（福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002）

原材料質(zhì)量管控是供應(yīng)鏈管理的核心內(nèi)容，“劣質(zhì)原料將會對最終產(chǎn)品質(zhì)量造成重大影響”是企業(yè)管理者的共識。對于木材加工企業(yè)而言，原材料來源問題又更顯突出[1]。目前中國許多木材加工企業(yè)對原材料來源不加標(biāo)識，在庫存時混淆堆放，在生產(chǎn)時未對物料追蹤[2]。當(dāng)加工的成品在“進(jìn)出口病蟲害檢疫”環(huán)節(jié)中被發(fā)現(xiàn)不合格，此時無法實現(xiàn)原料溯源，無法追究原料供應(yīng)商的責(zé)任[3]，加工企業(yè)要承擔(dān)較大的生產(chǎn)風(fēng)險。因此許多木材加工企業(yè)希望能實現(xiàn)原料的標(biāo)識和追蹤，在發(fā)生質(zhì)量問題時能夠快速逆向溯源追責(zé)，找到問題環(huán)節(jié)時又能快速正向追蹤同批次的問題產(chǎn)品流向，實現(xiàn)封存和召回，減少質(zhì)量事故給企業(yè)帶來的損失。另外，隨著澳大利亞于2014年11月執(zhí)行“澳大利亞禁止非法木材法案”，至此，美國市場、歐洲市場及澳大利亞市場均要求中國的木材加工企業(yè)提供原料合法性證明材料。在此嚴(yán)峻的國際市場背景下，中國木材加工企業(yè)對原料粗放管理的傳統(tǒng)方式已不能滿足需求，需要對供應(yīng)鏈實現(xiàn)精細(xì)化管理[4]。

1 木材原料供應(yīng)鏈流程分析

基層調(diào)研可知，林區(qū)木材加工企業(yè)的原材料通常來自于鄰近山區(qū)，狹義的木材供應(yīng)鏈特指木材原料的供應(yīng)和木制品加工，流程為“林木所有者→植物檢疫→采伐→一道運(yùn)輸者→貯木場（倉庫）→二道運(yùn)輸者→加工企業(yè)”。廣義的木材供應(yīng)鏈概念對下游進(jìn)行了擴(kuò)展，還包括木制品的流通和銷售，或被稱為木制品供應(yīng)鏈[5]。

木材供應(yīng)鏈精細(xì)化管理重點體現(xiàn)在4點：（1）原料是否通過了檢疫，材種是否真實，尺寸規(guī)格是否達(dá)標(biāo)，這將影響木制品質(zhì)量；（2）原料來源林班的采伐證號是否有效，有無超越采伐限額，這涉及到了原料來源合法性的問題，非法原料生產(chǎn)的成品也同樣被視為非法，無法進(jìn)入美、歐、澳市場，將對企業(yè)出口貿(mào)易帶來影響；（3）不同產(chǎn)地的原料特性會影響質(zhì)量，不同的生產(chǎn)工藝也會影響質(zhì)量，所以要根據(jù)原料特性調(diào)整工藝，實現(xiàn)木制品品質(zhì)管控；（4）企業(yè)關(guān)心木制品的流向、流量，以了解用戶的需求，及時改良產(chǎn)品設(shè)計。所以企業(yè)對木材供應(yīng)鏈管理目標(biāo)為“正向可追蹤，逆向可追溯”[6]。

不可忽視的是，為了保護(hù)森林資源，實現(xiàn)林業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長，林區(qū)政府也有對木材供應(yīng)鏈的監(jiān)管責(zé)任[7]。林區(qū)政府對不同階段的運(yùn)輸行為的監(jiān)管側(cè)重點不同，從采伐地向外運(yùn)輸稱為一道運(yùn)輸，運(yùn)輸者持有一道碼單，一道碼單運(yùn)輸總量必須小于該林班的采伐限額，否則存在有盜砍濫伐的可能性，所以林區(qū)政府對一道運(yùn)輸監(jiān)管較為嚴(yán)格。從貯木場或企業(yè)向外運(yùn)輸稱為二道運(yùn)輸，運(yùn)輸者持有二道碼單，政府對二道運(yùn)輸監(jiān)管的側(cè)重點在于檢查貯木場或企業(yè)出入庫是否平衡，其目的是在供應(yīng)鏈中清除非法采伐的木材，檢查方法見式（1）。

式（1）中：Vb為貯木場(企業(yè))期初原料庫存材積；m為期間原料入庫的總車輛數(shù)；Vi為原料入庫時一部車輛的原料材積；Ve為期末原料庫存材積；n為期間出庫時的總車輛數(shù)；Vj為木制品出庫時一部車輛木制品折材積。

林區(qū)政府對木材供應(yīng)鏈的監(jiān)管目標(biāo)簡單概括為：“伐區(qū)的一道運(yùn)輸量必須小于采伐限額，企業(yè)的二道運(yùn)輸量必須小于合法采購的原料量?！?/p>

2 手持機(jī)設(shè)計

為了實現(xiàn)企業(yè)和政府的管理目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)選擇一種適宜木材供應(yīng)鏈追蹤的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[8]，對物流領(lǐng)域常見的追蹤技術(shù)對比，選用Atmel公司AT24C16芯片的IC卡作為木材供應(yīng)鏈追蹤卡。采用手持機(jī)將供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的核心信息、GPS時間、GPS定位信息寫入IC卡，達(dá)到精細(xì)化管理的目的[9]。

2.1 MCU核心電路設(shè)計

選擇AT89C2051作為手持機(jī)MCU (Micro Controller Unit)，采用AT89C2051的二次開發(fā)板，該開發(fā)板應(yīng)用2片74HC138譯碼電路對MCU的IO口進(jìn)行了擴(kuò)展，支持了8×8矩陣英文鍵盤和ACM-1602LCD顯示屏，因此無須進(jìn)行鍵盤和顯示電路的設(shè)計。參考廠商說明書，設(shè)計MCU核心電路（圖1）。采用3 V低壓，即兩顆五號電池串聯(lián)即可供電，方便攜帶，達(dá)到在野外長時間工作的目的。圖1電路中RXD、TXD為串口通訊，用于連接GPS模塊。ICPWA為IC卡電源開關(guān)，實現(xiàn)對IC卡的供電。SCL為IC卡芯片提供時鐘，SDA實現(xiàn)和IC卡芯片的數(shù)據(jù)通訊。

圖1 手持機(jī)MCU核心電路Fig.1 The MCU core circuit of the handheld device

2.2 GPS模塊接口設(shè)計

GPS模塊選擇GARMIN 35-HVS，使用串口和MCU連接，串口通訊波特率為4 800 bps。支持NMEA-0183 格式輸出，該格式為ASCII碼字符串，易于MCU加工處理。該GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)流中最重要的為“$GPRMC”數(shù)據(jù)幀，包含了時間、經(jīng)緯度信息，格式如下：

$GPRMC,051236.265,A,2604.9102,N,11913.8326,E,02.31,180.13,120915,5.6,W,*5C＜CR＞＜LF＞

“$GPRMC,”為引導(dǎo)幀頭，MCU捕獲到該標(biāo)識，則判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)幀為定位信息，其它標(biāo)識的數(shù)據(jù)幀則自動忽略?！?51236.265,”為UTC時間，格式為“時時分分秒秒.秒小數(shù)”，換算為北京時間見公式（2），該數(shù)據(jù)項表明北京時間13點12分36.265秒；“A,”位置的字符表示定位狀態(tài)，A定位成功，V定位失??；“2604.9102,N,”為緯度信息，N表示北緯，S表示南緯，該數(shù)據(jù)表示北緯 26°04.9102′；“11913.8326,E,”為經(jīng)度信息，E表示東經(jīng)，S表示西經(jīng)，該數(shù)據(jù)表示東經(jīng)119°13.8326′；“02.31,”為運(yùn)動速度，單位為“節(jié)”，1節(jié)(knot)=1.852 km/h，該值在低速時不準(zhǔn)確，可能是GPS信號飄移，所以數(shù)值較低時不采信；“180.13,”為運(yùn)動方向角，在速度過低時不采信；“120915,”為UTC日期，格式為“日日月月年年”，即該數(shù)據(jù)表明當(dāng)前日期為15年09月12日；“5.6,W,”為磁偏角，W為向西，E為向東；“*5C”為校驗碼，用于自檢數(shù)據(jù)幀是否傳遞正確?！埃糃R＞＜LF＞”為不可見字符，表示回車、換行，收到這個標(biāo)識，說明“$GPRMC,”幀結(jié)束。

tb：北京時間；tu：UTC時間。

MCU對“$GPRMC,”幀頭的識別方法是逐個從串口中斷中采樣單個字符，存入變量“C_lszf”，依次比對單個字符是否“$”、“G”、“P”、“R”、“M”、“C”、“,”，全部比對正確，則判斷當(dāng)前幀為定位信息。代碼如下：

為了準(zhǔn)確地記錄寫卡時間，還需要將UTC時間變換為北京時間，變換代碼設(shè)計如下：

程序從“$GPRMC,”數(shù)據(jù)幀獲得了日期、時間、經(jīng)度、緯度4個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將做為寫卡操作細(xì)節(jié)附在每個節(jié)點日志的尾部。

2.3 存儲卡接口設(shè)計

AT24C16芯片的IC卡特性如下：（1）售價便宜，百張批發(fā)價僅1.2元/張；（2）支持1.8 V的低壓，能夠在戶外工作時節(jié)省電力；（3）擁有2 048×8（16 kBit）的大容量存儲空間，能存儲2 k字符的供應(yīng)鏈日志；（4）支持頁面寫入，具有較高的寫卡效率，節(jié)省操作時間；（5）支持百萬次寫入，卡內(nèi)數(shù)據(jù)能獨(dú)立保存100 a，能夠在溫度范圍（-25～70 ℃）工作，抗污損能力強(qiáng)，適宜野外環(huán)境。

因此AT24C16非常適宜存儲木材供應(yīng)鏈日志，其最大缺點是自身無邏輯加密功能，結(jié)構(gòu)單一，無分區(qū)，僅能采用明文存儲數(shù)據(jù)，需要額外開發(fā)加密技術(shù)。參考廠商說明書，設(shè)計接口電路見圖2。

AT24C16可進(jìn)行16 byte的頁面寫入方式，效率高于第1代產(chǎn)品AT24C01，MCU寫完一個數(shù)據(jù)字節(jié)，無需按SCL時鐘信號發(fā)出停止?fàn)顟B(tài)，可再傳送15個數(shù)據(jù)字節(jié)。AT24C16每確認(rèn)收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，通過SDA回送一個ACK（確認(rèn)應(yīng)答信號）。MCU寫完16 byte后，發(fā)出“停止”訊號終止操作。頁面寫入時序圖見圖3。

圖2 IC卡接口電路Fig.2 The IC card interface circuit

圖3 頁面寫入時序圖Fig.3 The timing diagram for writing

3 基于MD5加密改良算法

在程序員論壇可以獲得開源的51單片機(jī)的“MD5”C語言代碼。MD5（Message Digest algorithm 5，消息摘要算法第5版），該算法可用于保護(hù)字符串信息。如果從原字符串計算獲得了MD5的HASH（哈希值），字符串被篡改后，MD5計算值將會改變。所以可以判斷原文是否被改動，所以本研究以MD5算法為基礎(chǔ)設(shè)計了加密改良算法。

3.1 檢尺員手持機(jī)操作

檢尺員在手持機(jī)鍵盤錄入的格式為“運(yùn)輸碼單號#木材采伐證號#材積根數(shù)#車號”。英文鍵盤無法錄入中文，所以按傳統(tǒng)習(xí)慣定義樹種和材種的代號如下：“杉木”-“S”，“馬尾松木”-“M”，“雜木”-“Z”?！霸尽?“Y”，“非規(guī)格材”-“F”，“小徑材”-“X”，“根數(shù)”-“G”。例如，材積根數(shù)“SY13.36G42MF7.15G26”表示為“杉原木13.36m3根數(shù)42，松非規(guī)格材7.15 m3根數(shù)26”。車號中的漢字用字母代替，如“閩”-“M”、“浙”-“Z”、……。車號中夾雜的字母按原字母錄入。

例如，檢尺員錄入運(yùn)輸碼單的核心信息如下：“9273628#61981#SY13.36G42MF7.15G26#MG32639#350002”。MCU提取了GPS的日期、時間、位置信息后，自動在檢尺員手工錄入字符串尾部加上“#手持機(jī)編號#檢尺日期#檢尺時間#經(jīng)度#緯度#密碼字串#”。手持機(jī)編號和檢尺員存在匹配關(guān)系，可用于對檢尺失職追責(zé)，拼接后字符串為：

MD5計算該字符串HASH（哈希值）為：

為了避免被外人試出最后數(shù)據(jù)項是“MD5”值，需要繼續(xù)變換，例如再做一次MD5計算，獲得了“F584E31D2D247DAE80E67009B0AB0B18”。也可以把手持機(jī)編號作為密鑰，MD5值和密鑰作異或運(yùn)算，變換方法必須保密，定期更換，以達(dá)到良好的加密效果，彌補(bǔ)AT24C系列芯片的先天不足。

在該案例中，檢尺員手持機(jī)最后寫入內(nèi)容為：

3.2 檢查站手持機(jī)操作

追蹤卡隨碼單同行，當(dāng)車輛途經(jīng)木材運(yùn)輸檢查站，停車接受復(fù)核，復(fù)核人員持手持機(jī)閱讀IC卡原有信息后，可判斷紙質(zhì)碼單的真?zhèn)?，?fù)核結(jié)束后，按如下格式，“復(fù)核結(jié)論#復(fù)核材積”，在鍵盤上輸入復(fù)核結(jié)論。例如“FH1#SY13.37G42MF7.12G26”，其中“FH1”表示復(fù)核通過，該車輛可以繼續(xù)前行；“FH0”表示復(fù)核不通過，該車輛必須返回重新檢尺或接受罰款處理。手持機(jī)在復(fù)核人員錄入信息的尾部自動附加“#手持機(jī)編號#復(fù)核日期#復(fù)核時間#經(jīng)度#緯度#密碼字串#”。在該案例中，手持機(jī)在IC卡尾部實際寫入的內(nèi)容為：

3.3 執(zhí)法員手持機(jī)操作

當(dāng)車輛在運(yùn)輸途中遇到林業(yè)執(zhí)法巡邏車，接受執(zhí)法檢查，執(zhí)法員持手持機(jī)閱讀IC卡原有信息后，檢查運(yùn)輸行為是否合法，然后按如下格式寫卡，“執(zhí)法結(jié)論#執(zhí)法檢查材積”，例如“ZF1#SY13.35G42MF7.19G26”， 其 中“ZF1”表示執(zhí)法檢查通過，該車輛可以繼續(xù)前行；“ZF0”表示執(zhí)法檢查不通過，該碼單作廢，木材必須被暫扣。手持機(jī)在錄入信息的尾部自動附加“#手持機(jī)編號#執(zhí)法檢查日期#執(zhí)法檢查時間#經(jīng)度#緯度#密碼字串#”。在該案例中，手持機(jī)在IC卡尾部實際寫入的內(nèi)容為：

3.4 其它環(huán)節(jié)的操作

供應(yīng)鏈其它環(huán)節(jié)也可在IC卡尾部續(xù)寫供應(yīng)鏈日志。在以上案例中，檢尺、復(fù)核、執(zhí)法三個環(huán)節(jié)使用了349 Byte。而AT24C16可以存儲2 kb的內(nèi)容，因此可以存儲多個環(huán)節(jié)的日志。

“追蹤IC卡”到達(dá)木材加工企業(yè)，實現(xiàn)了對木材原料的身份標(biāo)識。在加工過程中，木材加工企業(yè)用手持機(jī)或計算機(jī)讀卡器掃描IC卡內(nèi)容，存入數(shù)據(jù)庫，按批次記錄原料來源，通過IC卡上的采伐證號還可以進(jìn)階查詢到林權(quán)號、林班號、檢疫號，實現(xiàn)原料質(zhì)量和來源合法性的溯源。

木材加工企業(yè)定期將購買合法原料獲得的IC卡批量上交給當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局，林業(yè)局掃描IC卡記錄的各材種的材積，按公式2累加為企業(yè)庫存，抵扣木制成品的折材積，為理論合法庫存。當(dāng)理論合法庫存遠(yuǎn)小于企業(yè)實際盤點庫存，企業(yè)就有可能在原料中混入了非法木材。

至此“追蹤IC卡”生命周期結(jié)束，IC卡存放1年后，可以清空內(nèi)存，重新進(jìn)入木材供應(yīng)鏈，循環(huán)使用。

4 系統(tǒng)運(yùn)行評價

手持機(jī)應(yīng)用的場景見圖4。覆蓋了木材供應(yīng)鏈的全程[10]。

圖4 手持機(jī)應(yīng)用場景Fig.4 Scenarios of the handheld device application

林區(qū)政府賦予檢尺員在供應(yīng)鏈源頭監(jiān)管木材來源合法性的權(quán)力[11-12]。然而在基層調(diào)研時，發(fā)現(xiàn)某些檢尺員并未進(jìn)入深山中現(xiàn)場檢尺，而是收取紅包后，按業(yè)主要求的數(shù)據(jù)預(yù)先填單，再由業(yè)主攜單進(jìn)入伐區(qū)安排運(yùn)輸任務(wù)，這樣就容易出現(xiàn)低開多運(yùn)的違法行為，也很容易把盜砍濫伐的木材“洗白”。林區(qū)政府還賦予檢查站復(fù)核和林業(yè)執(zhí)法員執(zhí)法檢查的權(quán)力。在實際生產(chǎn)中，也出現(xiàn)了個別權(quán)力尋租的腐敗現(xiàn)象。所以監(jiān)督檢尺員、復(fù)核員、執(zhí)法員是否盡責(zé)，一直是林區(qū)防腐倡廉的重要內(nèi)容[13-14]。采用了本設(shè)計的監(jiān)管機(jī)制后，因為手持機(jī)向IC卡中存儲了檢尺、復(fù)核、執(zhí)法的手持機(jī)編號、GPS時間、GPS位置信息，所以對一線林業(yè)干部起到了監(jiān)督作用。

目前木材碼單有效運(yùn)輸范圍僅在縣內(nèi)，出縣運(yùn)輸前要更換為全國通用木材運(yùn)輸證[15]。傳統(tǒng)辦證員需要錄入碼單信息，操作慢。采用本設(shè)計后，因為碼單核心信息都已存儲IC卡中。所以讀卡即可出運(yùn)輸證。減少了木材物流的停滯時間，提高了生產(chǎn)效率。

企業(yè)在加工時掃描原料IC卡后，也能了解木材來源、采伐日期、存儲時間。根據(jù)原料特點，調(diào)整工藝，保證成品品質(zhì)。IC卡上交給林業(yè)局后，也能增加企業(yè)的合法庫存，便于政府對企業(yè)的生產(chǎn)行為實現(xiàn)監(jiān)管。

目前木材供應(yīng)鏈中的違法行為主要是利用了紙質(zhì)碼單容易偽造和篡改實現(xiàn)的[16]，違法者通常采用修改紙質(zhì)碼單運(yùn)輸日期、運(yùn)輸材積、運(yùn)輸車號的方法，來應(yīng)對路上的檢查，到達(dá)目的地時再改回原數(shù)據(jù)。采用本系統(tǒng)后，所有針對紙質(zhì)碼單的違法方法都將失效。在本設(shè)計中，每段日志的末尾都付有以MD5為基礎(chǔ)的兩道加密的密碼字串，其特點是只要改了任何一個運(yùn)輸數(shù)值，就無法匹配原來的密碼字串。因此違法者僅修改明文部分，而不知校驗用密碼字串的算法，即使篡改了IC卡的運(yùn)輸數(shù)據(jù)也無法生效。不同的日期、時間、位置、手持機(jī)編號生的MD5值不同，基于MD5 值的再加密的密碼字串也不同，因此違法者也無法盜用其它IC卡的“執(zhí)法檢查通過”的結(jié)論。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計了一種適用于木材供應(yīng)鏈的手持機(jī)，主要工作于“木材檢尺”、“木材運(yùn)輸”、“檢查站定點檢查”、“巡邏執(zhí)法檢查”、“換運(yùn)輸證”、“貯木場管理”、“企業(yè)加工管理”等場景中，可加強(qiáng)木材供應(yīng)鏈的管理。在福建省三明市將樂縣試用，達(dá)到如下效益：

（1）加強(qiáng)政府對木材供應(yīng)鏈的監(jiān)管：記錄了林業(yè)干部監(jiān)管行為的時間、位置，起到監(jiān)督作用，防止權(quán)力尋租。便于統(tǒng)計木材伐量、流向和流量。

（2）幫助企業(yè)對木材原料的追溯：便于企業(yè)了解原料來源和合法性，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制，有助于木制品順利進(jìn)入歐美市場。

（3）提高對林業(yè)物流服務(wù)質(zhì)量：通過對碼單信息的數(shù)字化和存儲，提高了運(yùn)輸檢查、換證的效率。

（4）具有較好的仿偽性：采用了基于MD5的二級加密方法，篡改和偽造追蹤IC卡的難度大。

該設(shè)計完成了從林地至木制品的管理，在時機(jī)成熟的時候可向下游延伸，即涵蓋木制品的加工環(huán)節(jié)和木制品流通環(huán)節(jié)。

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