基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統

黃慶林++張立新++焦玉聰

摘要：解決棉種銷售過程中假種子頻現問題的前提是準確獲得棉種各個環節的實時信息，為了更準確地檢測棉種在各個環節的實時信息，采用Visual Studio 2012作為開發平臺，以C#為開發語言，以SQL Server 2008為數據庫，以射頻識別（radio frequency identification，RFID）為數據傳輸技術，開發了基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統，該系統主要包括基礎信息維護、原種加工、倉儲信息維護、訂單管理和在線查詢5大模塊。系統運行表明：開發的溯源系統可實現對棉種培育、加工及銷售過程中數據的移動采集與網絡傳輸，實現了對棉種各個環節電子檔案的建立及產品質量安全數據的深度查詢；同時，該系統為政府監管部門提供了1種便捷監管平臺執行監管工作。研究進一步表明，隨著RFID技術的普及成本費用下降，該系統在農產品質量安全溯源方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：RFID技術；棉種；質量安全；溯源；電子檔案；數據采集

中圖分類號： S126；TP391.4文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0395-05

種子是農業生產中特殊的生產資料，是不可替代的，是我國農業高速發展的基礎[1]。近年來，國內不斷發生種子質量安全問題，暴露出當前我國種業安全監管工作的薄弱環節[2]。面對層出不窮的假冒偽劣種子等農資投訴案件，為保證農業增產、農民增收、維護農民的合法權益，政府監管部門開展了專項整治工作，但是假冒偽劣種子事件發生后，農戶對保存的銷售單據沒有妥善保管或者經營種子商戶不承認其銷售單據等相互推諉現象都為農戶維護權益設置了障礙。因此，亟需研發建立種子追蹤溯源系統，以保障農戶權益和合法化種子經銷單位效益。

目前，我國農產品溯源系統主要是針對畜禽、肉類、水產品、蔬菜等方面，一些地方關于農產品溯源的試點工作已經展開。全國多個省（市）開始實施畜禽動物的電子可標識身份制度，為我國農產品可溯源系統的大力推廣提供了借鑒。但是，關于棉種可追溯系統的研究與應用一直處于空白狀態。本研究針對該現狀，提出構建和開發1種棉種質量安全溯源系統。

隨著現代信息技術的發展，物種鑒別、電子標簽等技術使農產品溯源系統具有了標識標準化、標識唯一性、數據獲取自動化、各環節信息共享等特性。其中射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術被列為21世紀十大重要技術項目之一，被認為是影響未來全球產業發展的重要技術，廣受各方關注[3-4]。RFID的優良特性，使其在種子的銷售渠道、安全溯源上有著很好的應用前景。建立基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統可使種子的追溯更加實時、準確，使棉種的質量更加有保障，做到信息共享、有源可溯，在一定程度上提高監管效能，確保廣大農戶棉種的質量安全[5]。

1系統的總體方案設計

由于設計的溯源系統需要涉及的用戶區域分布很廣，尤其是溯源查詢功能，面向整個新疆地區甚至更廣泛的消費者，并且良繁基地和監管者也分布在多個團場和地區，因此該系統的架構采用B/S方式。其中數據庫服務器和主應用服務程序由政府主管部門負責管理和維護，保障系統、數據、信息的安全性以及服務的穩定性、可靠性[6]。

1.1總體構架設計

溯源系統的整體構架設計見圖1。

1.2系統總體設計

本系統采用Asp.Net平臺下高效的MVC（Model-View-Controller）3層架構進行開發。 視圖（View）代表用戶交互界面，對于Web應用來說，可以概括為Html界面。1個應用根據所要完成的功能不同可能有很多不同的視圖，MVC設計模式對于視圖的操作僅限于視圖上數據的采集和處理以及用戶的請求，而不包括在視圖上業務流程的處理，業務流程由模型（Model）處理。

模型（Model）：就是業務流程/狀態的處理以及業務規則的制定。業務流程的處理過程對其他層來說是黑箱操作，模型接受視圖請求的數據，并返回最終的處理結果。業務模型的設計可以說是MVC最主要的部分，它從應用技術實現的角度對模型作了進一步劃分，以便充分利用現有組件，但它不能作為應用設計模型的框架。

控制（Controller）可以理解為從用戶接收請求，將模型與視圖匹配在一起，共同完成用戶的請求。劃分控制層的作用也很明顯，它清楚地告訴系統：它就是一個分發器，選擇什么樣的模型，選擇什么樣的視圖，可以完成什么樣的用戶請求。控制層并不作任何數據處理，它只把用戶信息傳遞給模型，告訴模型做什么，選擇符合要求的視圖返回給用戶。因此，1個模型可能對應多個視圖，1個視圖可能對應多個模型。

模型、視圖與控制器的分離，使得1個模型可以具有多個顯示視圖。如果用戶通過某個視圖的控制器改變了模型的數據，所有其他依賴于這些數據的視圖都應反映這些變化。因此，無論何時發生了何種數據變化，控制器都會將變化通知所有的視圖，所有顯示都會得到更新。這實際上是1種模型的變化、傳播機制。模型、視圖、控制器3者之間的關系和各自的主要功能見圖2。

1.3系統功能設計

針對系統中各類用戶需完成的任務和承擔的職責不同，系統可分為基礎信息維護、原種加工、倉儲信息維護、訂單管理、在線查詢5大模塊，詳見圖3。

基礎信息維護模塊：地塊信息、農戶信息、品種信息、區域、區域經理、經銷商、種植信息。地塊信息用于添加地塊的所屬單位、負責人等信息；農戶信息用于添加農戶姓名、身份證、聯系電話等信息；品種信息用于描述該品種名稱、品種特性等信息；種植信息用于聯系地塊、農戶和品種信息，以及添加施肥、灌溉、農藥使用情況等信息。

原種加工：加工班次、原種收購、原種加工。加工班次用于添加加工班次信息；原種收購用于添加收購原種的信息，如殘絨量、殘酸率、數量、價格等信息；原種加工用于添加原種加工信息，如發芽率、殘絨率、殘酸率等。

倉儲信息維護：種子入庫、種子庫存、倉庫信息。種子入庫用于對加工過的種子進行入庫操作；種子庫存用于查看某批次種子數量、價格等信息；倉庫信息用于管理倉庫名稱、倉庫管理員信息。

訂單管理：訂單狀態、總訂單、詳細訂單、種植歷史、種子運輸、種植反饋。訂單狀態、總訂單、詳細訂單用于描述訂單信息，如訂單狀態、訂單品種、數量、價格等信息；種植歷史用于經銷商反饋農戶種植信息，如農戶種植面積最大的3個品種、農戶反饋的種植問題等。

在線查詢：手機掃描查詢、網站查詢。手機掃描查詢用于用戶通過掃描二維碼查詢種子信息；網站查詢用于用戶通過網頁形式，輸入查詢號進行查詢。

2溯源系統的RFID信息采集系統設計

2.1RFID電子標簽的編碼設計

本系統的基本原理是：在棉種生產、銷售過程中，每袋棉種上都粘貼1個RFID電子標簽，向RFID電子標簽內寫入棉種的各種信息，如良繁基地、品種、棉種加工以及倉儲、運輸等。消費者和政府監管部門可對這些信息進行查詢，從而達到追溯棉種生產源頭、追查事故責任的目的。RFID電子標簽內存儲20位10進制編碼，其構成規范為：前8位為棉種加工日期，第8～9位為棉種編號，第9～10位為銷售大區編號，第11～12位為銷售小區編號，第13～14位編號為該袋棉種的質量，隨后2位表示公司編號，最后4位為本批次棉種的順序號，每批次最大標識數為9 999，一般能滿足較大規模的棉種數量要求。

2.2RFID電子標簽防碰撞設計

2.2.1RFID碰撞產生的原因防碰撞技術是RFID技術的發展過程中的關鍵技術之一，主要解決多標簽下的信號識別與處理。每個標簽都含有可被識別的全球唯一信息，RFID系統的目的就是通過讀取并識別唯一信息，判斷標簽攜帶者的身份，從而進行相應的數據處理。若射頻區只有1個標簽，則可直接進行閱讀；但當射頻區存在多個標簽時，面對讀寫器發出的識別指令，全部標簽都會同時響應，并且標簽之間的響應信號會出現互相干擾現象，即通常所說的數據碰撞，從而使得讀寫器和標簽之間的通信出錯或失敗[7]。

2.2.2改進的自適應多叉樹防碰撞算法如果防碰撞算法能根據分支內標簽的數量，自適應地選擇搜索叉數，就可以有效提高算法的效率。在 RFID系統中，采用曼徹斯特編碼，讀寫器可以識別所有碰撞位的信息。現階段大多數2叉樹搜索算法僅利用碰撞位的首位信息（動態4叉樹搜索算法利用碰撞位的前2位信息），而剩余的碰撞信息并沒有充分被利用。一般來說，當分支內標簽的數量越多時，出現碰撞的位數越多，碰撞位占總比特位的概率越大。為了有效地利用碰撞位信息，以下定義了碰撞因子[8]。

定義1：碰撞因子μ為在碰撞時隙內碰撞比特nc占標簽響應比特位n的比值：

μ=ncn。（1）

定理1：碰撞因子包含待識別標簽的數量信息。

證明：假設系統內有N個符合查詢條件的待識別標簽，標簽響應的長度為n比特，任意1位比特不發生碰撞的概率為（1/2）N-1，因此有：

μ=n[1-（12）N-1]n=1-（12）N-1。（2）

可見，標簽數量越大時，碰撞因子越高；反之，碰撞因子越低。說明碰撞因子包含了待識別標簽的數量信息[8]。

假設系統內有N個待識別標簽，系統分配的叉數為L，當搜索深度為1時，標簽的識別概率為：P（1）=（1-1/L）N-1；當搜索深度為k時，識別概率為：P（k）=[1-p（1）]k-1。則所需搜索深度的均值為：

E（k）=∑∞k=1kp（k）=∑∞k=1kp（1）[1-p（1）]k-1。（3）

將式（3）兩邊同乘以1-p（1），可得：

[1-p（1）]E（k）=p（1）∑∞k=1k[1-p（1）]k。（4）

將式（3）減去式（4），得到：

E（k）=k1-p（1）。（5）

因為1-p（1）<1，根據等比數列的求和公式：

E（k）=1p=1（1-1L）N-1。（6）

所需的平均時隙數為：

T=E（k）L=L（1-1L）N-1。（7）

對于2叉樹搜索，所需的平均時隙數為T2ary=2/（1-1/2）N-1。對于4叉樹搜索，所需的平均時隙數為T4ary=4/（1-1/4）N-1。對于8叉樹搜索，所需的平均時隙數為T8ary=8/（1-1/8）N-1。比較T2ary、T4ary可知：當N>3時，4叉樹優于2叉樹搜索；比較T4ary、T8ary可知：當N≥5時，8叉樹優于4叉樹搜索。根據式（2），碰撞因子應選擇：

μ1=1-（1-12）3-1=0.75

μ2=1-（1-12）5-1=0.937 5。

算法的搜索流程見圖4。

3主要功能模塊的實現

根據前面提出的系統設計的單袋棉種編碼規范、數據采集系統、開發的硬件級軟件環境，以及總體的功能設計等，開發完成了基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統。下面主要介紹實施效果。

3.1對毛籽和棉種質檢數據采集

對原料（毛籽）的抽檢是棉種質量安全的重要環節。一般而言，由棉種企業質檢部門派出人員負責對毛籽水分、短絨率和破碎率等進行抽檢[9-10]。抽檢合格的毛籽經過加工之后就是棉種，為保障進入市場的棉種質量安全，加工完成后的棉種在入庫之前，企業質檢部門需要對棉種進行抽檢，目前主要抽檢的項目包括包裝和發芽率。進入圖5的原料質檢數據采集環節和圖6棉種復檢環節的，必須是經過用戶權限驗證的用戶。先輸入單袋棉種（1個或1批）號后，才出現圖6右側的檢驗結果錄入界面。需要指明的是，抽檢時間不讓使用者錄入，而是在“保存”即提交數據時，將質檢信息采集系統時間一并傳輸到遠程數據庫中，防止人為修改時間。

3.2對入庫棉種數據采集

在完成加工的棉種入庫前，打開計算機并登陸倉儲管理數據采集系統，調試好RFID閱讀系統。在棉種入庫過程中，工作人員用RFID閱讀器讀取該批次棉種的標識編碼，然后手動或者批量自動錄入該批次棉種信息，通過計算機終端把棉種相關信息上傳到棉種質量安全溯源數據中心。圖7為棉種加工廠棉種入庫的界面，采集的棉種數據分批次傳輸到棉種企業局域網中的數據服務器中。

在棉種入庫過程中，電子標簽有損壞的可能性。為了不影響棉種入庫的正常進行，最大限度保障溯源信息的完整性，工作人員可以手動輸入該袋棉種的標識編碼，產生替代號碼并傳到棉種溯源信息中心。由于棉種在入庫過程中，都是以品種為批次依次入庫，因此棉種的來源或所屬良繁基地信息的準確性不會受到影響。

3.3對棉種營銷數據采集

對銷售過程中相關信息的采集是保證棉種質量安全的重要環節。一般而言，由各級銷售商負責人對相關信息進行采集，因為一旦信息確認，銷售商就需要承擔相應的責任[11]。目前主要采集的信息包括所在銷售區域、區域負責人、棉種品種、棉種數量和調運信息。圖8為經銷商數據采集畫面，必須是經過用戶權限驗證的用戶，才能進入數據的采集與傳輸。RFID閱讀器接受到信息后，才出現銷售信息錄入界面。需要指明的是，采集信息時間不讓使用者錄入，而是在“保存”即提交數據時，將PC或手機的系統時間一并傳輸到遠程數據庫中，防止人為修改時間。

3.4對棉種的移動終端查詢

圖9為通過運行在手機終端上的溯源查詢軟件輸入，或者手機條形碼掃描包裝產品上的溯源碼“6936434500035”后得到的查詢結果。更詳細的內容包括各種投入品的使用情況等信息可以在PC端登錄溯源系統進行查詢。

4系統測試

4.1測試環境

為方便測試，采用1臺PC機運行溯源系統程序，表1是該機器的配置。

表1測試環境

配置項目配置信息操作系統Windows 7CUP2.0 GHz內存1 GBWeb 服務器Tomcat 6.0Java 虛擬機Sun JDK 1.5.09RFID 閱讀器萬全VF-647

4.2測試內容

為了檢驗該溯源系統在實際應用中的效果，筆者以倉庫管理中的入庫作業為基礎，測試系統在閱讀器讀取標簽、數據處理等方面的能力，圖10是硬件組成。

4.2.1閱讀器標簽讀取性能測試（1）將VF-647閱讀器的讀取模式設置為“循環讀取”，以接近0.5次/s的速率依次放置1個標簽于閱讀器的讀取范圍內，觀察讀取效果[6]。（2）將閱讀器的讀取模式設置為“單次讀取”，將讀取源的讀取周期設定為0.5 s，同樣以接近1次/s的速率依次放置1個標簽于閱讀器的讀取范圍內，觀察讀取效果[6]。（3）在（2）的基礎上，將讀取源的讀取周期更改為0.25 s，觀察讀取效果。

測試數據整理結果見表2。測試結果表明，該系統能夠為用戶提供合理的默認配置參數，并可以檢驗用戶輸入的參數進行合理性檢驗，經過合理配置之后閱讀器的工作，能達到更加理想的效果；通過調整相關的運行參數，比如設置合理的讀取周期以及選擇合適的讀取方式，可以調整閱讀器的讀取能力[6]。

4.2.2.1重復標簽過濾測試[12]（1）將讀取源的讀取模式設置為周期性讀取，將讀取周期設定為0.5 s；（2）設定重復時間間隔為3 s；（3）將測試中所用的6個標簽放置在閱讀器讀取范圍內，放置時間為30 s，觀察中間件的處理結果。測試數據整理結果見表3。

4.2.2.2基于標簽碼的過濾測試設定過濾掩碼（Filter Mask）為：FFFFFFFFFFFFFFFF1111，過濾值（Filter Value）為20150101010220031111，觀察中間件的處理結果，表4為測試數據。測試結果表明，該溯源系統具有良好的數據處理能力，能夠過濾指定時間間隔內重復讀取的標簽，減少發送給應用程序的數據量；能夠根據應用的需求，按照指定的標簽碼格式篩選出預期的標簽[6]。

5結論

本研究對基于RFID技術的棉種質量安全溯源的系統架構進行設計；分析了系統的功能結構和各模塊的功能；針對本系統中使用的電子標簽——單袋棉種RFID電子標簽的存儲

情況和適應環境性能進行詳細分析設計；對數據庫進行E-R設計；著重對良繁管理模塊、質檢模塊及倉儲模塊進行詳細的設計與實現。采用RFID技術、計算機網絡技術、嵌入式技術和數據庫等技術，并進行了深入的研究，確立了系統組成的基本元件和系統開發工具，開發出了基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統軟件。研究開發的基于RFID技術的棉種質量安全溯源系統已經應用于新疆天佐農業科技發展責任有限公司，提高了該公司的自動化、信息化和智能化管理程度，很好地保護和提高了該棉種公司的企業形象和效益，同時讓購買該公司棉種的農戶利益得到了很好的保障，實現了企業與農戶的雙贏，為我國棉花產業的蓬勃發展奠定了一定基礎。

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