基于移動物聯網終端的蠶桑安全追溯系統研究

茅海軍，何明宇，陳一鳴

(1.浙江理工大學 信息學院，杭州 310018；2.麗水市電業局，浙江 麗水 323000)

基于移動物聯網終端的蠶桑安全追溯系統研究

茅海軍1，何明宇1，陳一鳴2

(1.浙江理工大學 信息學院，杭州 310018；2.麗水市電業局，浙江 麗水 323000)

提出一種結合物聯網技術和Internet技術對蠶桑的種植生產進行有效監控和管理的方案。以用戶層、業務層、數據層的三層體系構建了蠶桑安全追溯系統平臺，研究設計了基于RFID技術的移動終端，開發了基于CF射頻卡的接口以及運行在移動終端上的應用程序，實現了電子標簽和移動終端的數據之間的讀寫，并利用Web Service技術實現了遠程數據查詢和網絡數據推送，最終實現追溯系統和移動終端無縫對接。為蠶桑生產基地提供了生產安全的監控平臺，為蠶農提供了詳細的蠶桑履歷查詢，以確保蠶的存活率和蠶繭的質量。

物聯網；移動終端；蠶桑；追溯系統

中國古人極為重視桑蠶業，《管子·山權數》中說：“民之通于蠶桑，使蠶不病者，皆置之黃金一斤，直食八石。”此話足以證明當時的統治者對桑蠶生產及蠶病防治的重視[1]。近年來，隨著農田害蟲的猖獗，農田用藥日益加重，致使土壤、水體、大氣整個生態環境受到嚴重污染，對蠶桑生產安全構成了嚴重威脅，蠶中毒事故頻發，嚴重挫傷了蠶農發展蠶桑生產的信心[2]。浙江是蠶繭主產區，蠶桑安全直接影響著絲綢業的發展。因此，加大蠶桑重大病蟲防控與安全生產技術研發，解決桑蠶重大病蟲害嚴重，有害物質污染、中毒多發，以及蠶藥、桑樹用農藥研發等問題，是浙江省“十二五”期間桑蠶發展的指導思想與主要目標之一[3]。建設優質高產的桑蠶繭生產基地，提升蠶繭質量，對推進繭絲綢業持續健康發展具有重要意義。

1 物聯網與RFID技術

物聯網是在互聯網概念的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到物與物之間進行信息交換和通信的一種網絡。其中RFID(Radio Frequency Identi fi cation，射頻識別)，是能讓物品說話的一種技術，它能標識出物品的信息。在物聯網中，RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡把它們采集到處理系統，實現對物品信息的分析和處理，并且能通過開放性的計算機網絡實現信息的交換和共享[4]。

隨著物聯網逐漸成為研究的熱點，其技術也被廣泛應用到農業生產的各環節，如個體識別，生產監測，供應鏈追溯等。筆者在借鑒國內外研究成果的基礎上，根據典型的蠶桑基地種植生產流程特點，構建了蠶桑安全追溯系統，設計了基于物聯網RFID技術的移動終端，與追溯系統實現了無縫對接，為蠶桑生產安全的監控和管理提供有效的解決方案。

2 系統的構建

2.1 系統的架構

蠶桑生產作為一個流程性的生產過程，涉及蠶桑的播種、剪枝、灌溉、施肥、施藥、檢測、采收和喂養的全過程，需要構建一個統一的數字化系統平臺進行管理。系統平臺架構如圖1所示，其中數據層包括提供業務數據的業務數據庫和提供基礎平臺的平臺數據庫。核心業務層主要實現系統的業務功能。用戶層為用戶提供兩種不同的接入方案：一種是基于物聯網技術的移動終端接入，另一種是通過傳統的瀏覽器/服務器模式接入，即B/S模式。

2.2 核心數據層的7個子系統

1)產地子系統：對產地信息進行管理，包括地塊編號、附屬地詳細信息、方位、面積、狀態、種植戶姓名、種植方式、種植品種、大棚編號等。產地信息是整個系統的最底層數據，后期的栽培信息都與產地信息掛鉤，從而實現最終的追溯。

2)生產履歷子系統：建立在前期產地子系統的基礎上，記錄現有塊地的蠶桑從播種、剪枝、灌溉、施肥、施藥和采收的全部生產日志信息。

3)全檢中心子系統：包含抽樣、接樣、定性檢測、全檢查詢4個子模塊。這些模塊間的關系定義并實現了蠶桑檢測的流程：桑葉在采收前先抽樣，抽樣環節包括種植地塊信息、品種信息、抽檢信息(抽樣批次、種植品名、產地類型、抽檢人、抽檢日期等)。

4)喂養子系統：只有檢測合格的批次產品才能進入喂養流程，喂養信息包括提貨人、喂養人、流水號、品名、數量、單價等信息。并將喂養信息作為蠶桑供應鏈的最后環節，提供追溯查詢。

5)信息維護子系統：對農藥信息、肥料信息、種植戶信息和病蟲害信息進行維護。

6)RFID標簽子系統：用于讀取標簽信息，并將產品的追溯碼寫入RFID標簽中，通過射頻移動終端可讀取標簽內的追溯碼。

7)追溯子系統：輸入追溯碼，可查詢到蠶桑的生產和供應鏈信息，包括產地信息、種植戶信息、生產履歷信息、農藥化肥使用情況等。該功能同時支持移動終端和瀏覽器兩種方式的查詢。

2.3 追溯碼生成算法

為了確保蠶桑的質量安全，桑葉在最終采收前，都必須先進行抽樣送檢，只有檢測合格的產品才能提供給蠶農。在抽樣的過程中系統就會對送檢的產品批次根據算法產生追溯碼。追溯碼是蠶桑批次唯一的標識身份證號，系統以種植基地機構代碼，地塊標識，品種和抽樣時間等要素作為編碼對象，為了避免時間上的重疊，算法根據抽樣時間產生6位壓縮無序編碼，追溯碼生成算法如圖2所示。

示例代碼如下：

//取地塊標識

Int iPlaceId = 10000

+Convert.ToInt32(strPlaceId);

……

//根據抽樣時間生成6位壓縮無序碼int iSeed=10;

Random ro = new Random(iSeed);long tick = DateTime.Now.Ticks;

Random ran = new Random((int)(tick &0xffffffffL) | (int) (tick ＞＞ 32));

int iResult;

int iUp=999999;

int iDown=100000;

iResult=ran.Next(iDown,iUp);

//生成追溯碼

string strTraceNo =

strComID.ToString()+ iPlaceId.ToString() + iTypeId.ToString()+iResult

根據上述編碼規則，可產生例如7271315521001 10008496612的24位長度的追溯碼。

3 基于RFID移動終端的設計

為了和追溯系統實現無縫對接，設計了基于RFID的移動識別終端，該終端由電子標簽和天線(閱讀器)兩部分構成，電子標簽由耦合元件及芯片組成，具有唯一編碼用于標識，閱讀器利用天線收發射頻信號，同電子標簽進行通信，達到識別或交換數據的目的。

由于市場上現有的手持RFID射頻讀寫器價格比較昂貴，考慮到項目實施和推廣的成本因素及更好地和系統平臺兼容等問題，系統采用了HP iPAQ 2490(以下簡稱2490)Pocket PC做為移動終端的載體，操作系統為Windows Mobile 6.0，自行研制具有識別和無線傳輸功能的追溯查詢終端，整體方案框圖見圖3。

3.1 基于CF接口的RFID標簽讀寫

Pocket PC硬件系統具有高度集成的特點，提供并支持多種數據接口，例如CF接口、SD接口、紅外接口、藍牙接口、802.11無線網卡等，作為移動終端的載體，為其硬件擴展提供了多種可能性。其中CF接口可從 Pocket PC獲取較大的電源功率，以16位并行方式與Pocket PC進行高速數據傳輸、具備包括中斷和DMA在內的多種觸發信號，廣泛應用于數據采集卡、MODEM、網卡、GPS卡的設計中[5]。

實際中使用的CF卡(Compact Flash RFID Reader)為D-Think-901A，其結構包括CF插槽接口、天線、閃存、微控制單元MCU及CF/UART轉換模塊等。CF RFID卡的硬件框圖見圖4，其工作過程如下：將CF卡插入已經處在開機狀態的2490，CF卡通電后，微控制單元MCU對射頻讀寫模塊進行初始化，接著由控制總線通知上位機 CF卡已經準備好，上位機識別CF卡。

3.2 電子標簽

系統選用D-Think公司的M1異形卡為射頻電子標簽，該異形卡采用Philips Mifare1芯片，支持ISO 15693、14443A和14443B工作協議。工作頻率為125 kHz/13.56 MHz，具備多標簽防沖突機制。標簽數據存儲容量32 kB，擁有32個分區，支持ISO 15693強制性指令和可選或者自定義指令集，有效讀寫距離范圍1～3 cm，標簽工作于“閱讀器先講”的模式。

3.3 CF卡驅動程序的設計

CF卡的驅動程序采用流接口驅動程序開發。流接口驅動程序由設備管理器統一加載、管理和卸載，流接口驅動程序具有固定的入口點函數，操作系統的文件系統通過這些入口點函數與流接口驅動進行通信，從而實現用戶程序訪問驅動程序并操作硬件的目的[6]。

流接口驅動程序通過編譯后生成動態鏈接庫即DLL文件。CF卡驅動程序需要通過調用封裝在DLL文件內部的函數來實現，API函數封裝了標準入口點函數，使用文件句柄訪問內部資源。應用程序讀取標簽時，由API函數SetWorkMode()選擇工作接口模式，調用CFInitCom()函數初始化端口和波特率，CFGetHardWareVersion()函數讀取硬件版本，CFSetAntenna()打開天線，調用FISO14443_3ARead()C FISO14443_3AWrite()等API接口函數實現對標簽分區的數據讀寫。

3.4 WebService訪問技術

Web Service是一種構建應用程序的通用模型，可以為其他應用程序提供數據與服務[7]。各種應用程序通過網絡協議和規定的一些標準數據格式(如Http，XML，Soap)來訪問Web Service，通過Web Service內部執行得到所需結果。Web Service可以執行從簡單請求到復雜商務處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應用程序可以發現并調用它部署的服務。

本研究在服務器ASP.NET平臺上部署專門的Web Service查詢服務，將PPC發送的追溯碼作為請求參數，通過無線網絡發送到服務器，調用指定的Web Service服務，服務器根據參數反饋查詢結果，從而在移動終端獲取該追溯碼所提取的后臺數據庫信息。

3.5 移動終端的應用程序

作為追溯系統的延伸，基于PPC的移動終端已具備標簽識別和無線傳輸功能。而運行于PPC上的應用軟件，為用戶提供最終的移動解決方案，是追溯系統的一個重要組成部分，通過移動設備與服務器間的通訊及應用程序數據交換，使追溯延伸到用戶指尖。

PPC移動終端用戶軟件的開發環境采用的是MS的Visual Studio 2008，該開發環境集成了NET Compact Framework 3.5(.NET CF)框架，此框架提供了一個從服務器到桌面到設備的端到端編程模型，同時Visual Studio 2008提供了基于WM操作系統的開發模板，集成了Device Emulator，包括PPC仿真器，通過運行仿真器可直接測試程序在Windows Mobile 6.0環境下的運行效果。最后需要使用ActiveSync，使Windows Mobile設備與PC連接進行數據同步。

運行在移動終端上的應用程序可以讀取并發送蠶桑唯一的標識追溯碼，利用Web Service技術及時將信息從服務器通過網絡傳輸到移動終端上(圖5)，從而建立起高效可靠的追溯機制。

圖5 運行在PPC上的用戶應用程序Fig.5 The application program running on the PPC

4 結 語

本研究以用戶層、業務層、數據層的三層體系構建了蠶桑安全追溯系統平臺。研究設計了基于RFID技術的移動終端，開發了基于CF射頻卡的接口及運行在移動終端上的應用程序，實現了電子標簽和移動終端的數據之間的讀寫，并利用Web Service技術實現了遠程數據查詢和網絡數據推送，最終實現追溯系統和移動終端無縫對接。可為蠶農提供詳細的蠶桑履歷查詢，以確保蠶的存活率和蠶繭質量，為蠶桑安全生產提供重要的技術保證。

[1] 龔光明，楊旺生.中國古代桑、蠶災及其防治[J].華南農業大學學報：社會科學版，2008，7(1)：97-102.GONG G M,YANG W S. A tentative exploration of mulberry and silkworm disasters in ancient china[J]. Journal of South China Agricultural University(Social Science Edition), 2008,7(1):97-102.

[2] 王羽騁，李碧君.環境污染對江蘇蠶桑生產的威脅及防對策[J].江蘇蠶業，2011(4)：39-40.WANG Yupin, LI Bijun. Threats and preventive measures of the environmental pollution of sericulture production in Jiangsu[J]. Jiangsu Sericulture, 2011(4):39-40.

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Research on Silkworm-Mulberry safety traceability system based on mobile terminal of the Internet of Things

MAO Hai-jun1, HE Ming-yu1, CHEN Yi-ming2
(1.College of Information, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.LiShui Electric Power Of fi ce, Lishui 323000, China)

This thesis puts forward schemes of effective monitoring and management to plant and produce Silkworm-Mulberry, which is based on the internet of things and internet technology. Additionally, this thesis constructs a platform of Silkworm-Mulberry safety traceability system by a three-layer system, i.e., userbusiness-data system. In addition, it studies mobile terminal based on RFID, and develops ports and application programs that operate at mobile terminal, which are based on CF cards. Furthermore, it realizes the reading and input among data of RFID and mobile terminal, uses Web Service to realize the searching of remote data and the network data mining as well as realize the seamless joint of traceability system and mobile terminal. The said provides a monitoring platform of safe production for silkworm-mulberry manufacturing base as well as the specific search for silkworm-mulberry experience for silkworm raisers to ensure the silkworm raiser and quality of silkworms.

Internet of Things; Mobile terminal; Silkworm-Mulberry; Traceability system

F307.3

A

1001-7003(2012)06-0046-04

2012-04-06

茅海軍(1979－ )，男，講師，主要從事計算機網絡、物聯網應用的教學與研究。