姬五胜，郭 宏，张丰臣

（1.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222；2.兰州理工大学计算机与通信学院，兰州 730050）

近年来，我国畜牧业生产呈现出持续稳步、健康发展的态势。但由于在猪肉生产过程中，企业管理不规范，产品安全问题难以追溯，导致动物性食品安全事件时有发生[1]，因此，构建一个完善的可溯源监控平台，对于保障食品安全、提高经济和生活水平有着重要的作用。目前，对于食品的溯源都是采用RFID射频电子标识，但现有的RFID读写器一般是建立在有线传输的基础上，存在读写器的位置固定、灵活性差、数据传输距离短以及设备成本高等缺点。与有线传输系统相比较，采用ZigBee无线传输技术可实现数据信息的无线双向传输，使读写系统应用更加灵活。

目前，我国基于动物产品的溯源系统在理论和实践中取得了重大进展和突破，并运用到现实产品的溯源之中。王培强等[2]基于RFID与条码技术的猪肉追溯管理信息系统分析与设计，制定了可行的追溯码编码规则，使整条物流链的数据有效关联。但对于溯源产品信息的采集和溯源信息的硬件系统没有做详细的研究和设计。鲍晓成[3]基于物联网的猪肉食品供应链可追溯体系研究，对我国猪肉产品的信息溯源关键因素和溯源系统做了详细的理论研究，但是并没有将该系统实现并应用到实际的生产溯源过程中。本文将ZigBee无线通信技术与RFID技术相融合，设计了一套可移动的无线RFID读写器。这样既弥补了传统RFID的不足，又采用ZigBee无线网络技术，使得屠宰场监控的实时性与网络化得到提高。在Visual Studio 2008平台上开发基于C/S的溯源系统应用软件，通过无线RFID读写器将生猪的进宰、检疫、分割等实时信息录入到屠宰场数据库中心，实现对屠宰生产信息进行管理；同时，系统查询终端能够为企业管理提供信息服务，管理人员通过查询终端能查询到企业信息、职员信息以及产品生产信息。

1 系统的总体架构

1.1 系统的设计方案

屠宰可溯源系统由无线RFID读写器、ZigBee无线传感网络以及在Visual Studio 2008平台上开发的C/S应用软件组成。本文通过对兰州市肉联厂生产加工过程的调研，以HACCP体系为理论依据[4]，结合实际的生产工艺，确定其系统的功能。利用该溯源系统，能够将生猪屠宰加工过程中的实时信息记录在数据库中，实现对企业和员工相关信息的管理、查询以及系统相关信息的维护。其系统功能结构如图1所示。

图1 屠宰场可溯系统结构图

1.2 系统的主程序流程图

在整个系统中，ZigBee协调器完成对整个ZigBee通信网络的组建，等待路由器和终端节点加入网络。无线RFID读写器对屠宰监控过程中相关节点信息的进行采集，然后通过ZigBee网络传送至上位机，并将相关的信息存储到数据库中。其主程序流程图如图2所示。

图2 系统主程序流程图

在无线RFID读写器中，射频芯片MF RC522与电子标签之间的通信协议遵循ISO/IEC14443A。CC2530主控芯片首先通过 SPI接口控制MF RC522与进入天线范围内类型相符合的卡进行通信，读取卡中信息，将信息进行相应处理，变成符合ZigBee协议的数据包[5-6]，并把数据包传送给ZigBee网络中的协调器，通信协议为IEEE 802.15.4协议标准[7-10]。而协调器与上位机通过UART接口相连，最终把数据传给PC机进行处理。同样，也可以通过上位机发送控制指令来完成对电子标签信息的修改等操作。

2 无线RFID读写器系统的设计

可移动无线RFID读写器系统的主要功能是对于屠宰场相关溯源信息的采集、传输以及修改。无线RFID读写系统的硬件设计主要包括射频通信模块部分的电路设计、ZigBee终端节点的电路设计以及ZigBee协调器的电路设计。

2.1 射频通信部分的电路设计

射频部分由微处理器和射频芯片组成，其主要功能是与电子标签进行通信，完成标签数据信息的交换[11]。射频模块核心芯片采用Philips研发的MF RC522，电子标签为飞利浦公司生产的M1卡。射频通信模块电路如图3所示。

图3中，射频模块将包络信号调制的13.56 MHz载波能量信号通过引脚TX1和TX2发送至天线模块。天线由L1、L2、C11和C12组成的EMC滤波电路和C5-C10组成的匹配电路来驱动，将能量信号发射出去。在信号的接收部分，RX引脚的直流输入电压由C3和R2来稳定在VMID，其交流输入电压可通过R3和C4来调整。

2.2 ZigBee无线模块电路设计

ZigBee模块的主要功能是发送和接收数据。系统采用TI/Chipcon公司生产的CC2530低功耗射频芯片，它整合IEEE 802.15.4/ZigBee RF收发机以及工业标准的增强型8051MCU内核[12]，其核心控制电路如图4所示。

图3 RFID读写系统射频通信模块

图4 ZigBee核心控制电路设计

2.3 CC2530与MF RC522的硬件接口电路

系统采用32 MHz晶振作为CC2530核心控制器的时钟信号，CC2530与射频模块之间采用SPI方式进行通信，P1_7接射频芯片MF RC522的SDA端，作为信号的控制线。P0_1、P1_3及P0_4分别接射频芯片MF RC522的D5、D6和D7端，以SPI方式控制MF RC522相关寄存器的读写。P0_5接MF RC522的复位引脚，用于控制器复位。CC2530与MF RC522的I/O口连接示意图如图5所示。

图5 CC2530与MF RC522的I/O口连接示意图

2.4 无线RFID读写器应用软件设计

在VS2008开发平台下，开发基于串口通信的上位机读写器软件[13]。利用该应用软件能实现对电子标签卡号读取、读取指定扇区数据块数据、修改指定扇区数据块的数据的功能。读写器上位机应用软件如图6所示。

图6 读写器上位机应用软件

以用户指定修改01扇区第00数据块的数据为例来说明上位机写卡过程。在“修改指定数据块数据”部分，选择扇区编号“01”，数据块编号“00”。在应用软件界面中“修改的数据”栏中写入数据“01888888882510199990000251110088”，然后点击“修改数据”按钮，上位机系统则将数据编码为“19A2FFFFFFFFFFFF0401888888882510199990000251110088”。每2个数占一个字节，其中“19”代表向读写器发送25个字节数字，“A2”表示要执行写数据指令，“FFFFFFFFFFFF”是数据块的初始密码，“04”代表的是数据块为第4块，上位机软件将发送的控制指令字符串编码成二进制格式的数据，通过PC串口发送给ZigBee协调器，然后再通过协调器发送给ZigBee终端节点，终端节点控制射频模块MF RC522把数据写入电子标签相应的数据块中存储。为了验证显示的数据是否正确，可以在“读指定数据块数据”来读取刚才写入的数据。图6中选择扇区编号“01”，数据块编号“00”，点击“读数据”按钮，可以看到“读取的数据”块中显示的是刚才写入的数据。

3 系统网络通信结构

现有的RFID读写系统一般是建立在有线传输的基础之上[14-15]，读写器通过RS232或者以太网等接口[16-17]与上位机进行通信。但由于RFID读写器的抗干扰能力较差，易受环境等因素的影响。本文将ZigBee和RFID技术相融合，建立基于ZigBee网络的无线RFID读写器，可通过无线RFID读写器实现对于屠宰场相关信息的采集和传输，其系统通信结构如图7所示。

图7 系统通信结构

系统的网络通信结构如图7（a）所示，主要包括：①无线RFID读写器。负责整个屠宰场溯源信息的采集，然后将采集的信息通过ZigBee终端节点传输给ZigBee路由器，同时终端节点根据ZigBee路由器传输过来的操作指令来控制RFID读写器进行相应的操作。②ZigBee路由器节点。将ZigBee终端节点传输的信息转发给ZigBee协调器，同时接收协调器发送过来的指令信息，将其发送给ZigBee终端节点。③ZigBee协调器节点。负责整个ZigBee系统网络的启动，将ZigBee路由器发送过来的信息通过串口的方式发送给上位机应用系统，同时将上位机应用系统传输过来的控制信息发送给ZigBee终端节点。④PC机。安装应用软件，实现人机交互。无线RFID读写器的基本结构如图7（b）所示，主要包括：①电子标签。记录了标签卡号以及猪肉产品的数据信息。②读写器。由CC2530核心控制芯片和射频芯片组成。CC2530通过控制射频芯片来识别电子标签的数据信息，并对电子标签进行相关信息的读写等操作。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。本文ZigBee网络节点上采用的是TI公司的Z-Stack 2007协议栈，在其应用层进行程序的开发，完成网络的组建和产品相关溯源信息的传输，其ZigBee网络建立流程图如图8所示。

图8 ZigBee网络建立流程图

4 溯源监控系统软件设计

4.1 屠宰场信息查询系统

管理人员可以通过信息查询系统查询企业信息、职员信息以及产品信息。在查询系统中，选择要查询的内容以及其中一条查询条件就可以查询到所需要的信息，其信息查询系统模块流程如图9所示。

图9 信息系统查询模块流程图

4.2 屠宰场检疫信息录入系统

屠宰场检疫信息是通过检疫信息模块对相关信息的录入。检疫信息模块分为2个部分：部门检疫和兽医检疫，如图10所示。部门检疫是记录胴体检查环节相关指标是否合格，并在管理中心数据库中进行记录，图10（a）为生猪胴体内脏检疫系统模块。兽医检疫对各个部门的检疫结果进行审核，并将审核结果通过兽医检疫系统提交到中心数据库中，图10（b）为兽医检疫系统模块。

图10 检疫信息模块

4.3 屠宰场信息维护系统

信息维护系统主要分为3个部分：①新员工注册，即将新员工的个人信息记录在数据库中，并设置其员工编号、密码、访问权限以及工作部门；②老员工数据更新，即当老员工个人信息发生变动时，利用软件更新记录在数据库中；③生猪信息管理，即利用上位机软件对猪只进行编码，并将该编码信息写入到电子标签中，同时在数据库中进行记录，其数据采集管理系统界面如图11所示。

图11 屠宰场数据采集管理系统

5 结束语

食品安全问题一直备受人们的关注，建立一套完整的食品溯源系统是食品安全的有力保障。本文将射频识别技术与无线通信技术相融合，设计研发了基于CC2530的无线RFID读写器和读写器应用软件，既克服了传统RFID读写器距离短、抗干扰性差、易受环境影响等缺点，又使屠宰场的监控实时性与网络化得到提高。在Visual Studio 2008平台下开发基于C/S架构的信息维护子系统、检疫信息录入子系统和信息查询子系统，同时，采用CC2530无线射频芯片作为读写器的微控制器，这样既降低了成本和功耗，也省去了布线的麻烦。试验表明，该系统稳定性高、识别距离长、应用灵活和扩展性好，具有很高的经济实用价值。

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