基于LPC1766的農產品流通追溯系統設計

孫傳恒，楊信廷，李文勇，周 超，李道亮

（1.中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京100083；2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097）

0 引 言

農產品流通追溯是實現農產品全程追溯的關鍵和難點［1］。農產品流通追溯直接影響農產品的生產過程［2］，通過流通階段建立 “倒逼”機制，可有效引導農業標準化生產，提高流通主體的安全責任意識，增強政府對農產品監管和服務水平，促進現代流通體系的完善，從而促進全程質量追溯系統的實施［3－4］。但目前農產品生產和流通的組織化程度較低，包裝化程度不高，大部分采用傳統的人工結算交易，各流通節點信息不能有效交換［5－7］。因此，農產品流通階段追溯系統在設計上需采集、記錄、傳輸每個流通節點的信息，將各經營節點的信息相關聯，形成完整的流通信息鏈條和責任鏈條［8］。

在流通階段實行電子結算可有效保證追溯流程的完整性，但現階段使用的交易設備，只有稱重功能，交易記錄不能存儲，無法進行稱量過程的跟蹤，而且大多是獨立使用的，不能與上位機進行通訊或采用串口方式與上位機進行通訊［9－10］，無法實現對農產品流通的分布式追溯。面向農產品流通追溯的需求，針對不同包裝程度、流通模式及經營者信息化管理水平，基于嵌入式LPC1766處理器，集成RFID射頻識別技術、條碼技術，設計開發了農產品流通追溯系統的軟硬件方案［11］。系統硬件在設計上盡可能簡化，只保留必要的硬件電路，如A/D轉換電路、串口電路、鍵盤電路、顯示電路等，其它以接口電路形式實現。軟件基于硬件平臺直接開發，實現了重量采集任務、RFID身份識別任務、標簽打印任務和網絡數據交互任務等算法，具有占用硬件資源較少，實時性強、處理速度快的特點。

1 流通追溯系統總體設計

1.1 流通追溯系統主要功能

流通追溯系統主要實現農產品交易過程的重量感知、交易主體身份識別、交易客體的標識和交易過程信息的采集與上傳等功能，具體如下：

（1）產品稱重：重量傳感器信號經A/D轉換生成重量信息，用戶通過PLU預置商品信息關聯產品單價，并自動計算商品總價，完成產品稱重計價。

（2）身份驗證：用于流通階段責任主體身份的驗證，通過集成RFID讀寫模塊實現用戶身分合法性的驗證，通過驗證后設備啟動并進入稱重狀態。

（3）標簽打印：農產品生產日期、保質日期、生產單位、重量等信息通過文字、數字、一維碼、二維碼等形式打印到標簽上，方便客戶對農產品信息的追溯。一維碼支持EAN－13、EAN－128等碼制，二維碼支持QR碼、漢信碼、DataMatrix等碼制。

（4）數據上傳：交易完成后，在打印產品交易標簽時，同時把標簽內容數據進行二值化并以UDP數據包格式通過指定端口發送到數據庫服務器，實現交易數據的上傳。

1.2 系統硬件框圖

系統整體硬件結構如圖1所示。LPC1766處理器的內核是 Cortex－M3，Flash容量為256KB，SRAM 為64KB，包括UART接口5個、SSP接口3個、SPI接口1個、I2C接口3個，封裝方式為LQFP100，該芯片具有資源豐富、功耗低的特點［12］。接口模塊包括RFID身份識別模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、打印模塊和無線通訊模塊。重量傳感器將重量轉換為電壓信號，經過信號濾波和放大后，信號被送入A/D轉換器，由A/D轉換器實現模擬信號到數字信號的轉化，并經LPC1766處理后發送到數碼管；RFID身份識別模塊通過識別用戶電子標簽ID，經串口發送到LPC1766處理認證；鍵盤模塊通過GPIO與中斷的行列掃描實現與LPC1766的通訊；打印模塊通過UART接口與LPC1799通訊，并執行控制模塊指令；無線通訊模塊通過以太網接口與LPC1766通訊，通過UDP協議發送到后臺服務器，實現對交易數據的管理［13－14］。

圖1 農產品流通追溯設備的硬件結構

2 系統硬件設計

2.1 系統電源電路

系統電源電路如圖2所示。根據系統設計要求，外部220V交流電經開關電源轉換為12V以后接入主板，主板電源電路先將12V穩壓為5V，然后再將5V穩壓為3.3V。12V向5V轉換用的是ST公司三端穩壓集成電路L7805，L7805為線性DC－DC轉換芯片，輸出電源波紋小，可以滿足AD部分對電源較高的要求。5V向3.3V的轉換是用LDO穩壓芯片1117，1117具有輸出電流大，輸出電壓精度高等特點，此外還具有電流保護和熱保護的特點。

圖2 系統電源電路

2.2 信號調理與A/D轉換

重量采集是追溯設備主要功能之一，因此設備的精度至關重要。精度主要取決于模數轉換器的分辨率［15］。A/D轉換國產芯片采用HX711，它是一款專為高精度設備轉換設計的24位的A/D轉換芯片，內部集成了電源處理穩壓模塊和時鐘發生器等外圍電路。穩壓模塊可以為傳感器和A/D轉換部分提供能量。它有2個A/D轉換通道可以供選擇，通道A為主通道，增益分別為128或者64，用于采集信號變化范圍分別為±20mV或±40mV的模擬信號。通道B的放大倍數為64，用于檢測系統運行時候的參數如電池電壓。A/D轉換電路原理圖如圖3所示。

圖3 A/D轉換電路原理

2.3 以太網接口電路設計

以太網電路如圖4所示。LPC1766內部已經集成了以太網控制器，因此用戶在芯片外部只需接一個以太網PHY（物理層）接口芯片和相關電路即可。在設計時由于LPC1766只支持RMII接口，故只能選擇支持RMII接口的PHY芯片，本設計中采用DP83848I實現和LPC1766的連接，DP83848I的RMII數據接口包括發送數據管腳TXD0、TXD1，發送使能管腳 TXEN，接收數據管腳RXD0、RXD1，接收數據時鐘管腳RXCLK，接收使能管腳RXEN和載波偵測管腳CRS。DP83848I的28管腳上拉和18管腳下拉將KSZ8041NL配置成RMII接口模式；15管腳同地之間的4.87K歐姆的電阻用于調整DP83848I的輸出電流。另外，26和28管腳也用于控制LED，表示當前的網絡狀態。時鐘輸入頻率是50MHz。

圖4 以太網電路原理

2.4 RFID身份識別接口電路

RFID接口電路如圖5所示。RFID模塊采用SLRC400射頻芯片，執行從LPC1766發過來的各種動作指令，實現射頻芯片與電子標簽的通信控制和通訊數據的加密和解碼。其中，RFID模塊與LPC1766通過串口通信，電路中J9－1為控制信號輸出，J9－2接蜂鳴器，J9－3為自動尋卡中斷輸出，低電平有效，可以根據需要配置。

圖5 RFID接口電路原理

2.5 其它外圍電路設計

其它外圍電路主要包括打印接口電路、按鍵輸入電路和顯示電路。打印模塊通過MAX3232與LPC1766的串口1連接；按鍵輸入電路通過GPIO與中斷行列掃描與控制電路相連，每行加一10K的上拉電阻，組成8＊8的矩陣鍵盤，實現按鍵輸入中斷；顯示電路通過SPI接口與MB15026芯片相連，驅動8段＊16位的LED數碼管。

3 系統軟件設計

3.1 軟件開發控制流程

軟件開發采用C語言作為開發語言，以keilμVision3 IDE作為開發平臺，基于模塊化的開發思想來實現軟件系統，整個軟件系統控制流程如圖6所示。

圖6 系統開發流程

軟件系統由標定子程序和應用子程序兩部分組成，在應用子程序中，包括重量采集任務、RFID身份識別任務、LED顯示任務、鍵盤鍵值掃描任務、網絡數據交互任務和數據打印任務。各個任務之間采用順序和事件驅動的方式完成，CPU開始實時探測是否有射頻RFID信號，檢測到信號且通過身份識別后，系統進入稱重狀態，同時實時監測網絡數據的收發、鍵盤鍵值的掃描、LED數碼管的顯示以及根據鍵值進行任務的跳轉。

3.2 標定子程序控制流程

圖7是系統標定子程序流程圖，當RFID卡身份信息驗證成功后，當標定開關按下時，系統進入標定子程序，首先按分度值的設定、滿量程量設置、過載量設置、加載量設置步驟進行參數的設置，然后進入零位狀態，此時一定要確保秤臺上為空載，按確定鍵后，進入加載狀態，放上與加載量相等的砝碼。最后待穩定指示燈點亮時，按 “確認”鍵退出完成標定操作。

3.3 應用子程序控制流程

圖8是系統應用子程序流程圖，當RFID卡身份信息驗證成功后，當不進行標定時，系統進入應用子程序。首先進行網絡地址進行初始化，為后面的數據上傳提供網絡支持，然后從Flash存儲器中讀取標定參數，并進行開機秤臺清零處理，最后進入稱重顯示狀態。根據用戶按鍵命令進行條碼編碼算法后，進行重量采集、條碼打印和數據上傳等服務。

3.3.1 RFID身份識別任務設計

RFID身份識別任務，主要負責RFID射頻信號的探測以及用戶身份ID號的獲取，當有RFID卡靠近時，系統感應射頻信號，讀取卡內用戶信息，并進行存儲，隨后系統進入正常工作模式，主要算法如下：

Void TASK＿ListenCard（void）

｛監聽RFID信號；

讀取卡內用戶信息；

存儲用戶信息；

進入稱重工作模式；｝

3.3.2 重量采集任務設計

重量數據采集任務，主要負責讀取AD轉換器的AD值，利用滑動平均濾波數據處理算法進行數據處理，最后根據標定參數，計算得出實際的重量數據值，主要算法如下：

Void TASK＿WeightAcquisit（void）

｛循環讀取AD值；

平滑濾波處理；

重量數據計算；｝

3.3.3 標簽打印任務設計

標簽打印任務主要負責一維條碼、二維條碼生成，定制條碼標簽格式等。其中，一維條碼采用EAN－128碼制實現，編碼主要包括市場編號、經營主體號碼、產品編號和銷售日期編號等，二維條碼采用漢信碼實現，內容包括市場信息、經營主體信息和產品信息，并經DES算法加密后存儲在漢信碼中，實現信息的安全存儲。具體算法如下：

Void TASK＿LabelPrint（void）

｛調用一維條碼生成算法，生成一維條碼信息；

調用二維條碼生成算法，生成二維條碼信息；

標簽格式定制；

調用數據上傳函數，完成打印；｝

3.3.4 網絡數據交互任務設計

網絡數據交互任務設計，主要負責系統與上位機之間的數據交互，包括數據的接收與發送，主要算法如下：

Void TASK＿NetDataExchange（void）

｛監聽上位機端口數據；

有數據，接收并進行串行Flash存儲；｝

4 系統實驗

4.1 系統重量準確度測試

根據國家標準 《非自動秤通用檢定規程JJG555－1996》的要求，利用F1級的檢定砝碼（包裝標稱值為20Kg、10Kg、1Kg、10g和1g的標準砝碼若干），對設備的準確度誤差進行了檢定，試驗結果見表1。從結果可以看出，設備的指標優于國家規定的三級秤標準。

表1 設備準確度測度誤差

4.2 系統在流通追溯中的應用測試

研發的農產品流通追溯設備樣機，成功實現了在北京某批發市場的測試應用。通過發行采購商卡，實現對產品來源的跟蹤，并通過網絡傳輸軟件實現數據的上傳和混合條碼標簽的打印。消費者可以通過產品條碼實現對產品來源、銷售信息、檢測信息、商戶信息的追溯。農產品流通追溯系統如圖9所示。

圖9 農產品流通追溯系統

5 結束語

本文給出一種農產品安全流通追溯系統硬件電路和軟件設計與實現過程，基于LPC1766處理器完成了電源、A/D轉化、晶振、復位、以太網通信和RFID模塊、條碼打印模塊的電路設計，實現了硬件設計的簡化；基于模塊化的思想進行開發，實現了重量采集、條碼打印、RFID識讀、數據上傳等任務算法，達到了配置方便，使用靈活，滿足不同層次不同需求的批發市場的目的；經重量準確度測試，系統準確度誤差在0.5%以內，優于國家三級秤的標準，完全可以滿足農產品交易的需求，并能實現農產品流通過程的質量追溯，對于提高流通階段的農產品質量安全監控水平具有重要促進作用。

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