RFID手持設備追溯管理系統設計與實現

張明虎， 張 暐， 殷 欣， 屈 展

(1.甘肅廣播電視大學資源中心,甘肅 蘭州 730030；2.國網甘肅省電力公司信息通信公司,甘肅 蘭州 730030； 03.甘肅省輕工研究院,甘肅 蘭州 730030；4.甘肅廣播電視大學理工學院,甘肅 蘭州 730030)

RFID手持設備追溯管理系統設計與實現

張明虎1， 張 暐2， 殷 欣3， 屈 展4

(1.甘肅廣播電視大學資源中心,甘肅 蘭州 730030；2.國網甘肅省電力公司信息通信公司,甘肅 蘭州 730030； 03.甘肅省輕工研究院,甘肅 蘭州 730030；4.甘肅廣播電視大學理工學院,甘肅 蘭州 730030)

針對射頻識別技術(RFID)在追溯方面具有工作場景復雜、標簽識別效率和準確率高、同步數據并發量大、全生命周期溯源等特點，提出了基于高可靠性的數據通信協議和多標簽防碰撞算法的安全追溯系統。該追溯系統以WinCE5.0手持設備為平臺，引入了RFID技術，進行產品全生命周期信息的可視化分析和用戶交互式操作。實測結果驗證了復雜環境下RFID全生命周期防偽追溯系統方案的可行性，表明了采用RFID技術的防偽追溯系統將成為行業發展方向。

食品安全；RFID技術; 數據通信; 遠程數據庫; 倉儲管理系統

0 引言

近年來，食品安全問題嚴重威脅著社會穩定和消費者健康，已成為社會關注的焦點話題。美國、法國等一些發達國家的食品監管部門幾乎控制了從農田到餐桌的食品生產、加工、流通等全過程；而我國的食品監管部門雖屢次提及食品跟蹤追溯體系建設，為每個食品企業建設一個食品全生命周期跟蹤追溯管理體系，但其應用目前尚處于萌芽階段[1-4]。

在食品安全追溯方面，文獻[2]以基于二維碼的綠色食品追溯為研究方向，采用二維碼技術構建了綠色食品溯源體系平臺，實現了食品信息的獲取、食品質量的預判和食品指標的監管；文獻[3]分析了國內外采用二維碼技術實現各類農副產品安全追溯系統的現狀，在深入研究和分析二維碼的技術特征后，提出了以二維碼技術作為農副產品安全追溯手段中可能存在的問題；文獻[4]對二維碼在食品追溯方面存在的缺陷進行了研究，采用了非對稱密碼算法，設計了基于RSA數字簽名和二維碼技術相結合的追溯平臺。

射頻識別技術(radiofrequencyidentifiration,RFID)是一種利用射頻信號實現非接觸式信息傳送的技術，與傳統的二維碼、普通一位條形碼技術相比，RFID技術具有信息讀取距離長、信息更新快、安全系數高等優勢。

本文結合RFID技術的智能性、移動性、便捷性等優點，開發和設計了一套應用于輔助生產線管理和倉儲管理、以基于RFID技術和多重加密[5-6]為編碼方式的手持設備防偽追溯管理端系統。手持設備防偽追溯管理系統運行于手持設備上，通過WiFi連接遠程數據庫，完成與數據庫的相關操作；通過手持式RFID讀寫器，完成RFID標簽數據讀寫功能。系統的主要功能是配合生產線管理與倉庫管理，高效可靠完成產品的在線掃碼、批量出入庫管理和終端查驗。

1 系統架構

本文所設計的手持設備追溯管理系統運行在WinCE平臺，采用微軟基礎類庫(microsoftfoundationclasses,MFC)設計。用戶通過界面按鈕觸發對應的響應函數，進入相應界面完成操作。手持設備管理系統采用兩層架構模型設計[7]。整個業務應用劃分為業務功能層和數據適配層。

系統總體架構如圖 1所示。

圖1 系統總體框架圖

1.1 業務功能層

在手持設備管理系統業務功能層中，向用戶管理業務發出手持設備業務處理的請求。管理業務包括用戶的管理、系統參數配置的管理以及日志的管理。 手持設備業務包括標簽賦碼、裝箱檢查、入庫關聯、出庫關聯、終端查驗、單瓶入庫、單瓶出庫操作。

1.2 數據適配層

數據適配層設計用于與代理服務器或本地配置文件、日志文件等進行交互，實現文件記錄的增加、刪除、修改、查詢等操作。

手持設備數據適配層的主要功能包括硬件操作、與代理服務器的網絡通信操作、本地配置文件操作、日志文件操作。

2 系統具體實現

2.1 數據庫訪問

手持設備管理系統需要訪問數據庫，對數據庫中的信息進行增、刪、改、查等操作，然而手持設備管理系統運行在WinCE5.0平臺，WinCE平臺不支持對數據庫的直接訪問操作，因此需要在桌面端建立一個代理服務器。通過手持設備與代理服務器的通信，采用WiFi將手持設備需要對數據庫的操作(SQL語句)發送至代理服務器，由代理服務器訪問數據庫，執行相應的操作，并將操作結果返回至手持設備。數據庫訪問示意圖如圖2所示。

圖2 數據庫訪問示意圖

數據庫操作結構如圖3所示。數據庫操作由DBAdapter接口封裝。DBAdapter接口通過系統配置文件中的數據庫連接字符串來連接數據庫。對數據庫的操作主要由SQLAccessTier類實現，由DBHelper類封裝，并提供調用接口。

圖3 數據庫操作結構圖

2.2 網絡通信

根據用戶在賦碼界面選擇的各種產品標簽信息，構造新的產品標簽EPC，并將新的EPC寫入標簽。接著調用網絡通信類，將標簽的TID和新的EPC關聯信息發送至代理服務器，代理服務器更新數據庫中的產品信息表。

本文將所有手持設備與代理服務器通信操作封裝成一個網絡輔助類(CNetHelper)，為業務功能層提供接口，完成數據的發送與接收功能。

網絡通信類封裝了WinSock中的相應操作，包括連接服務器、發送和接收數據等。連接服務器時，采用的IP地址和端口號為登陸界面設置的IP地址和端口號。

①ReportNetErr(intnErrCode,CStringstrErrMsg)函數用來報告通信中的錯誤。

②ConnectServer(SOCKET&sk,CStringstrIP,intnPort,intnSendTimeout=-1,intnRecvTimeout=-1)函數用來連接代理服務器。

③SendAndRecv(SOCKET&sk,CStringstrSend)函數用來發送和接收數據，函數傳入的strSend為手持設備發送給代理服務器的信息，函數返回為接收的消息。

④Send(SOCKET&sk,CStringstrSend)函數用來向代理服務器發送消息。

⑤DisConnect(SOCKET&sk)函數用來斷開代理服務器的連接。

手持設備與代理服務器的部分接口通信協議如表1所示。

表1 部分接口通信協議

3 關鍵技術及實現

3.1 多標簽防碰撞技術

目前，RFID防碰撞算法主要采用基于時分多址的確定性算法和概率性算法。本文采用基于二進制樹搜索算法的確定性算法[8-11]。二進制樹搜索算法相對較復雜，但標簽識別正確率較高、穩定性強，且算法實現目標是縮短標簽識別延遲時間和降低標簽碰撞率。在生產線和倉儲管理中多標簽的情況下，該算法的優勢更加明顯。

假設在手持設備讀寫操作的有效范圍內有6個產品標簽，各標簽ID序列如下。

A:01000100

B:01100000

C:01010000

D：01101000

E:00110001

F:00011000

RFID產品標簽防碰撞實現過程主要有以下4個步驟。

①手持設備發出Request讀寫請求，其作用范圍內的所有標簽作出響應，讀寫器讀取響應標簽ID。

②手持設備對所讀取的標簽ID解碼，經過曼徹斯特編碼譯碼得到(01X0X0X0),讀寫器發出Request(01101010，0)指令標簽，鎖定ID序列的第 1、3、5 位。鎖定最高位為 0 的標簽響應該指令，即標簽B、D響應，并把標簽序列傳送給手持設備。

③手持設備對編碼序列編碼解碼為(0110X000)，讀寫器發出Request(0，0)，指令標簽鎖定ID序列的第3位。同理鎖定最高位為 0 的標簽響應該指令，即標簽B直接被識別，沒有發生碰撞。

④手持設備對標簽B完成讀寫操作。整個識別過程結束。

本文在多標簽工作環境下，采用基于時分多址的確定性算法，有效提高了產品標簽的識別率、準確率和標簽讀寫速度。

3.2 標簽賦碼技術

手持設備賦碼技術也是手持設備追溯系統的關鍵技術，用戶可以選擇待賦碼的標簽類別，包括產品標簽、箱體標簽、托盤標簽。若待賦碼標簽為產品標簽，具體的賦值數據由用戶界面輸入。用戶通過對標簽進行掃描，讀取標簽的TID和EPC信息，最后對標簽進行賦碼操作，更新數據庫中產品信息。

標簽賦碼過程主要分為以下3個步驟。

①選擇待賦碼的標簽類型，若為產品標簽，需要從數據庫獲取產品標簽的參數，并選擇待賦碼的產品參數。

②掃描待賦碼標簽，即讀取標簽的TID和EPC信息，根據選擇的參數構造新EPC。

③根據用戶在賦碼界面選擇的產品標簽各種信息，構造新的產品標簽EPC，將新的EPC寫入標簽。接著調用網絡通信類將標簽的TID和新的EPC關聯信息發送至代理服務器；代理服務器更新數據庫中的產品信息表。

賦碼操作，即將新構造的EPC寫入標簽的EPC區，并更新數據庫。

3.3 出入庫關聯技術

產品出入庫關聯用于實現箱體標簽和托盤標簽之間的關聯，通過手持設備讀取箱體標簽信息，然后將此箱體放入叉車中。當此過程結束后，將手持設備中讀取的箱體信息與叉車關聯，以便入庫。

產品出入庫流程如圖4所示。

圖4 產品出入庫流程圖

3.4 終端查驗

終端查驗是追溯系統的具體體現。該功能是通過掃描產品標簽，獲取產品標簽中的信息，從而判斷產品的真偽。在線查驗實時從數據庫獲取相應產品標簽的所有參數信息。用戶選擇在線登錄模式進入主功能界面，選擇終端查驗功能，進入終端查驗界面。

終端查驗時，掃描標簽，觸發OnBnClickedButtonScan()響應函數，調用CSDKHelper類中的ReadTagNoInf(CTag&tag,EnumTagTypetagType)讀取標簽信息，返回一個CTag類對象m_tag，利用CTag類中的GetTID()和GetEPC()函數，獲取返回m_tag對象的TID和EPC；利用SetDlgItemText()函數，在終端查驗頂端EditControl控件中顯示TID和EPC。

解析并顯示相關信息，根據返回的m_tag，調用CTag類中的GetTagType()函數獲取返回對象的標簽類型。若為未知標簽、箱體標簽或托盤標簽，則給出提示，不能正確解析標簽信息；若為產品標簽，則調用CDlgBottleInOutDB類中的GetNameFromID(intnID,CList &list)函數。根據產品信息的編號獲取對應的名字，輸入的第二個參數為CDlgBottleInOutDB類中的5個CList成員變量。最后調用SetDlgItemText()函數，將獲取的產品信息顯示到對應的控件中，并呈現給用戶。

4 實現結果

本文采用多標簽防碰撞算法等多項關鍵技術，設計和實現了應用在食品安全防偽追溯的手持設備追溯管理系統。系統實際應用在基于WinCE5.0平臺的智能設備，主要實現平臺與生產線管理系統、倉儲管理系統的遠程訪問及數據交互功能。

5 結束語

本文設計和實現的基于RFID技術的手持設備追溯管理系統，采用基于多標簽碰撞算法的防碰撞解決辦法；提出和設計的通信編碼協議，采用RFID標簽，對食品從生產、加工、倉儲、運輸、銷售等全生命周期進行跟蹤追溯。

基于RFID技術的手持設備追溯管理系統已應用于生產線管理、倉儲管理、終端查驗等過程。應用結果表明，該手持設備防偽追溯管理系統具有架構簡潔、易于操作、維護和升級便捷、可攜帶、可擴展及低成本等優點，有很強的實用價值和應用推廣價值。

[1] 顏波，石平，黃廣文.基于RFID和EPC物聯網的水產品供應鏈可追溯平臺開發[J].農業工程學報，2013,29(15):172-183．

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DesignandImplementationoftheRFIDTraceabilityManagementSystemforHand-HeldDevices

ZHANGMinghu1，ZHANGWei2，YINXin3，QUZhan4

(1.TeachingGuidanceCenter,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China;2.InformationandCommunicationCompanyofGansuProvinceElectricCorporationofStateGrid,Lanzhou730030,China；3.TheInstituteofGansuProvinceLightIndustrialScientificResearch,Lanzhou730030，China;4.InstituteofScienceandTechnology,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China)

Inaccordancewiththecharacteristicsofradiofrequencyidentifiration(RFID)inaspectoftraceability,thatincludingcomplicatedworkingscene,highefficiencyandaccuracyfortagidentification,largesynchronousdataconcurrency,andtracingoriginofwholelifecycle,etc.,andconsideringtheunificationmanagementofthetracingsystemforsynchronizedsupporttotheproductionlineandwarehousing,andfulfillingwholelifecycleperiodicityandhighreliabilityofthesystem,asystemforsafetytraceabilityisproposedbasedonhighlyreliabledatacommunicationprotocolsandmultipletaganti-collisionalgorithm.ThetraceabilitysystemadoptsWinCE5.0handhelddevicesasaplatform,inputstheRFIDtechnology,toimplementvisualizationanalysisanduserinteractiveoperationforwholelifecycleinformation.MeasuredresultsverifythefeasibilityoftheRFIDwholelifecycleanti-counterfeitingtraceabilitysystemundercomplicatedenvironment,andshowthatusingRFIDtechnologywillbecomethedevelopingdirectionforanti-counterfeitingtraceabilitysystems.

Foodsafety;RFIDtechnology;Datacommunication;Remotedatabase;Warehousemangementsystem

張明虎(1986—)，男，碩士，講師，主要從事物聯網技術、嵌入式系統控制技術和數據采集與大數據應用的分析和研究工作。E-mail：zmx396065442@163.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701014

修改稿收到日期:2016-05-10