魏雅

摘 ? 要：針對食品質(zhì)量安全問題，結合目前各地區(qū)溯源系統(tǒng)中存在的問題，以豬肉溯源為例，設計了豬肉溯源系統(tǒng)。系統(tǒng)從生豬的養(yǎng)殖、屠宰、加工、運輸，最終到零售，進行各環(huán)節(jié)設計，實現(xiàn)了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點設計研究了Web平臺，二進制樹搜索算法，數(shù)據(jù)庫等，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的全部功能。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溯源系統(tǒng);通信技術;二進制樹搜索算法

隨著人們生活水平的提高，對食品質(zhì)量安全的需求愈加凸顯，從國家到地方，都高度重視食品質(zhì)量安全監(jiān)管及追溯。豬肉作為人們舌尖上的一道美食，更應該保證其食用安全性。所以建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)的豬肉跟蹤與溯源系統(tǒng)，不但能讓消費者買得放心、吃得放心，還能加強企業(yè)的監(jiān)管力度，提高國民收入，保障國家安全穩(wěn)定。本系統(tǒng)在前人研究的基礎上稍作改進，在保障豬肉質(zhì)量和控制豬肉安全方面，具有現(xiàn)實意義。

1 ? ?系統(tǒng)功能設計

1.1 ?系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)按照典型的物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層、應用層3層模式設計。系統(tǒng)采用B/S架構，圍繞著數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)的構建。

（1）感知層：通過傳感器等智能終端，對豬個體、豬肉及物流的信息進行采集，同時，接收上層網(wǎng)絡發(fā)送來的控制信息，完成相應的執(zhí)行動作，還可以進行短距離無線通信。

（2）網(wǎng)絡層：由互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞。負責傳遞和處理感知層獲取的信息，使物體能進行遠距離、大范圍的通信。

（3）應用層：是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，用戶借助Web客戶端和手機端，完成對豬個體及豬肉信息的匯總、分析、查詢等功能。用戶可根據(jù)溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鑒定豬肉質(zhì)量，實現(xiàn)人機交互功能，為消費者提供放心服務。企業(yè)可以對不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析，來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖業(yè)和豬肉的供應情況，獲取最大利潤。

1.2 ?系統(tǒng)功能模塊設計

系統(tǒng)采用強大的物聯(lián)網(wǎng)技術、射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術、常用的二維碼技術以及具有跨平臺、不受操作系統(tǒng)和開發(fā)平臺制約的Java語言完成動態(tài)Web的開發(fā)[1]。詳細設計MySQL數(shù)據(jù)庫存儲采集到的信息以被溯源查詢，采用二進制樹搜索算法來提高RFID標簽識別效率。開發(fā)Android手機平臺客戶端、PC端，實現(xiàn)豬肉溯源系統(tǒng)的系統(tǒng)管理、信息維護、信息查詢模塊功能，完成對生豬養(yǎng)殖信息、屠宰加工信息、檢疫檢驗信息、物流倉儲信息、銷售信息的錄入與修改，實現(xiàn)信息查詢的功能。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2 ? ?系統(tǒng)關鍵技術

2.1 ?射頻識別技術

射頻識別技術是物聯(lián)網(wǎng)構建的關鍵技術，其系統(tǒng)由電子標簽、天線、讀寫器和數(shù)據(jù)處理部分構成。因其有識別迅速、形狀大小不受限制、操作性比較強、比較耐用、抗干擾能力較強、存儲信息量大、存儲信息可以隨意修改等優(yōu)點，被廣泛應用于智慧交通、智慧城市、智能圖書館、物流運輸、醫(yī)藥及食品生產(chǎn)等行業(yè)，且效果顯著。RFID在豬肉溯源系統(tǒng)中的應用如圖2所示。其中，實線箭頭表示追蹤過程，虛線箭頭表示追溯過程。

2.2 ?RFID防碰撞算法研究

2.2.1 ?防碰撞現(xiàn)象

在RFID系統(tǒng)應用中，碰撞分為標簽碰撞和讀寫器碰撞兩種。在發(fā)送信息和接收信息過程中，本來在特定時間，只能是一個標簽與對應閱讀器建立通信，但在系統(tǒng)中出現(xiàn)一個終端采集器對應很多個保存有豬個體和豬肉信息的RFID標簽，也就是出現(xiàn)了多個標簽對單一閱讀器信道進行競爭的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱之為標簽碰撞。另外，一個特定的標簽反射到讀寫器的信號很容易被另外讀寫器發(fā)出的信號干擾，特定的標簽接收到的信息為兩個讀寫器發(fā)射信號的矢量和，是一個未知信號，導致出現(xiàn)了多個讀寫器對一個標簽的干擾，這種現(xiàn)象被稱為讀寫器碰撞。

2.2.2 ?防碰撞算法的選擇

在RFID系統(tǒng)中，可以采用多址復用的方式解決由于讀寫器信道引起的碰撞問題。通過分析采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA），即對所有標簽，在某個時間內(nèi)建立唯一的閱讀器和標簽的通信關系，可以很好地解決標簽碰撞問題。標簽防碰撞算法有基于TDMA的ALOHA系列的算法和二進制防碰撞系列算法，兩種算法只需知道標簽的數(shù)量，就能很好地發(fā)揮其優(yōu)點。但相比之下二進制樹型搜索法更能快速、準確地識別對應的標簽[2]。二進制搜索算法的工作流程如圖3所示。

從圖3可以看出，當標簽數(shù)為n，標簽長度為L時，所有的標簽被讀取成功所需要的搜索次數(shù)：

吞吐率為： ?（2）

總的傳輸數(shù)據(jù)比特數(shù)為：

因在識別標簽時，讀寫器要多次發(fā)送請求碼給標簽，浪費時間、效率較低。

2.2.3 ?改進的二進制樹搜索算法

當標簽數(shù)量較多時，每次都要從頭搜索會出現(xiàn)多余數(shù)據(jù)并浪費時間。這時，只要發(fā)生標簽碰撞，就把碰撞的最高位設為0，高于該位的數(shù)不變，產(chǎn)生新的請求碼;再和新的請求碼進行比較，每次ID最小的標簽應答后，返回父節(jié)點的時候，讀寫器無需每次都要發(fā)送最大序列號請求碼。這樣，識別所有標簽需搜索次數(shù)t=2×n-1，識別一個標簽平均查詢次數(shù)v=（2×n-1）÷n，則吞吐率為s=n÷（2×n-1）。

經(jīng)驗證，當標簽數(shù)量較大時，改進后的算法效率更高。因系統(tǒng)中標簽數(shù)較多，所以系統(tǒng)使用改進后的二進制算法可以提高RFID的工作效率。

2.3 ?socket ?通信

本系統(tǒng)選擇了基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的socket通信協(xié)議，以保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的正確可靠性，確保實時的通信質(zhì)量。

3 ? ?系統(tǒng)關鍵功能實現(xiàn)

3.1 ?系統(tǒng)總體工程實現(xiàn)

系統(tǒng)在創(chuàng)建項目前，先設置好端口。選擇功能強大、操作簡單、運行速度快、占用資源少的Eclipse作為開發(fā)工具，應用Java語言完成對應程序的設計并運行，通過系統(tǒng)提供的溯源網(wǎng)址來實現(xiàn)系統(tǒng)的編輯，查詢等功能。

3.2 ?通信及服務器設置

本系統(tǒng)選擇了基于TCP/IP協(xié)議的socket通信協(xié)議，以保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的正確可靠性，確保實時的通信質(zhì)量。使用Web服務器，當客戶端發(fā)送請求網(wǎng)址給服務器端時，服務器就轉換、翻譯.JSP文件，再執(zhí)行.class文件。

3.3 ?數(shù)據(jù)庫管理實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫設計原則[3]和系統(tǒng)軟硬件的實際需求，本系統(tǒng)選用管理方便、操作簡單、運行速度高效、成本低的且可靠性高的MySQL數(shù)據(jù)庫。選用Navicat Lite 9.0作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理軟件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)執(zhí)行增、刪、改、查等操作，用它建立的數(shù)據(jù)庫能夠在任何網(wǎng)絡訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 ? ?結語

系統(tǒng)通過對硬件的選取和軟件平臺的搭建，使用物聯(lián)網(wǎng)技術、RFID技術、通信技術、數(shù)據(jù)庫技術，從豬仔的養(yǎng)殖到生豬的屠宰、分割、再經(jīng)流通，最終到零售超市進行銷售的環(huán)節(jié)設計，實現(xiàn)了豬肉全程追蹤和溯源功能。重點研究設計了Web平臺，二進制樹型搜索算法，數(shù)據(jù)庫設計等，最終實現(xiàn)了利用網(wǎng)頁端和手機端完成對系統(tǒng)的監(jiān)測。

[參考文獻]

[1]趙訓銘，劉建華.射頻識別技術在食品溯源中的應用研究進展[J].食品與機械，2019，35（2）：212-216.

[2]王佩瑋.無線射頻識別標簽防碰撞算法比較分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2017，7（4）：21-24.

[3]韓雨佟.基于B/S物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)[D].天津：天津大學，2014.