心環(huán)節(jié)的需求特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀，這里構(gòu)建的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)如下功能：首先，需要使用NFC電子標(biāo)簽技術(shù)來記錄農(nóng)產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)信息和防偽驗(yàn)證信息、使用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)來實(shí)時(shí)的捕捉產(chǎn)品運(yùn)輸過程中車輛的地理位置、使用溫濕度傳感器來實(shí)時(shí)的采集運(yùn)輸車內(nèi)的溫濕度信息；其次，需要通過GPRS/3G無線通信傳輸模塊將采集到的相關(guān)信息上傳到后端監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)起來；最后，廣大消費(fèi)者通過手機(jī)終端發(fā)送所需的請(qǐng)求命令，經(jīng)由服務(wù)器解析處理后向消費(fèi)者手機(jī)終端反饋相應(yīng)的查詢結(jié)果。整個(gè)運(yùn)作流程對(duì)消費(fèi)者而言是全程透明的。因此，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施將為農(nóng)產(chǎn)品車載運(yùn)輸產(chǎn)銷流程安全保障體系的構(gòu)建提供一個(gè)高效實(shí)際的解決方案。

3.2 系統(tǒng)模型的構(gòu)建

整個(gè)系統(tǒng)依托NFC和GPS新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和軟硬件開發(fā)技術(shù)來進(jìn)行可靠實(shí)際的構(gòu)建，以荔枝產(chǎn)銷運(yùn)輸流程為例來闡述農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)的模型構(gòu)造。首先，荔枝的生產(chǎn)商們將產(chǎn)品的出廠日期、保質(zhì)期、數(shù)量等信息發(fā)送到后端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)，同時(shí)將產(chǎn)品的防偽標(biāo)識(shí)信息寫入NFC電子標(biāo)簽中保存，這樣就能有效地防止在后續(xù)運(yùn)輸流通的過程中遭人為替換標(biāo)簽的安全隱患；然后，當(dāng)運(yùn)輸車輛運(yùn)行到經(jīng)銷商那里進(jìn)行產(chǎn)品的中轉(zhuǎn)裝卸時(shí)，這里的操作員同樣的將產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)發(fā)送到后端數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)，同時(shí)在NFC電子標(biāo)簽中寫入下一條的數(shù)據(jù)信息；最終，當(dāng)運(yùn)輸車輛到達(dá)目的地后，卸載貨物的同時(shí)也要完成對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)消息的實(shí)時(shí)上傳和更新。通過這樣的構(gòu)建方式，管理人員在車輛運(yùn)輸?shù)倪^程中，就可以通過后端監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)查詢車載終端的最新情況，實(shí)時(shí)的獲得運(yùn)輸車輛內(nèi)的產(chǎn)品信息、地理位置信息、車內(nèi)儲(chǔ)藏的溫濕度環(huán)境信息等，有助于他們做出準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的管理和決策。消費(fèi)者也可以通過手機(jī)終端應(yīng)用向遠(yuǎn)程服務(wù)器獲取自己權(quán)限范圍內(nèi)的想要知道的產(chǎn)品流程信息（圖2）。

3.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.3.1 硬件環(huán)境構(gòu)建

在基于系統(tǒng)功能需求分析的基礎(chǔ)上，綜合比較市場(chǎng)上主流的高集成度微處理器，我們這里選擇的車載終端處理器是STMicroelectronics（ST，意法半導(dǎo)體）公司出產(chǎn)的高性能、32位低功耗的STM32F103微處理器，其內(nèi)核是Cortex-M3。其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包含：2個(gè)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2個(gè)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個(gè)全速USB接口、2個(gè)I2C接口、2個(gè)CAN2.0B接口、3個(gè)SPI接口、5個(gè)USART接口、10個(gè)定時(shí)器以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊，其完好全面的性能完全能夠滿足本系統(tǒng)車載終端硬件模塊構(gòu)建的需要[7]。其最小工作系統(tǒng)包括電源模塊、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和JTAG調(diào)試電路[8]。NFC產(chǎn)品信息采集模塊選用NXP（恩智浦半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的MFRC522非接觸式讀寫芯片，工作頻率為13.56MHz，支持ISO14443A/MIFARE工作模式，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)424kbits/s，具有良好的兼容性和安全保密性。GPS衛(wèi)星定位模塊采用瑞士u-blox公司出產(chǎn)的u-blox-NEO-6M模塊，該模塊可通過USB接口或串口向STM32F103微處理器輸出GPS定位信息，具有高性能、低功耗的特性[9]。溫濕度信息采集模塊選用DHT11溫濕度傳感器，它由NTC測(cè)溫元件和感濕元件二部分組成，該傳感器具有高度穩(wěn)定性和極高的可靠性。

因此，整個(gè)硬件部分主要有三大模塊組成：NFC產(chǎn)品信息采集模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊和溫濕度采集模塊。其中，NFC產(chǎn)品信息采集模塊主要用來收集農(nóng)產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)信息和數(shù)量信息等，GPS衛(wèi)星定位模塊主要用來實(shí)時(shí)反饋運(yùn)輸車輛所處的地理位置信息，溫濕度采集模塊主要用來實(shí)時(shí)的采集運(yùn)輸車內(nèi)產(chǎn)品儲(chǔ)藏環(huán)境的溫濕度信息。通過STM32F103處理器的2個(gè)USART接口實(shí)現(xiàn)NFC產(chǎn)品信息采集模塊接口和GPS衛(wèi)星定位模塊接口的電路連接，利用PA11引腳實(shí)現(xiàn)與溫濕度信息采集模塊傳感器的數(shù)據(jù)傳輸功能，使用SPI串行接口實(shí)現(xiàn)與GPRS無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能。最后，經(jīng)由STM32F103微處理器通過GPRS無線通信模塊裝置將NFC產(chǎn)品信息采集、GPS衛(wèi)星定位和溫濕度采集3個(gè)模塊匯集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)管理檢測(cè)系統(tǒng)，完成整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品車載運(yùn)輸流程中的實(shí)時(shí)信息采集（圖3）[10]。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件開發(fā)方面，車載終端的應(yīng)用程序在u Vision4環(huán)境下使用C語言進(jìn)行開發(fā)。具體包括NFC產(chǎn)品信息采集模塊的應(yīng)用程序、GPS衛(wèi)星定位模塊的應(yīng)用程序、溫濕度采集模塊的應(yīng)用程序和無線通信模塊的應(yīng)用程序全部在此軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、調(diào)試并下載的，從而進(jìn)一步的對(duì)應(yīng)用程序做修改和完善，最終達(dá)到車載終端硬件功能的設(shè)計(jì)需求。對(duì)于后端監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)，基于經(jīng)典的C/S模式，應(yīng)用ASP.NET技術(shù)使用C++語言在WINDOWS操作系統(tǒng)下完成開發(fā)，同時(shí)在LINUX系統(tǒng)下搭建MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用戶終端手機(jī)應(yīng)用在ANDROID操作系統(tǒng)下使用JAVA語言進(jìn)行編程開發(fā)。整個(gè)軟件系統(tǒng)通過后端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供的服務(wù)來保證數(shù)據(jù)的同步性、一致性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文研究分析了新型NFC技術(shù)和GPS技術(shù)的融合使用在車載溫控跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。以海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品為服務(wù)對(duì)象，構(gòu)建了一個(gè)基于NFC技術(shù)和GPS技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品車載溫控跟蹤系統(tǒng)。闡述了基于這兩種技術(shù)的系統(tǒng)模型構(gòu)建，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方案。依托NFC近場(chǎng)通信技術(shù)和GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的聯(lián)合使用，對(duì)熱帶農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售整個(gè)產(chǎn)銷流程進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤和管控。該系統(tǒng)的構(gòu)建基本能夠?qū)崿F(xiàn)熱帶農(nóng)產(chǎn)品整個(gè)產(chǎn)銷運(yùn)輸流程的信息化管理，確保農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)銷運(yùn)輸全程信息的公眾透明度，最大程度上保證了整個(gè)運(yùn)輸流程中農(nóng)產(chǎn)品的鮮活度和產(chǎn)品品質(zhì)，同時(shí)也提升了農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸供應(yīng)鏈上的監(jiān)督管理力度，降低了消費(fèi)者和中間商對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的擔(dān)憂，提升海南熱帶農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本系統(tǒng)的構(gòu)建方案也可以推廣應(yīng)用于醫(yī)療用品、工業(yè)用品乃至食品等眾多領(lǐng)域，為我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁學(xué)國(guó)，鄒平，朱軍，等.我國(guó)冷鏈物流業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)、問題與對(duì)策[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2015，17（1）：7-14.

[2] 劉東紅，周建偉，莫凌飛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品及農(nóng)產(chǎn)品中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（1）：146-152.

[3] 張浩，許慎思，劉蕊.射頻識(shí)別技術(shù)在蔬菜冷鏈物流管理中的應(yīng)用研究[J].物流技術(shù)，33（7）：348-353.

[4] 梁琨，肖宏偉，杜瑩瑩，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果蔬冷鏈物流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（11）：519-521.

[5] 陳琴剛，李峰霞，馬本學(xué)，等.基于RFID技術(shù)的棉種溯源系統(tǒng)構(gòu)建[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：388-390.

[6] 徐興梅，曹麗英，趙月玲，等.幾種短距離無線通信技術(shù)及應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：101-102.

[7] 袁廣升.基于RFID/GPS的車載冷藏貨物跟蹤系統(tǒng)研究[D].遼寧：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

[8] 望超，黃翠翠，劉美中.基于MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代物業(yè)（上旬刊），2012，11（1）：28-30.

[9] 阮曉聰，姚松麗，劉凱強(qiáng)，等.基于單片機(jī)的GPS顯示模塊設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2014，23：126-127.

[10] 趙萍.變電站溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.