基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统

2016-07-23黄庆林张立新焦玉聪

江苏农业科学 2016年5期

黄庆林++张立新++焦玉聪

摘要：解决棉种销售过程中假种子频现问题的前提是准确获得棉种各个环节的实时信息，为了更准确地检测棉种在各个环节的实时信息，采用Visual Studio 2012作为开发平台，以C#为开发语言，以SQL Server 2008为数据库，以射频识别（radio frequency identification，RFID）为数据传输技术，开发了基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统，该系统主要包括基础信息维护、原种加工、仓储信息维护、订单管理和在线查询5大模块。系统运行表明：开发的溯源系统可实现对棉种培育、加工及销售过程中数据的移动采集与网络传输，实现了对棉种各个环节电子档案的建立及产品质量安全数据的深度查询；同时，该系统为政府监管部门提供了1种便捷监管平台执行监管工作。研究进一步表明，随着RFID技术的普及成本费用下降，该系统在农产品质量安全溯源方面具有广阔的应用前景。

关键词：RFID技术；棉种；质量安全；溯源；电子档案；数据采集

中图分类号： S126；TP391.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0395-05

种子是农业生产中特殊的生产资料，是不可替代的，是我国农业高速发展的基础[1]。近年来，国内不断发生种子质量安全问题，暴露出当前我国种业安全监管工作的薄弱环节[2]。面对层出不穷的假冒伪劣种子等农资投诉案件，为保证农业增产、农民增收、维护农民的合法权益，政府监管部门开展了专项整治工作，但是假冒伪劣种子事件发生后，农户对保存的销售单据没有妥善保管或者经营种子商户不承认其销售单据等相互推诿现象都为农户维护权益设置了障碍。因此，亟需研发建立种子追踪溯源系统，以保障农户权益和合法化种子经销单位效益。

目前，我国农产品溯源系统主要是针对畜禽、肉类、水产品、蔬菜等方面，一些地方关于农产品溯源的试点工作已经展开。全国多个省（市）开始实施畜禽动物的电子可标识身份制度，为我国农产品可溯源系统的大力推广提供了借鉴。但是，关于棉种可追溯系统的研究与应用一直处于空白状态。本研究针对该现状，提出构建和开发1种棉种质量安全溯源系统。

随着现代信息技术的发展，物种鉴别、电子标签等技术使农产品溯源系统具有了标识标准化、标识唯一性、数据获取自动化、各环节信息共享等特性。其中射频识别（radio frequency identification，RFID）技术被列为21世纪十大重要技术项目之一，被认为是影响未来全球产业发展的重要技术，广受各方关注[3-4]。RFID的优良特性，使其在种子的销售渠道、安全溯源上有着很好的应用前景。建立基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统可使种子的追溯更加实时、准确，使棉种的质量更加有保障，做到信息共享、有源可溯，在一定程度上提高监管效能，确保广大农户棉种的质量安全[5]。

1系统的总体方案设计

由于设计的溯源系统需要涉及的用户区域分布很广，尤其是溯源查询功能，面向整个新疆地区甚至更广泛的消费者，并且良繁基地和监管者也分布在多个团场和地区，因此该系统的架构采用B/S方式。其中数据库服务器和主应用服务程序由政府主管部门负责管理和维护，保障系统、数据、信息的安全性以及服务的稳定性、可靠性[6]。

1.1总体构架设计

溯源系统的整体构架设计见图1。

1.2系统总体设计

本系统采用Asp.Net平台下高效的MVC（Model-View-Controller）3层架构进行开发。视图（View）代表用户交互界面，对于Web应用来说，可以概括为Html界面。1个应用根据所要完成的功能不同可能有很多不同的视图，MVC设计模式对于视图的操作仅限于视图上数据的采集和处理以及用户的请求，而不包括在视图上业务流程的处理，业务流程由模型（Model）处理。

模型（Model）：就是业务流程/状态的处理以及业务规则的制定。业务流程的处理过程对其他层来说是黑箱操作，模型接受视图请求的数据，并返回最终的处理结果。业务模型的设计可以说是MVC最主要的部分，它从应用技术实现的角度对模型作了进一步划分，以便充分利用现有组件，但它不能作为应用设计模型的框架。

控制（Controller）可以理解为从用户接收请求，将模型与视图匹配在一起，共同完成用户的请求。划分控制层的作用也很明显，它清楚地告诉系统：它就是一个分发器，选择什么样的模型，选择什么样的视图，可以完成什么样的用户请求。控制层并不作任何数据处理，它只把用户信息传递给模型，告诉模型做什么，选择符合要求的视图返回给用户。因此，1个模型可能对应多个视图，1个视图可能对应多个模型。

模型、视图与控制器的分离，使得1个模型可以具有多个显示视图。如果用户通过某个视图的控制器改变了模型的数据，所有其他依赖于这些数据的视图都应反映这些变化。因此，无论何时发生了何种数据变化，控制器都会将变化通知所有的视图，所有显示都会得到更新。这实际上是1种模型的变化、传播机制。模型、视图、控制器3者之间的关系和各自的主要功能见图2。

1.3系统功能设计

针对系统中各类用户需完成的任务和承担的职责不同，系统可分为基础信息维护、原种加工、仓储信息维护、订单管理、在线查询5大模块，详见图3。

基础信息维护模块：地块信息、农户信息、品种信息、区域、区域经理、经销商、种植信息。地块信息用于添加地块的所属单位、负责人等信息；农户信息用于添加农户姓名、身份证、联系电话等信息；品种信息用于描述该品种名称、品种特性等信息；种植信息用于联系地块、农户和品种信息，以及添加施肥、灌溉、农药使用情况等信息。

原种加工：加工班次、原种收购、原种加工。加工班次用于添加加工班次信息；原种收购用于添加收购原种的信息，如残绒量、残酸率、数量、价格等信息；原种加工用于添加原种加工信息，如发芽率、残绒率、残酸率等。

仓储信息维护：种子入库、种子库存、仓库信息。种子入库用于对加工过的种子进行入库操作；种子库存用于查看某批次种子数量、价格等信息；仓库信息用于管理仓库名称、仓库管理员信息。

订单管理：订单状态、总订单、详细订单、种植历史、种子运输、种植反馈。订单状态、总订单、详细订单用于描述订单信息，如订单状态、订单品种、数量、价格等信息；种植历史用于经销商反馈农户种植信息，如农户种植面积最大的3个品种、农户反馈的种植问题等。

在线查询：手机扫描查询、网站查询。手机扫描查询用于用户通过扫描二维码查询种子信息；网站查询用于用户通过网页形式，输入查询号进行查询。

2溯源系统的RFID信息采集系统设计

2.1RFID电子标签的编码设计

本系统的基本原理是：在棉种生产、销售过程中，每袋棉种上都粘贴1个RFID电子标签，向RFID电子标签内写入棉种的各种信息，如良繁基地、品种、棉种加工以及仓储、运输等。消费者和政府监管部门可对这些信息进行查询，从而达到追溯棉种生产源头、追查事故责任的目的。RFID电子标签内存储20位10进制编码，其构成规范为：前8位为棉种加工日期，第8～9位为棉种编号，第9～10位为销售大区编号，第11～12位为销售小区编号，第13～14位编号为该袋棉种的质量，随后2位表示公司编号，最后4位为本批次棉种的顺序号，每批次最大标识数为9 999，一般能满足较大规模的棉种数量要求。

2.2RFID电子标签防碰撞设计

2.2.1RFID碰撞产生的原因防碰撞技术是RFID技术的发展过程中的关键技术之一，主要解决多标签下的信号识别与处理。每个标签都含有可被识别的全球唯一信息，RFID系统的目的就是通过读取并识别唯一信息，判断标签携带者的身份，从而进行相应的数据处理。若射频区只有1个标签，则可直接进行阅读；但当射频区存在多个标签时，面对读写器发出的识别指令，全部标签都会同时响应，并且标签之间的响应信号会出现互相干扰现象，即通常所说的数据碰撞，从而使得读写器和标签之间的通信出错或失败[7]。

2.2.2改进的自适应多叉树防碰撞算法如果防碰撞算法能根据分支内标签的数量，自适应地选择搜索叉数，就可以有效提高算法的效率。在 RFID系统中，采用曼彻斯特编码，读写器可以识别所有碰撞位的信息。现阶段大多数2叉树搜索算法仅利用碰撞位的首位信息（动态4叉树搜索算法利用碰撞位的前2位信息），而剩余的碰撞信息并没有充分被利用。一般来说，当分支内标签的数量越多时，出现碰撞的位数越多，碰撞位占总比特位的概率越大。为了有效地利用碰撞位信息，以下定义了碰撞因子[8]。

定义1：碰撞因子μ为在碰撞时隙内碰撞比特nc占标签响应比特位n的比值：

μ=ncn。（1）

定理1：碰撞因子包含待识别标签的数量信息。

证明：假设系统内有N个符合查询条件的待识别标签，标签响应的长度为n比特，任意1位比特不发生碰撞的概率为（1/2）N-1，因此有：

μ=n[1-（12）N-1]n=1-（12）N-1。（2）

可见，标签数量越大时，碰撞因子越高；反之，碰撞因子越低。说明碰撞因子包含了待识别标签的数量信息[8]。

假设系统内有N个待识别标签，系统分配的叉数为L，当搜索深度为1时，标签的识别概率为：P（1）=（1-1/L）N-1；当搜索深度为k时，识别概率为：P（k）=[1-p（1）]k-1。则所需搜索深度的均值为：

E（k）=∑∞k=1kp（k）=∑∞k=1kp（1）[1-p（1）]k-1。（3）

将式（3）两边同乘以1-p（1），可得：

[1-p（1）]E（k）=p（1）∑∞k=1k[1-p（1）]k。（4）

将式（3）减去式（4），得到：

E（k）=k1-p（1）。（5）

因为1-p（1）<1，根据等比数列的求和公式：

E（k）=1p=1（1-1L）N-1。（6）

所需的平均时隙数为：

T=E（k）L=L（1-1L）N-1。（7）

对于2叉树搜索，所需的平均时隙数为T2ary=2/（1-1/2）N-1。对于4叉树搜索，所需的平均时隙数为T4ary=4/（1-1/4）N-1。对于8叉树搜索，所需的平均时隙数为T8ary=8/（1-1/8）N-1。比较T2ary、T4ary可知：当N>3时，4叉树优于2叉树搜索；比较T4ary、T8ary可知：当N≥5时，8叉树优于4叉树搜索。根据式（2），碰撞因子应选择：

μ1=1-（1-12）3-1=0.75

μ2=1-（1-12）5-1=0.937 5。

算法的搜索流程见图4。

3主要功能模块的实现

根据前面提出的系统设计的单袋棉种编码规范、数据采集系统、开发的硬件级软件环境，以及总体的功能设计等，开发完成了基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统。下面主要介绍实施效果。

3.1对毛籽和棉种质检数据采集

对原料（毛籽）的抽检是棉种质量安全的重要环节。一般而言，由棉种企业质检部门派出人员负责对毛籽水分、短绒率和破碎率等进行抽检[9-10]。抽检合格的毛籽经过加工之后就是棉种，为保障进入市场的棉种质量安全，加工完成后的棉种在入库之前，企业质检部门需要对棉种进行抽检，目前主要抽检的项目包括包装和发芽率。进入图5的原料质检数据采集环节和图6棉种复检环节的，必须是经过用户权限验证的用户。先输入单袋棉种（1个或1批）号后，才出现图6右侧的检验结果录入界面。需要指明的是，抽检时间不让使用者录入，而是在“保存”即提交数据时，将质检信息采集系统时间一并传输到远程数据库中，防止人为修改时间。

3.2对入库棉种数据采集

在完成加工的棉种入库前，打开计算机并登陆仓储管理数据采集系统，调试好RFID阅读系统。在棉种入库过程中，工作人员用RFID阅读器读取该批次棉种的标识编码，然后手动或者批量自动录入该批次棉种信息，通过计算机终端把棉种相关信息上传到棉种质量安全溯源数据中心。图7为棉种加工厂棉种入库的界面，采集的棉种数据分批次传输到棉种企业局域网中的数据服务器中。

在棉种入库过程中，电子标签有损坏的可能性。为了不影响棉种入库的正常进行，最大限度保障溯源信息的完整性，工作人员可以手动输入该袋棉种的标识编码，产生替代号码并传到棉种溯源信息中心。由于棉种在入库过程中，都是以品种为批次依次入库，因此棉种的来源或所属良繁基地信息的准确性不会受到影响。

3.3对棉种营销数据采集

对销售过程中相关信息的采集是保证棉种质量安全的重要环节。一般而言，由各级销售商负责人对相关信息进行采集，因为一旦信息确认，销售商就需要承担相应的责任[11]。目前主要采集的信息包括所在销售区域、区域负责人、棉种品种、棉种数量和调运信息。图8为经销商数据采集画面，必须是经过用户权限验证的用户，才能进入数据的采集与传输。RFID阅读器接受到信息后，才出现销售信息录入界面。需要指明的是，采集信息时间不让使用者录入，而是在“保存”即提交数据时，将PC或手机的系统时间一并传输到远程数据库中，防止人为修改时间。

3.4对棉种的移动终端查询

图9为通过运行在手机终端上的溯源查询软件输入，或者手机条形码扫描包装产品上的溯源码“6936434500035”后得到的查询结果。更详细的内容包括各种投入品的使用情况等信息可以在PC端登录溯源系统进行查询。

4系统测试

4.1测试环境

为方便测试，采用1台PC机运行溯源系统程序，表1是该机器的配置。

表1测试环境

配置项目配置信息操作系统Windows 7CUP2.0 GHz内存1 GBWeb 服务器Tomcat 6.0Java 虚拟机Sun JDK 1.5.09RFID 阅读器万全VF-647

4.2测试内容

为了检验该溯源系统在实际应用中的效果，笔者以仓库管理中的入库作业为基础，测试系统在阅读器读取标签、数据处理等方面的能力，图10是硬件组成。

4.2.1阅读器标签读取性能测试（1）将VF-647阅读器的读取模式设置为“循环读取”，以接近0.5次/s的速率依次放置1个标签于阅读器的读取范围内，观察读取效果[6]。（2）将阅读器的读取模式设置为“单次读取”，将读取源的读取周期设定为0.5 s，同样以接近1次/s的速率依次放置1个标签于阅读器的读取范围内，观察读取效果[6]。（3）在（2）的基础上，将读取源的读取周期更改为0.25 s，观察读取效果。

测试数据整理结果见表2。测试结果表明，该系统能够为用户提供合理的默认配置参数，并可以检验用户输入的参数进行合理性检验，经过合理配置之后阅读器的工作，能达到更加理想的效果；通过调整相关的运行参数，比如设置合理的读取周期以及选择合适的读取方式，可以调整阅读器的读取能力[6]。

4.2.2.1重复标签过滤测试[12]（1）将读取源的读取模式设置为周期性读取，将读取周期设定为0.5 s；（2）设定重复时间间隔为3 s；（3）将测试中所用的6个标签放置在阅读器读取范围内，放置时间为30 s，观察中间件的处理结果。测试数据整理结果见表3。

4.2.2.2基于标签码的过滤测试设定过滤掩码（Filter Mask）为：FFFFFFFFFFFFFFFF1111，过滤值（Filter Value）为20150101010220031111，观察中间件的处理结果，表4为测试数据。测试结果表明，该溯源系统具有良好的数据处理能力，能够过滤指定时间间隔内重复读取的标签，减少发送给应用程序的数据量；能够根据应用的需求，按照指定的标签码格式筛选出预期的标签[6]。

5结论

本研究对基于RFID技术的棉种质量安全溯源的系统架构进行设计；分析了系统的功能结构和各模块的功能；针对本系统中使用的电子标签——单袋棉种RFID电子标签的存储

情况和适应环境性能进行详细分析设计；对数据库进行E-R设计；着重对良繁管理模块、质检模块及仓储模块进行详细的设计与实现。采用RFID技术、计算机网络技术、嵌入式技术和数据库等技术，并进行了深入的研究，确立了系统组成的基本元件和系统开发工具，开发出了基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统软件。研究开发的基于RFID技术的棉种质量安全溯源系统已经应用于新疆天佐农业科技发展责任有限公司，提高了该公司的自动化、信息化和智能化管理程度，很好地保护和提高了该棉种公司的企业形象和效益，同时让购买该公司棉种的农户利益得到了很好的保障，实现了企业与农户的双赢，为我国棉花产业的蓬勃发展奠定了一定基础。

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