豬肉溯源系統的設計與研究

魏雅

摘 ? 要：針對食品質量安全問題，結合目前各地區溯源系統中存在的問題，以豬肉溯源為例，設計了豬肉溯源系統。系統從生豬的養殖、屠宰、加工、運輸，最終到零售，進行各環節設計，實現了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點設計研究了Web平臺，二進制樹搜索算法，數據庫等，最終實現了系統要求的全部功能。

關鍵詞：物聯網;溯源系統;通信技術;二進制樹搜索算法

隨著人們生活水平的提高，對食品質量安全的需求愈加凸顯，從國家到地方，都高度重視食品質量安全監管及追溯。豬肉作為人們舌尖上的一道美食，更應該保證其食用安全性。所以建立一套基于物聯網的豬肉跟蹤與溯源系統，不但能讓消費者買得放心、吃得放心，還能加強企業的監管力度，提高國民收入，保障國家安全穩定。本系統在前人研究的基礎上稍作改進，在保障豬肉質量和控制豬肉安全方面，具有現實意義。

1 ? ?系統功能設計

1.1 ?系統架構

本系統按照典型的物聯網的感知層、網絡層、應用層3層模式設計。系統采用B/S架構，圍繞著數據庫進行系統的構建。

（1）感知層：通過傳感器等智能終端，對豬個體、豬肉及物流的信息進行采集，同時，接收上層網絡發送來的控制信息，完成相應的執行動作，還可以進行短距離無線通信。

（2）網絡層：由互聯網、移動通信網、網絡管理等組成，是整個物聯網的中樞。負責傳遞和處理感知層獲取的信息，使物體能進行遠距離、大范圍的通信。

（3）應用層：是物聯網和用戶的接口，用戶借助Web客戶端和手機端，完成對豬個體及豬肉信息的匯總、分析、查詢等功能。用戶可根據溯源系統的數據鑒定豬肉質量，實現人機交互功能，為消費者提供放心服務。企業可以對不同環節的數據分析，來調節養殖業和豬肉的供應情況，獲取最大利潤。

1.2 ?系統功能模塊設計

系統采用強大的物聯網技術、射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術、常用的二維碼技術以及具有跨平臺、不受操作系統和開發平臺制約的Java語言完成動態Web的開發[1]。詳細設計MySQL數據庫存儲采集到的信息以被溯源查詢，采用二進制樹搜索算法來提高RFID標簽識別效率。開發Android手機平臺客戶端、PC端，實現豬肉溯源系統的系統管理、信息維護、信息查詢模塊功能，完成對生豬養殖信息、屠宰加工信息、檢疫檢驗信息、物流倉儲信息、銷售信息的錄入與修改，實現信息查詢的功能。系統總體設計如圖1所示。

2 ? ?系統關鍵技術

2.1 ?射頻識別技術

射頻識別技術是物聯網構建的關鍵技術，其系統由電子標簽、天線、讀寫器和數據處理部分構成。因其有識別迅速、形狀大小不受限制、操作性比較強、比較耐用、抗干擾能力較強、存儲信息量大、存儲信息可以隨意修改等優點，被廣泛應用于智慧交通、智慧城市、智能圖書館、物流運輸、醫藥及食品生產等行業，且效果顯著。RFID在豬肉溯源系統中的應用如圖2所示。其中，實線箭頭表示追蹤過程，虛線箭頭表示追溯過程。

2.2 ?RFID防碰撞算法研究

2.2.1 ?防碰撞現象

在RFID系統應用中，碰撞分為標簽碰撞和讀寫器碰撞兩種。在發送信息和接收信息過程中，本來在特定時間，只能是一個標簽與對應閱讀器建立通信，但在系統中出現一個終端采集器對應很多個保存有豬個體和豬肉信息的RFID標簽，也就是出現了多個標簽對單一閱讀器信道進行競爭的現象，這種現象被稱之為標簽碰撞。另外，一個特定的標簽反射到讀寫器的信號很容易被另外讀寫器發出的信號干擾，特定的標簽接收到的信息為兩個讀寫器發射信號的矢量和，是一個未知信號，導致出現了多個讀寫器對一個標簽的干擾，這種現象被稱為讀寫器碰撞。

2.2.2 ?防碰撞算法的選擇

在RFID系統中，可以采用多址復用的方式解決由于讀寫器信道引起的碰撞問題。通過分析采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA），即對所有標簽，在某個時間內建立唯一的閱讀器和標簽的通信關系，可以很好地解決標簽碰撞問題。標簽防碰撞算法有基于TDMA的ALOHA系列的算法和二進制防碰撞系列算法，兩種算法只需知道標簽的數量，就能很好地發揮其優點。但相比之下二進制樹型搜索法更能快速、準確地識別對應的標簽[2]。二進制搜索算法的工作流程如圖3所示。

從圖3可以看出，當標簽數為n，標簽長度為L時，所有的標簽被讀取成功所需要的搜索次數：

吞吐率為： ?（2）

總的傳輸數據比特數為：

因在識別標簽時，讀寫器要多次發送請求碼給標簽，浪費時間、效率較低。

2.2.3 ?改進的二進制樹搜索算法

當標簽數量較多時，每次都要從頭搜索會出現多余數據并浪費時間。這時，只要發生標簽碰撞，就把碰撞的最高位設為0，高于該位的數不變，產生新的請求碼;再和新的請求碼進行比較，每次ID最小的標簽應答后，返回父節點的時候，讀寫器無需每次都要發送最大序列號請求碼。這樣，識別所有標簽需搜索次數t=2×n-1，識別一個標簽平均查詢次數v=（2×n-1）÷n，則吞吐率為s=n÷（2×n-1）。

經驗證，當標簽數量較大時，改進后的算法效率更高。因系統中標簽數較多，所以系統使用改進后的二進制算法可以提高RFID的工作效率。

2.3 ?socket ?通信

本系統選擇了基于傳輸控制協議/因特網互聯協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的socket通信協議，以保證系統通信數據的正確可靠性，確保實時的通信質量。

3 ? ?系統關鍵功能實現

3.1 ?系統總體工程實現

系統在創建項目前，先設置好端口。選擇功能強大、操作簡單、運行速度快、占用資源少的Eclipse作為開發工具，應用Java語言完成對應程序的設計并運行，通過系統提供的溯源網址來實現系統的編輯，查詢等功能。

3.2 ?通信及服務器設置

本系統選擇了基于TCP/IP協議的socket通信協議，以保證系統通信數據的正確可靠性，確保實時的通信質量。使用Web服務器，當客戶端發送請求網址給服務器端時，服務器就轉換、翻譯.JSP文件，再執行.class文件。

3.3 ?數據庫管理實現

根據數據庫設計原則[3]和系統軟硬件的實際需求，本系統選用管理方便、操作簡單、運行速度高效、成本低的且可靠性高的MySQL數據庫。選用Navicat Lite 9.0作為系統數據庫的管理軟件，實現對數據庫里的數據執行增、刪、改、查等操作，用它建立的數據庫能夠在任何網絡訪問，實現數據共享。

4 ? ?結語

系統通過對硬件的選取和軟件平臺的搭建，使用物聯網技術、RFID技術、通信技術、數據庫技術，從豬仔的養殖到生豬的屠宰、分割、再經流通，最終到零售超市進行銷售的環節設計，實現了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點研究設計了Web平臺，二進制樹型搜索算法，數據庫設計等，最終實現了利用網頁端和手機端完成對系統的監測。

[參考文獻]

[1]趙訓銘，劉建華.射頻識別技術在食品溯源中的應用研究進展[J].食品與機械，2019，35（2）：212-216.

[2]王佩瑋.無線射頻識別標簽防碰撞算法比較分析[J].物聯網技術，2017，7（4）：21-24.

[3]韓雨佟.基于B/S物聯網環境監測系統MySQL數據庫的設計與實現[D].天津：天津大學，2014.