基于ZigBee和RFID技術的生豬屠宰可溯源系統的設計與實現

姬五勝，郭 宏，張豐臣

（1.天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222；2.蘭州理工大學計算機與通信學院，蘭州 730050）

近年來，我國畜牧業生產呈現出持續穩步、健康發展的態勢。但由于在豬肉生產過程中，企業管理不規范，產品安全問題難以追溯，導致動物性食品安全事件時有發生[1]，因此，構建一個完善的可溯源監控平臺，對于保障食品安全、提高經濟和生活水平有著重要的作用。目前，對于食品的溯源都是采用RFID射頻電子標識，但現有的RFID讀寫器一般是建立在有線傳輸的基礎上，存在讀寫器的位置固定、靈活性差、數據傳輸距離短以及設備成本高等缺點。與有線傳輸系統相比較，采用ZigBee無線傳輸技術可實現數據信息的無線雙向傳輸，使讀寫系統應用更加靈活。

目前，我國基于動物產品的溯源系統在理論和實踐中取得了重大進展和突破，并運用到現實產品的溯源之中。王培強等[2]基于RFID與條碼技術的豬肉追溯管理信息系統分析與設計，制定了可行的追溯碼編碼規則，使整條物流鏈的數據有效關聯。但對于溯源產品信息的采集和溯源信息的硬件系統沒有做詳細的研究和設計。鮑曉成[3]基于物聯網的豬肉食品供應鏈可追溯體系研究，對我國豬肉產品的信息溯源關鍵因素和溯源系統做了詳細的理論研究，但是并沒有將該系統實現并應用到實際的生產溯源過程中。本文將ZigBee無線通信技術與RFID技術相融合，設計了一套可移動的無線RFID讀寫器。這樣既彌補了傳統RFID的不足，又采用ZigBee無線網絡技術，使得屠宰場監控的實時性與網絡化得到提高。在Visual Studio 2008平臺上開發基于C/S的溯源系統應用軟件，通過無線RFID讀寫器將生豬的進宰、檢疫、分割等實時信息錄入到屠宰場數據庫中心，實現對屠宰生產信息進行管理；同時，系統查詢終端能夠為企業管理提供信息服務，管理人員通過查詢終端能查詢到企業信息、職員信息以及產品生產信息。

1 系統的總體架構

1.1 系統的設計方案

屠宰可溯源系統由無線RFID讀寫器、ZigBee無線傳感網絡以及在Visual Studio 2008平臺上開發的C/S應用軟件組成。本文通過對蘭州市肉聯廠生產加工過程的調研，以HACCP體系為理論依據[4]，結合實際的生產工藝，確定其系統的功能。利用該溯源系統，能夠將生豬屠宰加工過程中的實時信息記錄在數據庫中，實現對企業和員工相關信息的管理、查詢以及系統相關信息的維護。其系統功能結構如圖1所示。

圖1 屠宰場可溯系統結構圖

1.2 系統的主程序流程圖

在整個系統中，ZigBee協調器完成對整個ZigBee通信網絡的組建，等待路由器和終端節點加入網絡。無線RFID讀寫器對屠宰監控過程中相關節點信息的進行采集，然后通過ZigBee網絡傳送至上位機，并將相關的信息存儲到數據庫中。其主程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖

在無線RFID讀寫器中，射頻芯片MF RC522與電子標簽之間的通信協議遵循ISO/IEC14443A。CC2530主控芯片首先通過 SPI接口控制MF RC522與進入天線范圍內類型相符合的卡進行通信，讀取卡中信息，將信息進行相應處理，變成符合ZigBee協議的數據包[5-6]，并把數據包傳送給ZigBee網絡中的協調器，通信協議為IEEE 802.15.4協議標準[7-10]。而協調器與上位機通過UART接口相連，最終把數據傳給PC機進行處理。同樣，也可以通過上位機發送控制指令來完成對電子標簽信息的修改等操作。

2 無線RFID讀寫器系統的設計

可移動無線RFID讀寫器系統的主要功能是對于屠宰場相關溯源信息的采集、傳輸以及修改。無線RFID讀寫系統的硬件設計主要包括射頻通信模塊部分的電路設計、ZigBee終端節點的電路設計以及ZigBee協調器的電路設計。

2.1 射頻通信部分的電路設計

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簽進行通信，完成標簽數據信息的交換[11]。射頻模塊核心芯片采用Philips研發的MF RC522，電子標簽為飛利浦公司生產的M1卡。射頻通信模塊電路如圖3所示。

圖3中，射頻模塊將包絡信號調制的13.56 MHz載波能量信號通過引腳TX1和TX2發送至天線模塊。天線由L1、L2、C11和C12組成的EMC濾波電路和C5-C10組成的匹配電路來驅動，將能量信號發射出去。在信號的接收部分，RX引腳的直流輸入電壓由C3和R2來穩定在VMID，其交流輸入電壓可通過R3和C4來調整。

2.2 ZigBee無線模塊電路設計

ZigBee模塊的主要功能是發送和接收數據。系統采用TI/Chipcon公司生產的CC2530低功耗射頻芯片，它整合IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發機以及工業標準的增強型8051MCU內核[12]，其核心控制電路如圖4所示。

圖3 RFID讀寫系統射頻通信模塊

圖4 ZigBee核心控制電路設計

2.3 CC2530與MF RC522的硬件接口電路

系統采用32 MHz晶振作為CC2530核心控制器的時鐘信號，CC2530與射頻模塊之間采用SPI方式進行通信，P1_7接射頻芯片MF RC522的SDA端，作為信號的控制線。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相關寄存器的讀寫。P0_5接MF RC522的復位引腳，用于控制器復位。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 無線RFID讀寫器應用軟件設計

在VS2008開發平臺下，開發基于串口通信的上位機讀寫器軟件[13]。利用該應用軟件能實現對電子標簽卡號讀取、讀取指定扇區數據塊數據、修改指定扇區數據塊的數據的功能。讀寫器上位機應用軟件如圖6所示。

圖6 讀寫器上位機應用軟件

以用戶指定修改01扇區第00數據塊的數據為例來說明上位機寫卡過程。在“修改指定數據塊數據”部分，選擇扇區編號“01”，數據塊編號“00”。在應用軟件界面中“修改的數據”欄中寫入數據“01888888882510199990000251110088”，然后點擊“修改數據”按鈕，上位機系統則將數據編碼為“19A2FFFFFFFFFFFF0401888888882510199990000251110088”。每2個數占一個字節，其中“19”代表向讀寫器發送25個字節數字，“A2”表示要執行寫數據指令，“FFFFFFFFFFFF”是數據塊的初始密碼，“04”代表的是數據塊為第4塊，上位機軟件將發送的控制指令字符串編碼成二進制格式的數據，通過PC串口發送給ZigBee協調器，然后再通過協調器發送給ZigBee終端節點，終端節點控制射頻模塊MF RC522把數據寫入電子標簽相應的數據塊中存儲。為了驗證顯示的數據是否正確，可以在“讀指定數據塊數據”來讀取剛才寫入的數據。圖6中選擇扇區編號“01”，數據塊編號“00”，點擊“讀數據”按鈕，可以看到“讀取的數據”塊中顯示的是剛才寫入的數據。

3 系統網絡通信結構

現有的RFID讀寫系統一般是建立在有線傳輸的基礎之上[14-15]，讀寫器通過RS232或者以太網等接口[16-17]與上位機進行通信。但由于RFID讀寫器的抗干擾能力較差，易受環境等因素的影響。本文將ZigBee和RFID技術相融合，建立基于ZigBee網絡的無線RFID讀寫器，可通過無線RFID讀寫器實現對于屠宰場相關信息的采集和傳輸，其系統通信結構如圖7所示。

圖7 系統通信結構

系統的網絡通信結構如圖7（a）所示，主要包括：①無線RFID讀寫器。負責整個屠宰場溯源信息的采集，然后將采集的信息通過ZigBee終端節點傳輸給ZigBee路由器，同時終端節點根據ZigBee路由器傳輸過來的操作指令來控制RFID讀寫器進行相應的操作。②ZigBee路由器節點。將ZigBee終端節點傳輸的信息轉發給ZigBee協調器，同時接收協調器發送過來的指令信息，將其發送給ZigBee終端節點。③ZigBee協調器節點。負責整個ZigBee系統網絡的啟動，將ZigBee路由器發送過來的信息通過串口的方式發送給上位機應用系統，同時將上位機應用系統傳輸過來的控制信息發送給ZigBee終端節點。④PC機。安裝應用軟件，實現人機交互。無線RFID讀寫器的基本結構如圖7（b）所示，主要包括：①電子標簽。記錄了標簽卡號以及豬肉產品的數據信息。②讀寫器。由CC2530核心控制芯片和射頻芯片組成。CC2530通過控制射頻芯片來識別電子標簽的數據信息，并對電子標簽進行相關信息的讀寫等操作。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。本文ZigBee網絡節點上采用的是TI公司的Z-Stack 2007協議棧，在其應用層進行程序的開發，完成網絡的組建和產品相關溯源信息的傳輸，其ZigBee網絡建立流程圖如圖8所示。

圖8 ZigBee網絡建立流程圖

4 溯源監控系統軟件設計

4.1 屠宰場信息查詢系統

管理人員可以通過信息查詢系統查詢企業信息、職員信息以及產品信息。在查詢系統中，選擇要查詢的內容以及其中一條查詢條件就可以查詢到所需要的信息，其信息查詢系統模塊流程如圖9所示。

圖9 信息系統查詢模塊流程圖

4.2 屠宰場檢疫信息錄入系統

屠宰場檢疫信息是通過檢疫信息模塊對相關信息的錄入。檢疫信息模塊分為2個部分：部門檢疫和獸醫檢疫，如圖10所示。部門檢疫是記錄胴體檢查環節相關指標是否合格，并在管理中心數據庫中進行記錄，圖10（a）為生豬胴體內臟檢疫系統模塊。獸醫檢疫對各個部門的檢疫結果進行審核，并將審核結果通過獸醫檢疫系統提交到中心數據庫中，圖10（b）為獸醫檢疫系統模塊。

圖10 檢疫信息模塊

4.3 屠宰場信息維護系統

信息維護系統主要分為3個部分：①新員工注冊，即將新員工的個人信息記錄在數據庫中，并設置其員工編號、密碼、訪問權限以及工作部門；②老員工數據更新，即當老員工個人信息發生變動時，利用軟件更新記錄在數據庫中；③生豬信息管理，即利用上位機軟件對豬只進行編碼，并將該編碼信息寫入到電子標簽中，同時在數據庫中進行記錄，其數據采集管理系統界面如圖11所示。

圖11 屠宰場數據采集管理系統

5 結束語

食品安全問題一直備受人們的關注，建立一套完整的食品溯源系統是食品安全的有力保障。本文將射頻識別技術與無線通信技術相融合，設計研發了基于CC2530的無線RFID讀寫器和讀寫器應用軟件，既克服了傳統RFID讀寫器距離短、抗干擾性差、易受環境影響等缺點，又使屠宰場的監控實時性與網絡化得到提高。在Visual Studio 2008平臺下開發基于C/S架構的信息維護子系統、檢疫信息錄入子系統和信息查詢子系統，同時，采用CC2530無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。試驗表明，該系統穩定性高、識別距離長、應用靈活和擴展性好，具有很高的經濟實用價值。

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