基于物聯網的農產品可追溯關鍵算法研究

張永恒 ， 張 峰 ，2

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

物聯網作為新興的物品信息網絡，為實現供應鏈中物品自動化的跟蹤和追溯提供了基礎平臺。在物流供應鏈中對物品進行跟蹤和追溯對于實現高效的物流管理和商業運作具有重要的意義。

隨著物聯網的發展，其技術也被廣泛應用到農業生產的各個環節中，目前大多農產品生產企業一直打著綠色農產品的旗號，但消費者并不能看到農產品是否是真正的綠色食品。有了物聯網，消費者可以通過應用安裝在廚房中的點菜機，把所需的農產品信息發送給生產廠家，廠家會把最新鮮的農產品送上門;農產品送到家后，消費者可以通過上網查詢農產品包裝上的條碼，就能了解這棵農產品從種子到采摘的全過程。

同時，應用了物聯網技術之后，可以提供綠色農產品的網上在線訂購，這樣可以及時的將綠色農產品送到消費者手中，保證了食品的新鮮程度，同時使消費者能上網通過商品條碼查詢，了解所購買的農產品生產的全過程，保證綠色、有機不摻假，讓消費者買得放心。

1 相關技術及研究現狀

在物聯網相關技術方面，國內目前在無線傳感器網絡的軟件方面也取得了相應的突破，在基于國外的操作系統之上，開發自己的中間件軟件。如南京郵電大學無線傳感器網絡研究中心開發的基于移動代理的無線傳感器網絡中間件平臺，深聯科技開發的無線傳感器網絡開發套件[1]。國內研究機構在理論研究方面，如對無線傳感器網絡網絡協議、算法、體系結構等方面，提出了許多具有創新性的想法與理論。在這方面，國內的南京郵電大學、清華大學、北京郵電大學等都取得了一些相關的理論研究成果。

本文參照一些農產品企業的實際生產流程，借鑒國內外可追溯系統的相關研究，通過研究基于物聯網的農產品可追溯系統處理方案，研究了基于物聯網的農產品編碼方案以及RFID防碰撞算法模型和數據采集過濾算法模型，并在實際項目中應用，取得了良好的效果。

2 物聯網及其工作原理

2.1 物聯網的定義

物聯網（The Internet of things）的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。

2.2 物聯網的工作流程

物聯網的基本工作流程由四部分組成，即由信息采集系統（RFID系統）、PML信息服務器、產品命名服務器（ONS）和應用管理系統[3]。物聯網的系統結構如圖1所示。它們的功能分別如下：

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

2）產品命名服務器（ONS）。產品命名服務器 ONS（Object Name Service）主要實現的功能是在各個信息采集點與PML信息服務器之間建立關聯，實現從物品電子標簽EPC碼到產品PML描述信息之間的映射。

圖1 物聯網系統結構Fig.1 Internet of Things system architecture

3）PML 信息服務器。 PML（Physical Markup Language，實體描述語言）信息服務器中的數據定義規則由用戶創建并維護，用戶根據事先規定的規則對物品進行編碼，并利用XML對物品信息進行詳細描述。在物聯網中，PML服務器主要用于以通用的模式提供對物品原始信息的規則定義，以便于其他服務器訪問。

4）業務管理系統。業務管理系統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。

3 基于物聯網的系統架構設計

基于物聯網的農產品可追溯系統采用了無線射頻身份識別和二維碼技術，每棵農產品上都貼上二維碼，不管農產品賣到哪里，消費者都可以查到農產品的來源。基于物聯網的農產品可追溯系統的結構如圖2所示。它主要由農產品識別、信息處理/控制/跟蹤、PML服務器、本地數據庫服務器、業務系統5大模塊組成。它們的作用分別如下：

1）農產品識別。農產品識別系統的核心是農產品的編碼和識別。由于每棵農產品的條形碼都有唯一編碼，不管農產品賣到哪兒，只要輸入農產品的編號，就可以對農產品進行跟蹤和監控。所以，在基于RFID或二維碼標簽的農產品可追溯系統采用EPC碼作為農產品的唯一標識碼，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，其內含的一串數字可代表農產品類別和農產品ID、生產日期和生產地等信息[4]。同時，隨著農產品的銷售轉移或變化，這些數據可以實時更新。通常，EPC碼可存入硅芯片做成的電子標簽內，并附在被標識農產品上，以被信息處理軟件識別、傳遞和查詢[5]。

2）信息處理/農產品控制/跟蹤。信息處理/控制/跟蹤模塊是系統的核心功能模塊，它通過數據采集接口、信息處理、農產品跟蹤和監控3個接口同其他功能模塊進行交互，從而實現農產品的自動處理。

3）PML服務器。PML服務器主要由農產品生產廠家創建并維護的服務器，它以標準的XML為基礎，提供農產品的詳細信息，如農產品類別和ID、登生產日期和產地等信息，并允許通過農產品的EPC碼對農產品信息進行查詢。

4）本地數據庫服務器。本地數據庫服務器主要用于存儲數據采集和處理接口獲得的農產品信息，以便在業務系統中查詢和維護。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產品的當前狀態。

圖2 農產品可追溯系統結構圖Fig.2 Agricultural product traceability system architecture diagram

4 基于物聯網的農產品編碼實現

4.1 編碼系統實現的關鍵技術

為確保農產品處理的完整性，對每棵農產品上的標簽都進行了唯一編碼。編碼由3位農產品類別碼和10位農產品ID碼、10位生產日期碼、4位生產地碼、4位生產廠家碼、4位銷售地碼、10位銷售日期碼、4位銷售企業碼及6位序列號組成。 在農產品銷售前，為每棵農產品上貼一個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中間件的設計

根據前面研究的標簽ID表示方法以及Savant中間件的定義，RFID中間件的功能模塊應該包含如下幾個功能模塊:Reader接口模塊、邏輯驅動器映射模塊、RFID數據過濾模塊、業務規則過濾模塊、設備管理與配置模塊、上層服務接口模塊[1]。其中，Reader接口用于中間件與RFID讀寫器的數據通信，主要有獲取RFID數據以及下達設備管理模塊的讀寫器指令。設備管理配置模塊用于調整RFID讀寫設備的工作狀態，配置相應的Reader接口參數等，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 農產品可追溯系統的RFID防碰撞算法研究

在大多應用中，在讀寫器范圍內存在多個待識別的標簽，射頻識別系統的一個優點就是讀寫器在很短時間內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送的數據流，在讀寫器的作用范圍內有多個標簽同時向它發送數據，這種形式被稱為多路存取。為了防止由于多個標簽數據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

假設在某一RFID系統中，讀寫器識別標簽的EPC在k個比特位出現碰撞，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。假設存在某一標簽，其不在搜索的范圍之內，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T。

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

其中，k代表最大的搜索深度，N代表讀寫器作用范圍內所有待識別的標簽數。T（N，i）表示在搜索深度i上，算法所需的時隙數。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和標簽總數為N的RFID系統來說，估計出現的空閑時隙數為:

可讀時隙數為:

碰撞時隙數為:

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

將（6）代入（8）式，就可以得到算法的碰撞數:

6 RFID數據采集過濾算法設計

RFID采集的原始數據量非常大，在實際應用中，根據具體的配置不同，每臺讀寫器每秒可以上報數個至數十個不等的電子標簽數據，如重復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、非重復性的數據，這樣大量的數據如果不經過去冗等處理而直接上傳，將會給整個RFID系統帶來很大的負擔。 所以，對RFID采集的數據進行過濾處理。

RFID數據采集過濾方法設計主要可以分為如下幾類:

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

2）數據采集事件編碼類：對電子標簽狀態的改變進行編碼，定義標簽出現的狀態編碼為0，標簽狀態消失的編碼為1。 然后加入計時器機制，對計時器有效時間內的同一標簽的狀態跳變進行忽略，從而在狀態定義和時間維度2個方面對數據進行了去重化。

上述這些算法均能夠很好地消除冗余數據，減少了上層系統的負荷。 但在實際應用中，除了RFID數據的去冗化以外，對數據的過濾還有著其他的需求。針對上述問題，設計了在不同應用場景下的適應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，每次報告標簽數為5個。算法實現采用java語言，通過Java串口來進行串口通訊。

首先是為標簽構建一個RTagReadEvent類，該類包含的關鍵參數和方法如下：

public void run（）{

while（currentvalue>0）{

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

//觸發標簽出現記錄

……

detecedStauts=true;

}

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

//觸發標簽消失記錄

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，并對各個關鍵字段賦初值，同時啟動該對象內部的計時器線程，該計時器線程的作用是每個報告周期對標簽權值value進行檢查并觸發相應操作.每次檢查后將標簽權值currrentvalue減1，以實現當標簽未被報告時其權值的逐步下降.當權值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現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值.如果權值currentvalue已經達到閥值ReadTagmax，則將其保持在該值，防止經過多個上報周期后標簽權值過高，影響后繼判斷。

7 RFID數據采集仿真與實現

應用該算法對農產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果如圖5所示。

圖5 碰撞檢測算法仿真結果Fig.5 Collision Detection Algorithm simulation results

下面對上述數據采集過濾算法進行仿真檢驗，設置valueStep=5，tagmax=8，tagmin=0，當標簽進入讀寫器范圍后，經過8s左右的時間過濾模塊觸發標簽出現操作，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移過，讀寫器均未觸發多余的標簽出現和消失操作，讀寫器掃描標簽數據如圖6所示。

圖6 讀寫器掃描標簽數據模擬圖Fig.6 Reader scans the tag data mimic diagram

將圖6周期中出現的RFID標簽編碼為標為1，未出現的編碼為0，這樣，對每一個產品電子標簽，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 論

本文所提出的基于物聯網的農產品可追溯系統，它具有高度自動化的特點。目前基于該方案開發的農產品可追溯系統已經在國內某農產品企業安裝使用，今后將根據用戶的反饋繼續完善。

[1]Beno Calmels，Sebastien Canard， Mare Girault.2006.Low-Cost CryPtograPhy for Privaey in RFID Systems[C]//IFIP International Federation for Information Proeessing:238-250.

[2]D Brock．The Physical Markup Language（PML）-A Universal Language for Physical Objects[R].Technical Report MIT，MIT Auto-ID Center，2001.

[3]SSarma， DBrock，KAshton．The Networked Physical World[R]．White paper MIT，MIT Auto-ID Center，2001．

[4]C Law K Lee，K Siu.2000.Effieient Memoryless Protoeol for Tag Identifieation[C]//Fourth Int'l Workshop Diserete Algorithms and Methods for Mobile ComPuting and Comm:75-84.

[5]Generation 2 standards[J].Compuier Standards&Interfaces，29（2）:254-259.

[6]Chung HB，Mo H，Kim N，et al.An advaneed RFID system to avoid collision of RFID reader，using channel holder and dual sensitivities[J].Microwave and Optical Technology LEtters，2007，49（11）:264-2647.

[7]Eom J B，Lee T J，Rietman R.An Effieient Framed-Slotted ALOHA Algorithm with Pilot Frame and Binary Selection for Anti-eollision of RFID Tags[J].IEEE Communications Letters，2008，12（11）:861-863.