基于物联网的食品安全追溯系统的设计与应用(论文)

基于物联网的红枣安全追溯系统的基于物联网的红枣安全追溯系统的 设计和应用设计和应用 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 塔里木大学机械电气化工程学院制 13 届毕业设计 前前 言言 随着近年来，诸多的食品安全事件的频繁发生，严重威胁消费者的身体健康，引起了世 界性的广泛关注，也影响了食品行业的健康、持续、稳定的发展。如何保证食品供应链的安 全，已成为一个迫切需要解决的全球性课题。传统的对食品品质检验方法存在管理滞后、效 率低下和较高的出错率等问题。利用 RFID 技术建立安全食品供应链体系可以有效解决以上问 题。RFID 系统可提供食品供应链中食品与来源之间的可靠联系，确保到达超市货架及厨房的 食品的来源是清晰的，并可追踪到生产企业甚至是动物、植物个体及具体的加工操作人员。 “民以食为天，食以安为先。 ”RFID 技术在安全食品供应链的应用，对企业来说，有助于食品 企业加强食品安全方面的管理，稳定和扩大消费群，提升市场竞争力；从食品供应链角度看， 为消费者营造了放心消费的环境，树立了良好的形象，切实提高了整条供应链的服务水平。 虽然 RFID 在应用中还有一些问题需要解决，但是其应用前景是十分广阔的。 目目 录录 1 1 绪论绪论1 1.1 课题设计背景.1 1.2 课题设计目的.1 1.3 本文的主要工作及指导思想.1 2 2 课题方案论证课题方案论证1 2.1 系统基本方案选择和论证.2 2.2 系统设计最终方案决定3 3 3 系统设计系统设计.4 3.1 硬件设计.4 3.2 软件设计.7 总结总结.10 致谢致谢.11 参考文献参考文献12 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题设计背景课题设计背景 近年来，英国的疯牛病，比利时的二噁英，丹麦、苏格兰等国家和地区的沙门氏菌和大 肠杆菌污染事件，国内的“福寿螺” 、 “瘦肉精” 、 “三鹿奶粉” 、 “皮革奶”等事件，再次把食 品安全问题推向风口浪尖。为此，世界卫生组织和联合国粮农组织以及世界各国政府都加强 了食品安全工作，强化或调整了有关政策法规、监督管理条例和科技研究投入力度。 想从根本上保护食品安全、提高产品质量，在完善法律加强监管之外，实现从农田到 餐桌的全过程控制，一个最为得力的举措应该是建立食品的可追溯制度。目前发达国家可追 溯系统主要应用在畜牧业。例如：澳大利亚牲畜标识计划，欧盟强制性的家畜和肉制品可追 溯制度6。加拿大强制性的牛标识制度，以及日本的肉牛可追溯系统等。而我国在食品可追 溯性方面也开展了大量的研究工作，但是如何构建一套全流程追踪系统成为了制约可追溯系 统研发的关键。 随着物联网技术的出现，为建立食品安全可追溯系统提供了解决之道。构建一套基于物 联网相关技术的食品安全追溯系统势在必行。不但能够为食品安全监督提供技术保障，而且 能够促进我国物联网技术的应用发展。赛迪顾问研究显示：2012 年中国物联网产业市场规模 将达到 3000 亿元，至 2015 年，中国物联网整体市场规模将达到 7500 亿元，年复合增长率超 过 30%，市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等市场。 枣业成为阿拉尔垦区仅次于棉花的支柱产业，怎样做大做强这一特色产业？有关专家认 为，应从栽培模式、技术管理、储存加工、销售等方面，实施大集团战略，实行必要的宏观 调控。只有提高红枣的产品质量，从根本上提高消费者对阿拉尔红枣的信心，才是做强阿拉 尔枣业的立足点。建立一套红枣安全追溯系统，贯穿到红枣生产，加工流通，直到销售全过 程中，切实保障消费者对红枣种植、加工运输等过程相关信息的知情权，保证红枣的质量， 提高红枣的知名度，阿拉尔枣业会越做越大。 1.21.2 课题设计目的课题设计目的 (1)进一步熟悉和掌握 RFID 的工作原理和使用方法 (2)熟悉单片机对外围设备的控制方法，学会电路图的设计 (3)通过对单片机的程序的实际编写，学习程序设计思路 (4)了解 RFID 追溯系统的框架和射频模块的功能，为今后的学习工作做好充电 1.31.3 本文的主本文的主体体工作及指导思想工作及指导思想 本系统以阿拉尔红枣为例，对阿拉尔红枣实行产品的溯源。RFID 标签卡可以存储红枣从 生长，成熟，收获运输等全过程的追溯，通过 RFID 射频识别技术，对标签卡实现了读写内部 数据信息的功能，RFID 标签卡不同于条形码 RFID 标签卡里的信息可以进行实时更新的功能， 可以通过无线电波实时传输信息，从而可以在简单的 WEB 服务组件中查找相应的食品安全追 溯信息，使食品安全生产管理者能够在出现食品安全问题时迅速的召回有害食品，防止有问 题产品的快速流散，从而通过物联网技术解决生活中的食品安全问题。 物联网系统一般由感知层，网络层和应用层组成，由于 3G 等移动通信网络资源限制， 本系统设计了感知层和应用层两部分。通过无线射频 RFID 读写器非接触式读取 RFID 标签中 的数据信息为感知层。再通过一个简单的后端 WEB 服务组件完成相对应的食品安全信息溯源 功能。 物联网系统一般由感知层，网络层和应用层组成，由于 3G 等移动通信网络资源限制， 本系统设计了感知层和应用层两部分。通过无线射频 RFID 读写器非接触式读取 RFID 标签中 的数据信息为感知层。再通过一个简单的后端 WEB 服务组件完成相对应的食品安全信息溯源 功能。 2 2 课题方案论证课题方案论证 塔里木大学毕业设计 1 2.12.1 系统基本方案选择和论证系统基本方案选择和论证 物联网食品安全追溯流程: （1）在生产食品的源头，无论是动物饲养过程中吃的饲料信息，还是在植物种植过程中 施加的肥料信息，均可以使用 RFID 电子标签存储到食品安全生产数据库中，以此来作为将来 食品安全追溯原始数据。 （2）在食品加工环节中，生产厂家、操作员工、食品加工方式以及时间等追溯信息也 会记录到相应数据库的字段中。 （3）通过对食品的流通过程中的每个环节布置含有多种传感器的读写器，可以记录该 批食品流通过程中的环境信息。 （4）在运输环节中，在车门里的读写器每隔几分钟就读取食品货箱的 RFID 标签信息， 连同传感器的信息一起发送到食品安全追溯管理系统中记录数据，因为车厢内的信息基本一 样，所以在读写器上而不是在 RFID 标签上集成传感器可以大幅度缩减系统成本。 （5）在食品运输到仓库时，RFID 读写器会读取食品信息以及入库时间，并且系统自动 分配存货区域。仓库中布置的内嵌传感器的读写器，同样按照一定时间定时读取 RFID 标签信 息已经环境信息。 （6）根据记录的外界环境信息，物流仓库的质量评估系统将自动对库存中的食品进行 评估，并且根据环境信息综合判断，保质期将到的食品先发货。 （7）通过严格的控制流通过程，运送到消费者手中食品的安全性将会大大提高，因此， 无论是在餐桌或是货架，消费者通过追溯系统既可查到食品的生产日期、原料产地、生产者 等详细生长信息，通过食品安全测评系统对食品进行等级认证，以此就可以确保食品安全。 （8）食品变质后，评估系统将实时改变评估结果，提醒消费者慎重购买，并且通知零 售商将过期产品撤下货架。 （9）当发生食品安全问题时，通过食品安全追溯系统就可以查到食品的最终销售者， 还可以找到流通或生产加工过程出现问题的环节，形成有政府统一管理、协调、高效运作的 架构。这也是国际上食品安全追溯管理模式的发展趋势。 RFID 射频识别技术及 EPC 产品电子代码: 近年来，无线射频识别技术在全球得到了迅速发展，在人们的日常生活中已经出现，并 且产生了越来越大的影响。射频识别技术是结合了无线电、芯片制造及计算机等学科的新技 术。无线射频识别 RFID 技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它利用射频 信号及其空间耦合的传输特性，实现对静止或移动物体的自动识别。射频识别常被称为感应 式电子芯片或非接触卡。典型的 RFID 系统一般由电子标签、读写器以及计算机系统等部分组 成。电子标签中保存着某种约定格式的编码数据，用以唯一标识标签所附着的物体；读写器 通过无线信号与标签通信，获得标签中的编码，并将这些编码送往后台计算机系统处理，达 到对目标进行自动识别的目的。 射频识别技术有以下特点： 1）：数据的读写功能 2）：电子标签的小型化和多样化 3）：耐环境性 4）：可重复使用 5）：穿透性 6）：数据的记忆容量大 7）：系统的安全性 EPC 产品电子代码技术是由美国麻省理工学院的自动识别研究中心开发的，旨在通过互 联网平台，利用无线射频识别、无线数据通信等技术，构造一个实现全球物品信息实时共享 的物联网。EPC 代码是由标头、管理者代码、对象分类代码、序列号等数据字段组成的一组数 字。 图 2-1 EPC 代码结构图 EPC 的目标是为物理世界的对象提供唯一的标识，从而达到通过计算机网络来标识和访 问单个物体的目标，就如同在互联网上使用 IP 地址来标识和通信一样。EPC 系统的最终目的 是为每一个单品建立全球的、开放的标识标准。EPC 系统的发展，能够推动自动识别技术的快 速发展，向跨地区、跨国界物品识别与跟踪领域的应用迈出了划时代的一步，可以做到对供 应链中的货品进行实时跟踪，还可以通过优化供应链来给用户提供数据支持，大大提高供应 链的效率。 RFID 系统的构成和工作流程: 典型的 RFID 射频识别系统由电子标签、阅读器和数据管理系统三大部分组成。由芯片和 标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信。电子标签是 RFID 系 统中存储被识别物体相关信息的电子装置，通常贴在被识别物体表面或者嵌入其内部，标签 存储器中的信息可由读写器进行非接触式的读和写。电子标签由天线、控制模块、存储器、 收发模块 4 部分构成。阅读器，有时也被称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发 模块、天线、控制模块及接口电路等组成。芯片中一般存储两种数据：一种为固化在芯片中 的 UID（唯一标识号） ，用来唯一标识电子标签；另一种为存储在 EEPROM 中的可擦写数据，用 来记录与被识别物体相关的信息。阅读器是读写电子标签信息的设备，通常由天线、射频模 块、控制模块、接口模块 4 部分组成。读写器的任务是：控制射频模块发射载波信号以提供 能量来启动标签；对发射信号进行调制，将数据传送给标签；对标识信息进行解码，并将标 识信息传输给主机处理；通信接口控制、输入输出检测和控制；产生、发送、接收射频信号。 数据管理系统的主要任务是控制读写器进行读写卡的操作，以及存储和处理相应的数据信息。 RFID 系统的工作流程如下。 （1）读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区时 产生感应电流，电子标签通过从读写器获得的能量自动除与激活状态。 （2）电子标签将存储在其自带的存储器上的 RFID 编码等信息通过标签内置发射天线发 送出去。 （3）系统接收天线对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理。 （4）主系统根据逻辑运算判断该标签编码的完整性、合法性，针对不同的应用业务逻辑 做出相应的处理和控制。 图 2-2 RFID 基本原理图 塔里木大学毕业设计 3 2.22.2 系统设计最终方案决定系统设计最终方案决定 综上所述，选定本课题食品安全追溯系统设计方案:首先对食品的追溯信息详细写入 RFID 标签卡,然后通过射频识别读写器将里面所包含的食品安全追溯信息读取到电脑中，第三 步是通过简单的 WEB 服务组件设计查找相应 EPC 代码所对应的详细 WEB 信息。采用可读写电 子标签除标签 ID 号（UID 号）永不可变外，可读写电子标签中的其它数据可以因需更新，而 根据标签 ID 号可以唯一确定标签，进而可以唯一确定相应的食品。EPC 可以通过标签卡里面 的数据进行读写。在本设计中，由于各方面条件的设计只用生产源头的信息追溯来代替整个 食品安全追溯流程。由于 WEB 服务是物联网软件设计中非常重要的一环，所以用一个简单的 WEB 服务组件来展示一下食品安全追溯系统的后台操作流程和简单的二进制序列和详细信息的 逻辑对应关系。食品安全追溯系统可以简化为对一个含有特定食品追溯信息的标签卡进行数 据的读写操作。采用单片机作为主控制系统，并设计好最小系统，外部独立提供 5V 直流电源， 依靠射频模块进行非接触式读卡写卡。信息在非接触式的电磁场中通过天线传输。 3 3 系统设计系统设计 3.13.1 硬件设计硬件设计 本系统由 PC 机、读写器、射频卡、RS232 转换电路、接口设备组成。其中 RFID 读写器 是整个食品安全追溯系统的核心，在系统中负责读写标签卡里的信息、与 PC 机通信、向控制 器发送控制信号等工作。 图 3-1 系统框图 RFID 读写器在射频识别中是核心的工作机，通过 USB-TTL 模块与主机相连。RFID 读写 器采用单片机设计，由一台微处理机及相应的外围电路组成。本系统采用 AT89C2051 单片机 作为 RFID 读写器的核心电路，配置射频卡读写芯片、天线耦合电路、天线、USB-TTL 模块等 组成。整个射频识别框图如图 3-1 所示。系统的工作原理是先由微处理器 AT89C2051 控制射 频识别读写器读取射频卡的信号，然后 AT89C2051 根据所得数据与整个上位 PC 机之间进行通 讯，获得指令以及传输系统状态等，下面主要从硬件部分对系统进行分析。 射频读卡器微处理器模块: 本系统的 RFID 读写器主控模块由单片机及其外围电路组成。本系统选取 ATMEL 公司生 产的 AT89C2051 单片机作为读卡器的主控模块。AT89C2051 单片机是一种 CMOS8 位单片机，具 有低电压、高性能的特点。具有 2K 字节容量的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM） 。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用。 AT89C2051 具有以下标准功能：2K 字节闪 速存储器，128 字节 RAM，15 根 I/O 口，两个 16 位定时器，一个五向量两级中断结构，一个 全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。空闲方停止 CPU 工 作但允许 RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 内容但 振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。AT89C2051 可降至 0Hz 的静态逻 辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计 数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 图 3-2 单片机芯片引脚图 主要引脚说明： P1 口：P1 口是一个 8 位双向 I/O 口。引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉电阻，P1.0 和 P1.1 要求外部上拉电阻。P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输 入(AIN1)。P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并能直接驱动 LED 显示。当 P1 口引脚写入“1” 时，其可用作输入端，当引脚 P1.2P1.7 用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入 “1”时，其可用作输入端。当引脚 P1.2P1.7 用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上 拉电阻而流出电流。 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻 的七个双向 I/O 口引脚。P3.6 用 于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O 引脚而不可访问。P3 口缓冲器可吸 收 20mA 电流。当 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时， 被外部拉低的 P3 口脚将用上拉电阻而流出电流。 塔里木大学毕业设计 5 图 3-3 P3 口第二功能图 射频读卡器读写模块: FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用 芯片，采用0.6 微米CMOS EEPROM 工艺，支持ISO14443 type A协议，支持多种加密算法， 兼容Philips的MF RC530(SPI接口)读卡机芯片。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路， 只需最少量的外围电路，支持SPI接口(-P),数字电路具有TTL、CMOS 两种电压工作模式。 特别适用于ISO14443 标准下水、电、煤气 表、8自动售货机、门禁、电梯、饮水机、电 话机等计费系统或身份识别系统的读卡器的应用。CY-14443A系列是低功耗宽电压功能模 块，工作35.5V，最低功耗仅需3ua， 采用一体化模块可以大大减少PCB面积，增强应用 性能，可以胜任各种应用场合。 射频识别标签卡及天线设计: 卡片的电气部分只由一个天线和 ASIC 组成。天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈， 易于封装到 IS0 卡片中。卡片的 ASIC 由一个波特率为 106KB 的 高速 RF 接口，一个 8K 位 EEPROM 和一个控制单元组成。读写器向 RFID 射频卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一 个 LC 串联谐振电路。频率与读写器发射的频率相同，当产生电磁波时，LC 谐振电路发生共 振现象，使电容内产生电荷，在电容的另一端处，有一个电子泵，单向导通的。把电容中的 电荷 送到另一个电容中去，当积累的电荷到 2V 时，此电容可以当做电源为电路提供电压， 将 RFID 标签卡内的数据发射出去和接收读写器发送的数据。 在 RF 射频接口电路中的波形转换模块。其主要功能是接受读写器所发送的无线电调制电 波，用于调制/解调模块以及进行波形转换，和为卡片提供电压。具体步骤包括转换波形为方 波、整流滤波以及通过电压调节模块进行稳压的处理，最终输出到各工作电路。POR 模块主要 是对卡片上的电路进行上电复位，使各电路同步启动工作。 CY-14443A 系列全部有板载内置天线，可以再接外接天线： 内置天线的优点:提高集成度， 尺寸虽小但是可以读取达到 6cm 以内的卡， 基本不需再外接大天线就可以满足大部分的设计 需要，并且不需要更换电 路就可以再连接外部天线， 提高了系统的可重用性， 大大降低成本， 另外， 内置天线的读头可以作为有源天线使用。 射频读卡器通信模块: 本设计中单片机的串口采用的是 USB-TTL 电平的方式达到电路板与 PC 机进行串口通信的 目的。 USB 接口概述：通用串行接口（Universal Serial Bus）是连接外部装置的一个串口汇流 排标准，在计算机上使用广泛，USB 接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB 接口可用于 连接多达 127 种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB 是一种常用的 pc 接口，他只有 4 根线，两根电源两根信号，故信号是串行传输的，USB 接口也称为串行口。 TTL 接口概述：TTL（Transistor Transistor Logic）即晶体管-晶体管逻辑，TTL 电平 信号由 TTL 器件产生。TTL 器件是数字集成电路的一大门类，它采用双极型工艺制造，具有高 速度、低功耗和品种多等特点。 TTL 接口属于并行方式传输数据的接口，采用这种接口时， 不必在液晶显示器的驱动板端和液晶面板端使用专用的接口电路，而是由驱动板主控芯片输 出的 TTL 数据信号经电缆线直接传送到液晶面板的输人接口。 USB-TTL 模块特性： 1：USB 接口模拟一个串行口，安装驱动以后，完全可以视为对串行口进行各种操作。 2：USB 接口直接供电，无需外部电源。 3：可以跳线选择 5V 、3.3V TTL 接口。 4：TTL 接口能直接连接到各种单片机的串口引脚，进行通讯调试。 5：可以通过串行口对 STC 单片机进行程序下载。 图 3-4 通信接口连接图 产品命名规则： RFID 读写器整体模块连接： 单片机 AT89C2051 与射频模块 FM1792SL 相嵌在电路板上连接到一起。U1 单片机通过 J1 接口连接到 FTDI232RL 芯片主控的 USB-TTL 模块通过并串转化的方式和 PC 机进行通信。 3.23.2 软件设计软件设计 设计方案思想: 先了解 RFID 射频识别系统的工作原理，在程序开始时必须首先打开正确的端口，如果没 有正确打开端口或者端口不存在，会有一个提示：串口打开错误。用户自己将卡片靠近读卡 模块， 发现模块上红灯亮起之后，按功能区的”寻卡”来读取卡片序列号。正确寻卡之后， 会在序列号里显示卡片序列号只要没有出现错误的命令提示，就表明准确识别出卡号来。错 误提示包含 串口未打开的提示表示串口无法使用， 命令执行 错误的提示表明卡不在天线范围内，或者模块和计算机的通讯链路不准确。对 IC 卡的读写 操作 包含读块，写块，修改密钥等，钱包操作也反应在读写块上，因此可以用读块方式来验 证钱包操作。 打开端口 寻卡 退出 卡片操作 塔里木大学毕业设计 7 图 3-5 设计流程图 以上设计流程图，在编制主程序流程图和编写程序源代码的时候，以此作为参考包含了 RFID 射频识别技术的工作的基本流程。卡片操作含有读卡，写卡，修改卡片密匙，初始化数 据，数据增值，数据减值等操作。 图 3-6 设计流程图 当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否 为 射频卡，即验证卡片的卡型。 防冲突机制： 当有多张卡进入读写器操作范围时， 防冲突机制会从其中选择一张进行操作， 未选中的 则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。 选择卡片： 选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。 三次互相确认： 选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验， 在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇 区 密码校验。） 对数据块的操作： 读块，写块，加值，减值，存储，传输，终止 后端 WEB 服务组件的设计: 物联网软件设计非常重要的一环是 WEB 服务。WEB 服务是不依赖于硬件环境、独立运行、 可移植的软件模块。WEB 服务是一个用于分散和分布式环境下的网络信息交换的、基于 XML 的 通信协议。在此协议下，软件组件或应用程序能够通过标准的 HTTP 协议进行通信。他的设计 目标就是简单性和扩展性，有助于实现大量异构程序和平台之间的互操作性，从而使存在的 应用程序能够被广泛的用户使用。WEB 服务是一种通过 Internet 和 SOAP 协议提供企业应用的 方式。 使用 C#在 Visual Studio 2008 中创建一个 Web 服务组件： 第一：创建服务器端 第二：创建客户端，设计客户端界面，添加 WEB 引用。 第三：进行简单的数据交互 从而通过简单那的 WEB 服务组件将 RFID 标签卡中的数据转化为详细的食品安全追溯信息。 总总 结结 塔里木大学毕业设计 9 经过认真的准备和努力，红枣安全追溯系统的主体功能已经能够顺利实现，能够进行射 频识别的基本读写操作，并加上了针对 RFID 标签卡存储信息的简单数据处理功能以及简单的 后端 WEB 服务组件。从开始毕业论文设计，时至今日，