基于RFID智能感知攝像機的溯源系統

桑海偉 趙 勇

1(貴州師范學院數學與大數據學院 貴州 貴陽 550025)2(北京大學深圳研究生院信息工程學院 廣東 深圳 518055)

0 引 言

近年來，畜產品的質量安全問題時有發生，從“口蹄疫”、“禽流感”、“垃圾豬”、“瘦肉精”到“毒火腿”等事件，導致消費者對畜產品的信心明顯不足[1]。而大多農戶飼養方式采用天然放養，產品優質健康，但存在規模小、信息化程度低等問題，導致優質產品附加值得不到認可。由于誠信體系不健全，需要借助溯源來取得消費者的信任，進而提升產品附加值，而視頻是溯源中取得消費者認可的最有效手段。但視頻監控存儲和傳輸成本高，每個攝像頭每月產生大約1 TB的視頻數據，溯源成本高。因此，現有絕大數溯源系統存在消費者只能查看產地信息或者查看整個飼養環境的概況信息，不能查看購買產品詳細信息。設計基于RFID智能感知攝像機的溯源系統，采用養殖信息定量采集，通過RFID實現牲畜的身份識別[2]，并將識別的牲畜信息上傳到管理平臺，查看該牲畜是否已經采集當天的活動信息，再通過聯動控制攝像頭實現活動信息采集。借助GPRS實現活動信息無線傳輸，極大降低視頻成本，自動生成畜產品個性化檔案，實現禽畜養殖信息的透明度化。消費者可以通過手機、計算機等終端，查詢購買的畜產品的養殖環境和生長過程活動信息，為消費者提供消費知情渠道增加消費信心，從而達到提高優質、健康畜產品的附加值的目的。

1 溯源系統架構

本溯源系統架構如圖1所示，系統由溯源管理平臺、網關、RFID、攝像頭、GPRS等組成，系統采用溯源管理平臺、網關、終端三級結構。

圖1 系統框架

1) 管理平臺 管理平臺的設計充分考慮系統目標、用戶權限、業務處理等方面的因素，按照“高內聚，低耦合”的原則進行設計。包含系統運行管理、后臺管理、養殖戶或公司管理、二維碼管理、產品追溯、產品展示和基礎信息管理等。

2) 網關 網關是溯源中重要的組成部分，完成多種類型感知網絡之間的協議轉換，是傳統互聯網與無線傳感網通信的紐帶。一方面能夠在多種通信協議和通信標準之間轉換和互通；另一方面必須具備強大的網絡管理能力，進行節點信息的獲取、遠程喚醒、狀態監控等。

3) 終端 分為采集終端和用戶終端，采集終端實現牲畜飼養過程各個階段信息采集，用戶終端實現畜產品各個階段信息查詢。其中采集終端給每一個牲畜佩戴一個RFID電子標簽用于區分每一個牲畜，當牲畜在RFID讀寫器覆蓋范圍時，會觸發讀寫器[3]，讀寫器讀取唯一編號后進行匹配，匹配成功后觸發聯動裝置攝像頭進行拍照，并通過GPRS上傳到溯源管理平臺。溯源服務管理平臺可以接入多個公司或者農戶溯源服務終端，消費者通過掃描二維碼查詢所購畜產品的生長過程信息。

2 軟件技術框架

采用WebSercice技術，實現分布式互操作的應用程序，實現PC端和手機端統一接口訪問數據庫，Tomcat集群配置部署，支持高并發多用戶。嚴格遵循Web安全規范，前后臺雙重驗證，密碼md5加密存儲，參數編碼傳輸，shiro權限驗證，從根本上避免了XSS攻擊、SQL注入、CSRF攻擊等Web攻擊手段。

軟件技術結構設計遵循國家電子政務規范五層兩翼的設計思想，在結構上共分為三層，即：“基礎層”、“服務層”和“應用層”。溯源管理平臺建設采用的技術架構如圖2所示。

圖2 軟件技術框架

各層的描述分別如下：

1) 基礎層(IaaS) 提供資源管理、數據存儲、計算處理、網絡和安全等。采用ANginx+tomcat集群進行負載均衡、安全控制和分布式存儲等技術，為溯源數據處理提供強大的基礎支撐。

2) 服務層(PaaS) 依托基礎層，為數據應用提供數據交換、數據管理、數據融合、數據挖掘、數據共享和數據分析等服務。

3) 應用層(SaaS) 搭建溯源管理平臺。應用系統包括以溯源管理為主要內容的業務管理系統，以決策管理為目標的報表統計分析系統和面向用戶的智能移動信息服務系統三部分組成[7]。

3 系統平臺

溯源系統分為硬件部分和軟件部分。硬件部分實現養殖環境信息的采集和監控，真實記錄飼養環節，提高系統的真實可靠性。軟件部分實現業務的管理，是系統的核心部分。實現畜產品的可追溯信息化管理。

3.1 硬件設計

基于RFID智能感知攝像機的硬件電路包含：STM32主控模塊、RFID讀卡器識別模塊、攝像機模塊、GPRS模塊等。

3.1.1 控制模塊

控制模塊采用STM32F103ZET6，如圖3所示，數據總線寬度32 bit，最大時鐘頻率72 MHz，程序存儲器大小為512 KB，外圍接口豐富，性能穩定，性價比高[1]。

圖3 控制模塊電路圖

3.1.2 RFID讀卡器識別模塊

E05-MLE132AP2是一款2.4 GHz無線模塊，發射功率100 mW，具有收發一體、性能穩定、通信速率高的特點。支持SPI、I2C、ADC、USART等多種應用接口，集成帶通濾波器等，體積更小，性能也大幅度提升。連接電路如圖4所示。RXEN引腳為低電平時，關閉LNA，反之打開LNA，能夠靈活地控制功耗。

圖4 讀卡器識別模塊電路圖

3.1.3 GPRS通信模塊

由于STM32的串行口UART提供TTL電平標準，而GPRS模塊采用RS232電平標準的串行通信口，需要搭建TTL-RS232電平轉換模塊實現兩者通信，如圖5所示。GPRS模塊EM310內部封裝了點對點撥號協議以及TCP/IP通信協議，有效節約了成本在硬件構成上。

圖5 RS232與GPRS連接接口電路圖

3.2 軟件設計

3.2.1 RFID定位算法

RFID通過無線射頻信號進行數據的交互。目前有兩種方式計算標簽的位置。一種算法的基本原理是由數個不同位置的射頻信號接收器，根據不同位置的接收器接收到的信號強度不同，進而推斷出發射出射頻 (RF)信號物體的坐標。這種方式需要多個接收器，成本比較高。另外一種方式是在多個固定位置放置參考標簽，根據接收器讀取到不同位置的標簽的信號強度來計算標簽位置，與上一種方式相比，可以節省接收器的個數，而且達到較高的精準度[9]。

為節省溯源成本，本系統采用第二種方式，流程如圖6所示。

圖6 LANDMARC算法改進流程圖

由于接收器讀取數值具有離散性，會導致位置計算過程中存在異常關聯度，定位穩定性不能得到有效保障。受電磁波的反射、折射以及多徑效應等因素的影響，參考標簽信號強度值也會發生一定的偏差,將造成的定位坐標誤差更大。為了提高系統定位精度, 減輕外界干擾因素對坐標計算精度的影響,在LANDMARC算法獲取理論坐標的基礎上[6，10],采用自修復機制進行坐標修復,將誤差較大的參考標簽移除，獲得更加精準的位置信息，其中坐標修復過程具體流程如下:

(1) 根據LANDMARC算法選擇K個參考標簽，根據加權求和公式計算目標理論位置。

(2) 根據得到的目標理論位置，獲取與目標理論位置最近N個參考標簽的位置。

(3) 對獲得N個參考標簽也采用步驟(1)的方法，對N個參考標簽的坐標位置進行理論位置的計算,如果偏差超過設定比例，則將其剔除，選擇M個參考標簽。

(4) 計算M個標簽理論坐標位置與實際的坐標位置的平均差值。

(5) 將計算的理論位置進行修復，得到目標的坐標位置。

3.2.2 數據采集終端和消費者查詢終端

使用RFID電子標簽給每只牲畜賦予唯一的電子身份證，RFID和攝像頭可以實現自動聯動，當攜帶電子標簽的牲畜經過RFID讀寫器所在的區域內，自動啟動攝像頭進行拍照，并查詢是否當天已經采集該牲畜的活動信息，如果沒有上傳則上傳到服務器，建立牲畜的活動檔案，具體流程如圖7所示。用戶購買產品后，通過掃描二維碼，管理平臺查詢該二維碼對應的信息進行匹配，如果查詢到該信息則返回該牲畜的個性化檔案信息，否則給予提醒該產品查不到相關信息謹防假冒[7]，具體流程如圖8所示。

圖7 聯動采集模塊流程圖

圖8 用戶查詢流程圖

4 結 語

通過改進的LANDMARC的RFID定位算法，利用RFID的唯一性，精準定位到每一頭牲畜。通過RFID聯動控制攝像頭，RFID讀寫器識別到該牲畜的身份后，通過服務管理查詢是否已經記錄當天的活動信息，使采集量變為原先的1%左右的數據量，極大地降低了存儲和傳輸成本，采集牲畜的個性化檔案信息，實現低成本追溯查詢,保證消費者的知情權,提升消費信心,提高畜牧產品的公信力[5]。并且，攝像頭的能耗大大降低，為山區不能布電線只能利用太陽能為溯源采集終端供電提供了可能性，具有較強的理論價值和使用價值。