劉偉+張永輝+牛祺君+楊文迪

摘要：設計并實現(xiàn)了一種基于近場通信（near field communication，NFC）技術的熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合智能移動終端NFC技術和移動通信技術，結合MySQL數(shù)據(jù)庫，使用Google Android和Windows跨平臺開發(fā)。分析了系統(tǒng)架構和功能模塊具體設計，闡述了系統(tǒng)基于新型NFC技術的實現(xiàn)方法，通過試驗測試驗證了系統(tǒng)的可行性。

關鍵詞：近場通信；可追溯；熱帶農產(chǎn)品；Android；MySQL數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： S126；TP391文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0225-06

海南省作為國內熱帶農作物的核心產(chǎn)區(qū)，一直以盛產(chǎn)各類風味獨特、品質優(yōu)良的熱帶農產(chǎn)品而聞名全國。但近年來由于各類食品安全問題的頻繁發(fā)生，導致廣大消費者對其信任度不斷降低，嚴重地削弱了用戶的購買意愿，阻礙了海南熱帶農產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷革新與應用，急需通過先進的物聯(lián)網(wǎng)技術來建立一套安全可靠、使用便利的熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，以提高熱帶農產(chǎn)品來源信息的可信度和透明度，為海南熱帶農產(chǎn)品的產(chǎn)銷和推廣提供堅實的技術保障。

本研究開發(fā)一種基于NFC技術的熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的條形碼或者二維碼可追溯系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)不需要配備專用的讀寫設備就能完成對產(chǎn)品溯源信息的在線查詢[1-6]。消費者只需有1部內置NFC功能的智能手機，就能夠通過手機直接查詢產(chǎn)品信息，極大地方便了用戶的使用，從而使得該系統(tǒng)能真正被廣大用戶所接受。通過對可追溯信息的第三方保存以及訪問權限設置，保證可追溯信息的可靠性、真實性和公正性，為熱帶農產(chǎn)品的質量和安全問題提供一種高效便捷的解決方案[7]。

1系統(tǒng)概述

NFC熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)綜合了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、在線查詢、實時上傳、倉儲管理等多種功能。使用跨平臺技術開發(fā)，其中手機終端APP采用Google Android平臺開發(fā)，PC端應用基于Windows系統(tǒng)開發(fā)。融合GPRS、CDMA、3G和4G等移動通信技術，使用MySQL進行后臺數(shù)據(jù)庫管理[8]。其中，NFC手機終端APP所針對的群體是廣大消費者和農產(chǎn)品經(jīng)銷商，主要用來讀取NFC電子標簽中所記錄的產(chǎn)品信息，實現(xiàn)信息的非接觸式移動采集功能。PC端應用軟件所針對的群體是農場主，主要用來將農產(chǎn)品的標識信息寫入NFC電子標簽中，同時將其余的產(chǎn)品信息通過網(wǎng)絡通信技術實時上傳到后端數(shù)據(jù)庫中，再由后臺管理系統(tǒng)對收集到的產(chǎn)品信息進行實時的管理。

1.1技術原理

NFC是一種標準的短距離無線連接技術，它基于RFID技術，利用磁場感應實現(xiàn)近距離電子設備之間的通信[9]。它的通信距離一般在10 cm左右，工作頻段為13.56 MHz。目前支持3種不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，分別為106、212、424 kbit/s，能夠為用于安全數(shù)據(jù)傳輸驗證的識別協(xié)議提供一種無縫媒體[10]。因此用戶只需通過觸摸，或將裝置靠近，就能實現(xiàn)直觀、安全、非接觸式的交易，訪問數(shù)字內容，連接電子裝置[11]。對于使用NFC進行通信的2個裝置來說，必須有1個具備NFC讀寫器，另1個具備NFC標簽。標簽從根本上來說是一個集成電路，它載有數(shù)據(jù)，連接天線，通過讀寫器進行讀寫[12]。此外，NFC協(xié)議還提供了主動和被動2種通信模式。 在主動模式中， 2個裝置產(chǎn)生各自的無線電場進行數(shù)據(jù)傳輸。在被動模式中，只有1個裝置產(chǎn)生無線電場，而另1個使用加載調制進行數(shù)據(jù)傳輸。NFC協(xié)議規(guī)定，在后一種情況下，必須由啟動裝置產(chǎn)生無線電場[13]。NFC2種通信模式的原理圖分別如圖1和圖2所示。

1.2系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由NFC智能移動終端APP、NFC電子標簽、Windows桌面客戶終端及后臺管理系統(tǒng)4個部分組成。其中，智能移動終端APP包括消費者端APP和經(jīng)銷商端APP，消費者端APP主要用來實現(xiàn)對標簽信息的直接讀取，而經(jīng)銷商端APP則在此基礎上增加了倉儲管理的功能。Windows桌面客戶終端主要用來實現(xiàn)在初始標簽中寫入產(chǎn)品信息，同時完成對寫入信息的實時上傳（圖3）。

1.3技術優(yōu)勢

使用NFC電子標簽技術與傳統(tǒng)的條形碼技術相比，具有諸多優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）讀取速度快。當使用的是條形碼時，掃描器需要對條碼逐一掃描，掃描速度慢，大批量處理時會很耗時；而NFC讀寫器讀寫速度快，可以一次性讀取數(shù)10個標簽中的產(chǎn)品信息。2種技術的處理速度如表1所示。（2）安全性有保障。NFC電子標簽是由天線和芯片組成的，數(shù)據(jù)采用電子方式進行存儲，支持多種電子加密方式。而傳統(tǒng)的條形碼基本是明碼標識，一般沒有加密過程，安全性較差。（3）信號穿透性強，能實現(xiàn)無屏障讀取。由于NFC技術是通過電磁感應的方式來實現(xiàn)和電子標簽之間的數(shù)據(jù)通信和信息交互，因此只要讀寫設備和電子標簽在一定的距離范圍內，設備就能夠快速地讀取標簽中的信息。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)框架

首先，考慮到熱帶農產(chǎn)品的生產(chǎn)者（農場主）需要完成大批量的標簽信息寫入操作，使用手機APP會帶來諸多不便。因此，需要為農業(yè)生產(chǎn)者編寫PC端應用程序，使用PC端應用軟件和讀卡器將產(chǎn)品的標識信息寫入標簽中，同時將寫入的信息上傳至后臺管理系統(tǒng)。由農場主記錄的產(chǎn)品信息隨著供應鏈條傳送給下游的經(jīng)銷商，經(jīng)銷商則在此基礎上使用手機端APP來完成所需的倉儲管理功能。對于供應鏈條的末端群體（消費者）來說，他們只需要使用手機直接掃描NFC標簽，通過移動通信技術將掃描到的標識信息與后端MySQL中存儲的標識信息進行比對，待比對通過，就能在手機屏幕上看到該產(chǎn)品的溯源信息（圖4）。

2.2NFC電子標簽的選擇

NFC電子標簽用于NFC通信中小數(shù)據(jù)的交互，其中，可以存儲如URL、手機號碼或其他文本信息，NFC定義了4種不同的Tag類型，分別為Type1、Type2、Type3、Type4，表2為NFC論壇定義的4種Tag類型的比較情況。endprint

從性價比的角度考慮，系統(tǒng)選用的電子標簽是Type1類型的，它是基于ISO-14443A標準。該類型的電子標簽是可讀可寫標簽，也可以配置成只讀模式，具有96 byte內存，可擴展到2 kB，傳輸速率可達106 kbit/s，支持數(shù)字簽名，大大提高了數(shù)據(jù)存取的安全性。鑒于標簽存儲容量有限， 系統(tǒng)在標簽中僅僅寫入產(chǎn)品編碼、數(shù)字簽名這樣的標識信息和防偽驗證信息，將農產(chǎn)品的其余信息全部存儲于后端MySQL數(shù)據(jù)庫

2.3系統(tǒng)功能模塊設計

2.3.1農場主信息寫入模塊該模塊的設計服務對象是農場主，農場主利用PC端應用軟件和讀卡器完成對產(chǎn)品信息的寫入操作。由于NFC電子標簽的內存較小，故只將產(chǎn)品的標識信息寫入標簽中保存。標識信息是每件農產(chǎn)品唯一的標識符：產(chǎn)品編碼。同時，將農產(chǎn)品的其他相關信息上傳至后端數(shù)據(jù)庫中保存，例如產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、保質期、施藥記錄、產(chǎn)品質量等信息。這樣就能保證每個標簽中記錄的唯一產(chǎn)品標識都在后端數(shù)據(jù)庫中有唯一的1條記錄與之對應，通過匹配產(chǎn)品標識，便能查詢與之對應的產(chǎn)品信息。本系統(tǒng)采用的產(chǎn)品編碼是EPC-96編碼，各字段的含義如表3所示。

其中，版本號即標志EPC的版本和結構；域名管理碼描述與此EPC相關的農產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的信息，也叫廠商識別碼，用來區(qū)分農場品的生產(chǎn)商（農場主），例如“海南春光果蔬有限公司”，針對每個農場主，域名管理碼是唯一的[14]。對象分類碼可區(qū)別農產(chǎn)品的種類，用來區(qū)分同一農場下的不同農產(chǎn)品種類，例如“有機蔬菜-小青菜100 g”，它也是唯一的。序列號用來區(qū)分具體的農產(chǎn)品批次，是唯一標識農產(chǎn)品貨運批次。

2.3.2消費者信息查詢模塊該模塊的設計服務對象是廣大消費者，消費者利用手機端APP來實現(xiàn)對標簽信息的查詢操作。此模塊的實現(xiàn)分為2個過程，首先要檢測手機內置的NFC功能是否成功開啟，然后再對農產(chǎn)品信息進行可追溯查詢。具體來說，當熱帶農產(chǎn)品可追溯應用APP啟動后，首先要檢測手機內置的NFC功能是否已經(jīng)開啟，如果沒有開啟就提醒消費者開啟同時跳轉到設置NFC功能的管理界面。然后，手機掃描帶有產(chǎn)品標識信息的NFC電子標簽，通過移動通信技術將解析后的標簽信息送至后端數(shù)據(jù)庫中進行比對，待比對通過后，再將該標簽標識信息所對應的產(chǎn)品信息顯示于手機終端屏幕上。此模塊對應的時序圖如圖5所示。

2.3.3經(jīng)銷商信息錄入模塊該模塊的設計服務對象是農產(chǎn)品經(jīng)銷商，經(jīng)銷商使用手機端APP來實現(xiàn)對標簽信息的讀取以及倉儲管理信息的錄入。經(jīng)銷商讀取標簽信息的過程與消費者信息查詢模塊的流程基本相同。此外，經(jīng)銷商還要使用手機端APP掃描產(chǎn)品標簽，將一些倉儲管理信息通過移動通信技術送至后端數(shù)據(jù)庫中保存，包括倉庫名稱、倉庫編號、溫濕度、庫存量等信息。

3系統(tǒng)實現(xiàn)方法

3.1讀寫標簽數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

Android NFC支持前臺調度系統(tǒng)和標簽調度系統(tǒng)。其中，標簽調度系統(tǒng)是一種通過預先定義好的Tag或NDEF消息來啟動應用程序的機制，當掃描一個NFC Tag時，如果Intent中注冊了對應的應用程序，那么在處理該Tag消息時就會啟動該應用。當存在多個可以處理該Tag信息的應用時，系統(tǒng)會彈出一個Activity Choose，供用戶選擇開啟哪個應用（圖6）。

當NFC應用程序發(fā)現(xiàn)一個NFC Tag時，它就會啟動AndroidManifest.xml中定義好的對應的Activity，用戶可以在Activity中執(zhí)行需要的操作。如圖6中所示，用戶可以定義ACTION_NDEF_DISCOVERED、ACTION_TAG_DISCOVERED和ACTION_TECH_DISCOVERED 3種不同的Intent調度類型。以ACTION_NDEF_DISCOVERED為例對讀操作進行說明。一般的讀操作主要包含3大部分，步驟及代碼框架如下：

if （ NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED.equals（ getIntent（ ）.getAction（ ） ） ）

{

// 1定義Tag對象

Tag detectedTag=getIntent（ ）.getParcelableExtra（NfcAdapter.EXTRA_TAG）；

// 2獲取NDEF消息

// your code in here...

// 3NDEF消息解析

// your code in here...

// 4最終真實數(shù)據(jù)展示和進一步操作

// your code in here...

}

以ACTION_NDEF_DISCOVERED為例對寫操作如下：

if（ NfcAdapter.ACTION_NDEF_DISCOVERED.equals（ getIntent（ ）.getAction（ ） ） ）

{

//Log Print

// 1定義Tag對象

Tag detectedTag=getIntent（ ）.getParcelableExtra（NfcAdapter.EXTRA_TAG）；

// 2準備NDEF數(shù)據(jù)（注意將數(shù)據(jù)轉換為NDEF標注格式）

// your code in here...

// 3將NDEF數(shù)據(jù)寫入Tag

// your code in here...

} else

if（NfcAdapter.ACTION_TECH_DISCOVERED.equals（ getIntent（ ）.getAction（ ） ） ）endprint

{

//Log Print

}else

if （ NfcAdapter.ACTION_Tag_DISCOVERED.equals（ getIntent（ ）.getAction（ ） ） ）

{

//Log Print

}

3.2數(shù)據(jù)遠程訪問的實現(xiàn)

在Android應用開發(fā)中，使用C/S軟件系統(tǒng)體系結構，通過手機客戶端APP訪問服務器數(shù)據(jù)庫是很常見一種方法。為了實現(xiàn)手機客戶端APP與后端MySQl數(shù)據(jù)庫的遠程連接和通信，這里通過JDBC（Java DataBase Connectivity）技術在手機客戶端和服務器數(shù)據(jù)庫之間建立起良好的交互平臺。同時選擇JSON（JavaScript Object Notation）作為數(shù)據(jù)交互的方法。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式[15]，它是基于ECMAScript的一個子集。Android端訪問遠程服務器前端的JavaScript，JavaScript執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)庫操作，操作完成后再把結果經(jīng)過JSON編碼返回給Android端，最后由Android端解析出結果[8]。

3.3數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)設計中的關鍵部分，是熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)能否順利完成的關鍵所在。數(shù)據(jù)庫功能的實現(xiàn)情況，將會直接影響到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)程度以及系統(tǒng)在運行時的效率。由于該系統(tǒng)的服務對象是廣大消費者、經(jīng)銷商和農場主，且各類農產(chǎn)品的種類繁多，出產(chǎn)量大，產(chǎn)銷流程較為復雜，因此系統(tǒng)需要建立關系型數(shù)據(jù)庫來減少冗余，提高系統(tǒng)運行時的效率。根據(jù)需求分析，結合各功能模塊的具體設計，構造出該系統(tǒng)的基本E-R圖（圖7）。因篇幅有限，此E-R圖中各實體的屬性沒有全部標出，在后續(xù)的關系模型中會給出

具體的描述。

在此E-R圖的基礎上，轉換為相應的關系模型，主要有農場主（ID、用戶名、登陸密碼、手機號、郵箱、單位名稱、單位介紹）、農場（ID、農場主ID、農場名稱、農場編號、農場面積）、生產(chǎn)（農場ID、農產(chǎn)品ID、產(chǎn)量）、經(jīng)銷商（ID、賬號、密碼、手機號、郵箱、企業(yè)名稱、企業(yè)介紹）、倉庫（ID、經(jīng)銷商ID、倉庫名稱、倉庫編號、溫濕度）、庫存（倉庫ID、農產(chǎn)品ID、庫存量）、農產(chǎn)品（ID、農場ID、倉庫ID、名稱、產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、保質期、施藥記錄、存儲條件、產(chǎn)品質量）。因此，每個表都有自己的主鍵，各個表通過外鍵進行聯(lián)系，進而建立查詢視圖[16]，使得管理員查詢數(shù)據(jù)庫視圖便可追溯到相應的產(chǎn)品信息。按照確定出的關系模型，系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)表對應的數(shù)據(jù)字典如表4至表7所示。

消費者只要有1臺內置NFC功能的智能手機，通過手機端APP掃描NFC標簽，就能獲取該標簽所對應的產(chǎn)品信息，整個信息交互的過程對于消費者是全程透明的，操作簡單，成本低廉（圖9）。

經(jīng)銷商作為產(chǎn)品產(chǎn)銷過程中的中間商，經(jīng)銷商查詢產(chǎn)品信息的操作流程和消費者一樣，不僅要能夠查詢產(chǎn)品信息，還要將自身的倉儲管理信息錄入到后端數(shù)據(jù)庫中存儲（圖10）。

5結語

本研究分析了新型NFC技術的原理及其在可追溯系統(tǒng)中的重要應用，以海南熱帶農產(chǎn)品為服務對象，設計出了一套基于NFC技術的熱帶農產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)基于跨平臺技術的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了消費者在手機終端對農產(chǎn)品信息的實時追溯，操作簡單、成本低廉。該系統(tǒng)不僅為廣大消費者帶來了全新的信息化體驗，同時也提升了農產(chǎn)品供應鏈上的監(jiān)督力度，簡化了產(chǎn)品經(jīng)銷商的管理流程，為改善地區(qū)食品安全問題提供了一種高效便捷的新方法。雖然系統(tǒng)已經(jīng)基本上實現(xiàn)了對農產(chǎn)品信息的有效追溯，但仍有很多地方需要繼續(xù)加以完善和改進。后續(xù)的研究將致力于將傳統(tǒng)的條形碼技術與新型的NFC技術相結合，使2種技術共同運用于可追溯

系統(tǒng)的研究設計中，提升系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性，面向更加廣闊的市場。

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