基于無線射頻技術和EPC物聯網的棉種供應鏈可追溯系統設計

黃成偉+馬本學+蔣偉+董冬冬+葉晉濤+曾巧

摘要：為解決目前國內種子質量安全問題，實現種子流通過程中各節點企業的信息共享，在分析無線射頻技術（radio frequency identification，簡稱RFID）、物聯網及電子編碼技術（electronic product code，簡稱EPC）的基礎上，提出基于無線射頻技術的棉種供應鏈追溯系統架構，分析追溯系統的層次結構和業務流程，并對可追溯系統的功能模塊進行設計；最后應用Visual Studio 2012為開發平臺，SQL Server 2008數據庫系統進行部署，應用C#語言及ASP.NET技術實現上述系統。該研究能夠提高棉種追溯信息的實時性、準確性和穩定性，數據采集過程更加自動化，采集速度更快。

關鍵詞：棉種供應鏈；RFID；電子編碼技術；可追溯系統；ASP.NET技術

中圖分類號： S126；TP274文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0239-04

近年來，隨著農產品追溯理論日臻成熟，很多學者對農產品追溯進行了研究，提出了很多有效的追溯方法和模型。楊信延等以蔬菜為研究對象，從信息技術角度構建了蔬菜安全生產管理及質量追溯系統，設計了相關功能實現流程，并對關鍵技術進行了探討[2]。顏波等以羅非魚為具體研究對象，以供應鏈為視角，設計并開發了基于射頻識別和產品電子代碼物聯網的水產品供應鏈可追溯平臺[3-4]。郭艷麗以農產品追溯為切入點，規劃設計出一套較為科學、合理、可行的農產品追溯編碼體系，提出了農產品加工與包裝設計的追溯編碼和3種農產品追溯方案：模糊追溯、批追溯以及鏈式追溯[5]。李光明等研究了無線射頻技術（radio frequency identification，簡稱RFID）在農產品供應鏈追溯系統中的應用[6-7]。趙麗等設計了基于手機二維碼識別的農產品質量安全追溯系統，利用該系統，用戶可以快速識別產品的二維條碼標簽[8]。此外，還有一些針對其他產品可追溯方面的研究[9-13]。國外對農產品追溯系統也做了很多研究，如歐盟建立的牛肉可追溯系統、澳大利亞建立的畜牧標志和追溯系統、美國的農產品全程追溯系統、日本的農產品和食品追蹤系統、印尼運用RFID技術建立的食品供應鏈追溯系統等[14-16]。在種子追溯方面，國內一些學者針對種子質量溯源進行了研究[17-20]。目前，國內學者在種子追溯方面，雖然取得了一些研究成果，但由于受地理位置和技術水平等因素的制約，還沒有實現種子在整條供應鏈的全程追溯。針對此問題，設計開發了基于RFID技術的棉種供應鏈追溯系統。

1RFID技術和EPC物聯網技術概述

1.1RFID技術

RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過無線電信號識別和讀取電子標簽內的相關數據信息，識別過程無需人工干預，可工作于各種惡劣環境，也可同時識別多個電子標簽。RFID系統主要由讀寫器、電子標簽、天線3個部分組成。

1.2EPC物聯網技術

物聯網即通過RFID、傳感器、全球定位系統（global positioning system，簡稱GPS）、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把物品和互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現對物品實時識別、智能化識別、定位跟蹤、監控、管理的一種網絡。根據采用的技術和編碼標準的不同，物聯網可分為多種類型，其中采用電子編碼技術（electronic product code，簡稱EPC）編碼的物聯網也被稱為EPC物聯網。EPC是產品電子代碼的縮寫，它存儲于RFID標簽內，用于產品標志，并借助互聯網來實現信息的傳遞。EPC物聯網主要由EPC編碼、RFID標簽、讀寫器、EPC中間件、對象域名解析服務、實體標記語言組成（表1）。表1EPC系統構成

系統構成名稱說明EPC編碼體系EPC編碼標準識別標簽的特定代碼RFID子系統EPC標簽貼在物品表面或內置于物品中讀寫器讀取EPC標簽信息EPC信息服務系統（EPCIS系統）EPC中間件Savant讀寫器數據校對、傳送、存儲和任務管理對象域名解析服務（ONS）類似于互聯網的域名系統（domain name system，簡稱DNS）功能，定位信息存儲位置實體標記語言（PML）描述EPC活動對象相關信息、數據存儲、數據分析注：Savant是一種分布式網絡軟件，它是處在解讀器和互聯網之間的中間件。

2棉種供應鏈可追溯系統的設計與開發

2.1系統的總體結構設計

該系統總體結構如圖1所示。在棉鐘供應鏈上下游的企業按照統一的EPC編碼方案，對棉種進行唯一標志，每個企業都有自己的EPCIS信息服務器用以數據存儲，存儲EPCIS事件數據。本地的對象名解析服務器（object name service，簡稱ONS）存儲EPC編碼和EPCIS服務器的映射信息，系統根ONS服務器存儲各節點企業EPC編碼和本地ONS服務器的映射信息。相關用戶通過訪問系統查詢服務器，訪問根ONS服務器，獲得棉種對應的EPC編碼和本地的ONS服務器地址，而后通過EPC編碼獲得本地EPCIS服務器的地址，通過訪問該服務器獲得棉種的具體信息。棉種從生產加工質檢合格開始采用RFID標簽標志，一直到零售商銷售，整個過程采用RFID技術進行跟蹤、監控，相關追溯信息各節點企業都會寫入RFID標簽并存儲到各自的EPCIS服務器中，供不同權限的用戶進行查詢、分析，以達到追溯目的。

2.2系統層次結構設計

棉種供應鏈追溯系統以棉種在流通環節的質量信息采集、處理、存儲、分析、傳輸和應用為核心展開工作。系統包括提供數據采集服務的硬件層、進行數據處理的服務層、進行數據存儲的數據層以及提供各種業務的應用層（圖2）。硬件層包括RFID電子標簽、讀寫器、天線、傳感器、打印機、RFID手持終端，主要負責棉種信息的采集，也能將供應鏈上各環節的關鍵信息寫入標簽。服務層主要由Savant中間件、EPCIS服務器和ONS服務器組成。Savant中間件主要負責將RFID系統讀取的數據信息進行處理后傳送給ONS服務器。ONS服務器根據系統自身注冊的EPC編碼對產品編碼進行查找，而后返回對應PML地址。系統進行查詢時，會返回詳細棉種溯源信息。系統進行寫入時，EPC編碼將在ONS服務器中完成編碼的注冊，并通過與EPCIS地址之間形成的映射關系，將產品詳細信息存儲到EPCIS服務器中。數據層主要負責將服務層傳來的數據進行存儲，根據業務的不同存入不同服務器中。應用層包括生產加工、倉儲、運輸、銷售及監管查詢5個子系統。每個系統對不同用戶提供查詢和分析服務，同時為實現棉種供應鏈上各企業之間的信息共享，棉種供應鏈追溯系統還提供相關數據接口，以實現不同系統之間的信息交互。endprint

2.3系統網絡規劃

基于RFID物聯網的棉種供應鏈追溯系統主要由RFID標簽、RFID讀寫器、天線、根ONS服務器、本地ONS服務器、數據庫服務器及信息系統等組成，流通環節各個企業通過使用RFID設備進行數據信息的采集，而后通過企業內部的局域網進行信息傳遞，企業之間的服務器通過互聯網對外開放，實現企業間信息的實時共享，接受追溯平臺的訪問。系統網絡示意圖見圖3。

棉種流通各環節的企業內部網絡結構基本一致，選取傳統的局域網進行布局。在獲取RFID標簽的數據信息時，本研究選用VH-70手持式讀寫器和VF-642固定式讀寫器，其中VH-70手持式讀寫器采用802.11x無線網絡進行通信，出于對網絡安全的考慮，當RFID設備接入企業局域網時可以使用網閘做限制鏈接線，使二者在物理上進行隔絕，通過交換機相連接。追溯平臺各環節搭建的公共網絡以互聯網為依托，通過架設根ONS服務器和數據庫服務器，為供應鏈各環節用戶提供信息查詢服務。

2.4系統功能模塊設計

通過對追溯系統層次結構進行分析，該系統要實現的功能主要有2個方面：棉種流通各環節的信息采集與記錄功能，主要包括生產加工環節的信息采集和記錄；倉儲環節的信息采集和記錄；運輸環節的信息采集和記錄；銷售環節的信息采集和記錄。棉種追溯信息的查詢和分析，棉種供應鏈上各環節記錄的數據都將存儲到追溯平臺的數據庫中，在供應鏈上各個環節的用戶都可以通過追溯平臺查詢到棉種的實時信息。當棉種的質量出現問題時，監管部門通過對數據庫中存儲的棉種信息進行分析，方便快捷地定位到出問題的環節，確定問題棉種的來源和去向，及時采取措施，以降低問題種子造成的損失。系統功能結構見圖4。

2.4.1加工環節通過對新疆某棉種加工企業進行現場調研以及對棉種整個流通過程的分析，選擇毛籽加工環節作為整條供應鏈的初始環節，棉種種植相關基礎信息在加工環節一并進行棉種編碼和標簽的初始化。毛籽經過加工質檢合格后，棉種加工企業根據EPC編碼標準以及相關要求將可追溯信息寫入RFID標簽，并將數據信息上傳至相應的數據庫。主要采集的信息包括企業信息、種植信息、收購信息、原種加工信息和質檢信息。

2.4.2倉儲環節倉儲環節是整個棉種供應鏈原種加工質檢合格后進入倉庫，倉庫從供應鏈上游接收到帶有RFID標簽的棉種，通過RFID讀寫器讀取RFID標簽中的數據信息，并將相關數據信息寫入RFID編碼，同時將信息上傳至相應的數據庫。主要采集的信息包括入庫信息、出庫信息、庫存信息、倉庫信息、溫濕度信息。

2.4.3運輸環節該環節從供應鏈上游獲取貼有RFID標簽的棉種，主要錄入的信息包括運輸企業信息、產品信息、轉入信息、轉出信息。

2.4.4銷售環節銷售企業是棉種整條供應鏈最后一個環節，首先將棉種各地銷售商和銷售的信息寫入RFID標簽，然后將寫有供應鏈全程可追溯信息的棉種上架銷售并將數據信息存儲到相應數據庫。主要寫入的信息有銷售企業信息、銷售信息、轉入信息。

2.4.5查詢管理查詢管理模塊是以監管部門、棉農、企業為應用主體，主要對企業的基礎信息進行管理、通過RFID標簽查詢棉種信息、查看和處理棉農的投訴信息。

2.5追溯系統的開發環境

通過對追溯系統的總體結構設計以及供應鏈各環節業務流程分析，本系統采用基于萬維網的B/S結構的應用平臺和分布式數據庫結構的開發模式。采用B/S結構是為了充分發揮追溯系統硬件環境，不用考慮相關軟件和操作系統的兼容問題，用戶界面通過瀏覽器來實現，這簡化了客戶端的操作過程，也減少了系統開發的成本。

本系統選用Windows XP/Win7操作系統平臺，采用Microsoft SQL Server2008作為追溯系統數據庫，選用Microsoft Visual Studio 2012作為系統開發平臺，應用C#編程語言結合ASP.NET技術開發棉種供應鏈追溯系統，為用戶提供數據查詢服務，也方便各企業間的數據共享。追溯系統部分界面如圖5所示。

3結論與討論

本研究分析了RFID技術在農產品追溯系統上的優劣勢，相對于目前新疆農產品溯源手段落后而言，本系統更加方便用戶實現對產品的全程追溯，并針對棉種設計了基于B/S架構的可追溯系統，對系統架構、系統層次結構、系統網絡結構、系統功能模塊進行了詳細的設計。隨著RFID技術和EPC物聯網技術在農產品溯源方面日益普遍的應用，為本系統的研究提供了技術和理論支持。本系統能夠解決長期以來棉種質量難以控制、溯源手段落后的難題，這種由政府、企業、農戶三方參與的方式體現了可追溯系統可控、全面的特點，并且可以與RFID中間件技術相結合，進一步確保追溯過程中數據信息的安全性和高效性，為新疆棉花產業的可持續發展奠定堅實的基礎。本系統的開發實現了棉種供應鏈各節點企業間的信息共享，提高了新疆種子企業的市場競爭力。本系統采用負責EPC網絡的全球化標準非盈利組織（EPCglobal）的編碼標準和可讀寫的RFID標簽，通過對RFID標簽內的EPC編碼進行改寫，實現了電子標簽的循環使用，降低了企業的生產和管理成本。

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