基于移动物联网终端的蚕桑安全追溯系统研究

茅海军，何明宇，陈一鸣

(1.浙江理工大学 信息学院，杭州 310018；2.丽水市电业局，浙江 丽水 323000)

基于移动物联网终端的蚕桑安全追溯系统研究

茅海军1，何明宇1，陈一鸣2

(1.浙江理工大学 信息学院，杭州 310018；2.丽水市电业局，浙江 丽水 323000)

提出一种结合物联网技术和Internet技术对蚕桑的种植生产进行有效监控和管理的方案。以用户层、业务层、数据层的三层体系构建了蚕桑安全追溯系统平台，研究设计了基于RFID技术的移动终端，开发了基于CF射频卡的接口以及运行在移动终端上的应用程序，实现了电子标签和移动终端的数据之间的读写，并利用Web Service技术实现了远程数据查询和网络数据推送，最终实现追溯系统和移动终端无缝对接。为蚕桑生产基地提供了生产安全的监控平台，为蚕农提供了详细的蚕桑履历查询，以确保蚕的存活率和蚕茧的质量。

物联网；移动终端；蚕桑；追溯系统

中国古人极为重视桑蚕业，《管子·山权数》中说：“民之通于蚕桑，使蚕不病者，皆置之黄金一斤，直食八石。”此话足以证明当时的统治者对桑蚕生产及蚕病防治的重视[1]。近年来，随着农田害虫的猖獗，农田用药日益加重，致使土壤、水体、大气整个生态环境受到严重污染，对蚕桑生产安全构成了严重威胁，蚕中毒事故频发，严重挫伤了蚕农发展蚕桑生产的信心[2]。浙江是蚕茧主产区，蚕桑安全直接影响着丝绸业的发展。因此，加大蚕桑重大病虫防控与安全生产技术研发，解决桑蚕重大病虫害严重，有害物质污染、中毒多发，以及蚕药、桑树用农药研发等问题，是浙江省“十二五”期间桑蚕发展的指导思想与主要目标之一[3]。建设优质高产的桑蚕茧生产基地，提升蚕茧质量，对推进茧丝绸业持续健康发展具有重要意义。

1 物联网与RFID技术

物联网是在互联网概念的基础上，将其用户端延伸和扩展到物与物之间进行信息交换和通信的一种网络。其中RFID(Radio Frequency Identi fi cation，射频识别)，是能让物品说话的一种技术，它能标识出物品的信息。在物联网中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们采集到处理系统，实现对物品信息的分析和处理，并且能通过开放性的计算机网络实现信息的交换和共享[4]。

随着物联网逐渐成为研究的热点，其技术也被广泛应用到农业生产的各环节，如个体识别，生产监测，供应链追溯等。笔者在借鉴国内外研究成果的基础上，根据典型的蚕桑基地种植生产流程特点，构建了蚕桑安全追溯系统，设计了基于物联网RFID技术的移动终端，与追溯系统实现了无缝对接，为蚕桑生产安全的监控和管理提供有效的解决方案。

2 系统的构建

2.1 系统的架构

蚕桑生产作为一个流程性的生产过程，涉及蚕桑的播种、剪枝、灌溉、施肥、施药、检测、采收和喂养的全过程，需要构建一个统一的数字化系统平台进行管理。系统平台架构如图1所示，其中数据层包括提供业务数据的业务数据库和提供基础平台的平台数据库。核心业务层主要实现系统的业务功能。用户层为用户提供两种不同的接入方案：一种是基于物联网技术的移动终端接入，另一种是通过传统的浏览器/服务器模式接入，即B/S模式。

2.2 核心数据层的7个子系统

1)产地子系统：对产地信息进行管理，包括地块编号、附属地详细信息、方位、面积、状态、种植户姓名、种植方式、种植品种、大棚编号等。产地信息是整个系统的最底层数据，后期的栽培信息都与产地信息挂钩，从而实现最终的追溯。

2)生产履历子系统：建立在前期产地子系统的基础上，记录现有块地的蚕桑从播种、剪枝、灌溉、施肥、施药和采收的全部生产日志信息。

3)全检中心子系统：包含抽样、接样、定性检测、全检查询4个子模块。这些模块间的关系定义并实现了蚕桑检测的流程：桑叶在采收前先抽样，抽样环节包括种植地块信息、品种信息、抽检信息(抽样批次、种植品名、产地类型、抽检人、抽检日期等)。

4)喂养子系统：只有检测合格的批次产品才能进入喂养流程，喂养信息包括提货人、喂养人、流水号、品名、数量、单价等信息。并将喂养信息作为蚕桑供应链的最后环节，提供追溯查询。

5)信息维护子系统：对农药信息、肥料信息、种植户信息和病虫害信息进行维护。

6)RFID标签子系统：用于读取标签信息，并将产品的追溯码写入RFID标签中，通过射频移动终端可读取标签内的追溯码。

7)追溯子系统：输入追溯码，可查询到蚕桑的生产和供应链信息，包括产地信息、种植户信息、生产履历信息、农药化肥使用情况等。该功能同时支持移动终端和浏览器两种方式的查询。

2.3 追溯码生成算法

为了确保蚕桑的质量安全，桑叶在最终采收前，都必须先进行抽样送检，只有检测合格的产品才能提供给蚕农。在抽样的过程中系统就会对送检的产品批次根据算法产生追溯码。追溯码是蚕桑批次唯一的标识身份证号，系统以种植基地机构代码，地块标识，品种和抽样时间等要素作为编码对象，为了避免时间上的重叠，算法根据抽样时间产生6位压缩无序编码，追溯码生成算法如图2所示。

示例代码如下：

//取地块标识

Int iPlaceId = 10000

+Convert.ToInt32(strPlaceId);

……

//根据抽样时间生成6位压缩无序码int iSeed=10;

Random ro = new Random(iSeed);long tick = DateTime.Now.Ticks;

Random ran = new Random((int)(tick &0xffffffffL) | (int) (tick ＞＞ 32));

int iResult;

int iUp=999999;

int iDown=100000;

iResult=ran.Next(iDown,iUp);

//生成追溯码

string strTraceNo =

strComID.ToString()+ iPlaceId.ToString() + iTypeId.ToString()+iResult

根据上述编码规则，可产生例如7271315521001 10008496612的24位长度的追溯码。

3 基于RFID移动终端的设计

为了和追溯系统实现无缝对接，设计了基于RFID的移动识别终端，该终端由电子标签和天线(阅读器)两部分构成，电子标签由耦合元件及芯片组成，具有唯一编码用于标识，阅读器利用天线收发射频信号，同电子标签进行通信，达到识别或交换数据的目的。

由于市场上现有的手持RFID射频读写器价格比较昂贵，考虑到项目实施和推广的成本因素及更好地和系统平台兼容等问题，系统采用了HP iPAQ 2490(以下简称2490)Pocket PC做为移动终端的载体，操作系统为Windows Mobile 6.0，自行研制具有识别和无线传输功能的追溯查询终端，整体方案框图见图3。

3.1 基于CF接口的RFID标签读写

Pocket PC硬件系统具有高度集成的特点，提供并支持多种数据接口，例如CF接口、SD接口、红外接口、蓝牙接口、802.11无线网卡等，作为移动终端的载体，为其硬件扩展提供了多种可能性。其中CF接口可从 Pocket PC获取较大的电源功率，以16位并行方式与Pocket PC进行高速数据传输、具备包括中断和DMA在内的多种触发信号，广泛应用于数据采集卡、MODEM、网卡、GPS卡的设计中[5]。

实际中使用的CF卡(Compact Flash RFID Reader)为D-Think-901A，其结构包括CF插槽接口、天线、闪存、微控制单元MCU及CF/UART转换模块等。CF RFID卡的硬件框图见图4，其工作过程如下：将CF卡插入已经处在开机状态的2490，CF卡通电后，微控制单元MCU对射频读写模块进行初始化，接着由控制总线通知上位机 CF卡已经准备好，上位机识别CF卡。

3.2 电子标签

系统选用D-Think公司的M1异形卡为射频电子标签，该异形卡采用Philips Mifare1芯片，支持ISO 15693、14443A和14443B工作协议。工作频率为125 kHz/13.56 MHz，具备多标签防冲突机制。标签数据存储容量32 kB，拥有32个分区，支持ISO 15693强制性指令和可选或者自定义指令集，有效读写距离范围1～3 cm，标签工作于“阅读器先讲”的模式。

3.3 CF卡驱动程序的设计

CF卡的驱动程序采用流接口驱动程序开发。流接口驱动程序由设备管理器统一加载、管理和卸载，流接口驱动程序具有固定的入口点函数，操作系统的文件系统通过这些入口点函数与流接口驱动进行通信，从而实现用户程序访问驱动程序并操作硬件的目的[6]。

流接口驱动程序通过编译后生成动态链接库即DLL文件。CF卡驱动程序需要通过调用封装在DLL文件内部的函数来实现，API函数封装了标准入口点函数，使用文件句柄访问内部资源。应用程序读取标签时，由API函数SetWorkMode()选择工作接口模式，调用CFInitCom()函数初始化端口和波特率，CFGetHardWareVersion()函数读取硬件版本，CFSetAntenna()打开天线，调用FISO14443_3ARead()C FISO14443_3AWrite()等API接口函数实现对标签分区的数据读写。

3.4 WebService访问技术

Web Service是一种构建应用程序的通用模型，可以为其他应用程序提供数据与服务[7]。各种应用程序通过网络协议和规定的一些标准数据格式(如Http，XML，Soap)来访问Web Service，通过Web Service内部执行得到所需结果。Web Service可以执行从简单请求到复杂商务处理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service应用程序可以发现并调用它部署的服务。

本研究在服务器ASP.NET平台上部署专门的Web Service查询服务，将PPC发送的追溯码作为请求参数，通过无线网络发送到服务器，调用指定的Web Service服务，服务器根据参数反馈查询结果，从而在移动终端获取该追溯码所提取的后台数据库信息。

3.5 移动终端的应用程序

作为追溯系统的延伸，基于PPC的移动终端已具备标签识别和无线传输功能。而运行于PPC上的应用软件，为用户提供最终的移动解决方案，是追溯系统的一个重要组成部分，通过移动设备与服务器间的通讯及应用程序数据交换，使追溯延伸到用户指尖。

PPC移动终端用户软件的开发环境采用的是MS的Visual Studio 2008，该开发环境集成了NET Compact Framework 3.5(.NET CF)框架，此框架提供了一个从服务器到桌面到设备的端到端编程模型，同时Visual Studio 2008提供了基于WM操作系统的开发模板，集成了Device Emulator，包括PPC仿真器，通过运行仿真器可直接测试程序在Windows Mobile 6.0环境下的运行效果。最后需要使用ActiveSync，使Windows Mobile设备与PC连接进行数据同步。

运行在移动终端上的应用程序可以读取并发送蚕桑唯一的标识追溯码，利用Web Service技术及时将信息从服务器通过网络传输到移动终端上(图5)，从而建立起高效可靠的追溯机制。

图5 运行在PPC上的用户应用程序Fig.5 The application program running on the PPC

4 结 语

本研究以用户层、业务层、数据层的三层体系构建了蚕桑安全追溯系统平台。研究设计了基于RFID技术的移动终端，开发了基于CF射频卡的接口及运行在移动终端上的应用程序，实现了电子标签和移动终端的数据之间的读写，并利用Web Service技术实现了远程数据查询和网络数据推送，最终实现追溯系统和移动终端无缝对接。可为蚕农提供详细的蚕桑履历查询，以确保蚕的存活率和蚕茧质量，为蚕桑安全生产提供重要的技术保证。

[1] 龚光明，杨旺生.中国古代桑、蚕灾及其防治[J].华南农业大学学报：社会科学版，2008，7(1)：97-102.GONG G M,YANG W S. A tentative exploration of mulberry and silkworm disasters in ancient china[J]. Journal of South China Agricultural University(Social Science Edition), 2008,7(1):97-102.

[2] 王羽骋，李碧君.环境污染对江苏蚕桑生产的威胁及防对策[J].江苏蚕业，2011(4)：39-40.WANG Yupin, LI Bijun. Threats and preventive measures of the environmental pollution of sericulture production in Jiangsu[J]. Jiangsu Sericulture, 2011(4):39-40.

[3] 周勤，吴海平.浙江蚕桑产业十二五发展对策研究[J].丝绸，2011，48(2)：62-65.ZHOU Qin,WU Haiping. Study on development countermeasure of Zhejiang sericulture industry during the 12th fi ve-year plan[J].Journal of silk, 2011,48(2):62-65.

[4] 刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010：1-20.LIU Yunhao. Internet of Things Introduction[M]. Beijing:Science Press, 2010:1-20.

[5] 胡正平，胡建萍.基于 Pocket PC的CF接口电路设计与实现[J].杭州电子科技大学学报，2006，26(3)：39-42.HU Zhengping, HU Jianping. The design and implementation of CF interface circuit based on pocket PC[J]. Journal of Hangzhou Dianzi University, 2006, 26(3):39-42.

[6] 张毅，王学思.基于WinCE的流接口驱动程序开发[J].工业控制计算机，2008，21(6)：47-48.ZHANG Yi, WANF Xuesi. Development of stream interface driver based on winCE[J]. Industrial Control Computer,2008,21(6):47-48.

[7] PAPAZOGLOU M P. Web服务：原理和技术[M].北京：机械工业出版社，2010：10-40.PAPAZOGLOU M P. Web services: principles and techniques[M].Beijing: Mechanical Industry Press,2010:10-40.

Research on Silkworm-Mulberry safety traceability system based on mobile terminal of the Internet of Things

MAO Hai-jun1, HE Ming-yu1, CHEN Yi-ming2
(1.College of Information, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.LiShui Electric Power Of fi ce, Lishui 323000, China)

This thesis puts forward schemes of effective monitoring and management to plant and produce Silkworm-Mulberry, which is based on the internet of things and internet technology. Additionally, this thesis constructs a platform of Silkworm-Mulberry safety traceability system by a three-layer system, i.e., userbusiness-data system. In addition, it studies mobile terminal based on RFID, and develops ports and application programs that operate at mobile terminal, which are based on CF cards. Furthermore, it realizes the reading and input among data of RFID and mobile terminal, uses Web Service to realize the searching of remote data and the network data mining as well as realize the seamless joint of traceability system and mobile terminal. The said provides a monitoring platform of safe production for silkworm-mulberry manufacturing base as well as the specific search for silkworm-mulberry experience for silkworm raisers to ensure the silkworm raiser and quality of silkworms.

Internet of Things; Mobile terminal; Silkworm-Mulberry; Traceability system

F307.3

A

1001-7003(2012)06-0046-04

2012-04-06

茅海军(1979－ )，男，讲师，主要从事计算机网络、物联网应用的教学与研究。