基于LPC1766的农产品流通追溯系统设计

孙传恒，杨信廷，李文勇，周 超，李道亮

（1.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京100083；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097）

0 引 言

农产品流通追溯是实现农产品全程追溯的关键和难点［1］。农产品流通追溯直接影响农产品的生产过程［2］，通过流通阶段建立 “倒逼”机制，可有效引导农业标准化生产，提高流通主体的安全责任意识，增强政府对农产品监管和服务水平，促进现代流通体系的完善，从而促进全程质量追溯系统的实施［3－4］。但目前农产品生产和流通的组织化程度较低，包装化程度不高，大部分采用传统的人工结算交易，各流通节点信息不能有效交换［5－7］。因此，农产品流通阶段追溯系统在设计上需采集、记录、传输每个流通节点的信息，将各经营节点的信息相关联，形成完整的流通信息链条和责任链条［8］。

在流通阶段实行电子结算可有效保证追溯流程的完整性，但现阶段使用的交易设备，只有称重功能，交易记录不能存储，无法进行称量过程的跟踪，而且大多是独立使用的，不能与上位机进行通讯或采用串口方式与上位机进行通讯［9－10］，无法实现对农产品流通的分布式追溯。面向农产品流通追溯的需求，针对不同包装程度、流通模式及经营者信息化管理水平，基于嵌入式LPC1766处理器，集成RFID射频识别技术、条码技术，设计开发了农产品流通追溯系统的软硬件方案［11］。系统硬件在设计上尽可能简化，只保留必要的硬件电路，如A/D转换电路、串口电路、键盘电路、显示电路等，其它以接口电路形式实现。软件基于硬件平台直接开发，实现了重量采集任务、RFID身份识别任务、标签打印任务和网络数据交互任务等算法，具有占用硬件资源较少，实时性强、处理速度快的特点。

1 流通追溯系统总体设计

1.1 流通追溯系统主要功能

流通追溯系统主要实现农产品交易过程的重量感知、交易主体身份识别、交易客体的标识和交易过程信息的采集与上传等功能，具体如下：

（1）产品称重：重量传感器信号经A/D转换生成重量信息，用户通过PLU预置商品信息关联产品单价，并自动计算商品总价，完成产品称重计价。

（2）身份验证：用于流通阶段责任主体身份的验证，通过集成RFID读写模块实现用户身分合法性的验证，通过验证后设备启动并进入称重状态。

（3）标签打印：农产品生产日期、保质日期、生产单位、重量等信息通过文字、数字、一维码、二维码等形式打印到标签上，方便客户对农产品信息的追溯。一维码支持EAN－13、EAN－128等码制，二维码支持QR码、汉信码、DataMatrix等码制。

（4）数据上传：交易完成后，在打印产品交易标签时，同时把标签内容数据进行二值化并以UDP数据包格式通过指定端口发送到数据库服务器，实现交易数据的上传。

1.2 系统硬件框图

系统整体硬件结构如图1所示。LPC1766处理器的内核是 Cortex－M3，Flash容量为256KB，SRAM 为64KB，包括UART接口5个、SSP接口3个、SPI接口1个、I2C接口3个，封装方式为LQFP100，该芯片具有资源丰富、功耗低的特点［12］。接口模块包括RFID身份识别模块、显示模块、键盘模块、打印模块和无线通讯模块。重量传感器将重量转换为电压信号，经过信号滤波和放大后，信号被送入A/D转换器，由A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转化，并经LPC1766处理后发送到数码管；RFID身份识别模块通过识别用户电子标签ID，经串口发送到LPC1766处理认证；键盘模块通过GPIO与中断的行列扫描实现与LPC1766的通讯；打印模块通过UART接口与LPC1799通讯，并执行控制模块指令；无线通讯模块通过以太网接口与LPC1766通讯，通过UDP协议发送到后台服务器，实现对交易数据的管理［13－14］。

图1 农产品流通追溯设备的硬件结构

2 系统硬件设计

2.1 系统电源电路

系统电源电路如图2所示。根据系统设计要求，外部220V交流电经开关电源转换为12V以后接入主板，主板电源电路先将12V稳压为5V，然后再将5V稳压为3.3V。12V向5V转换用的是ST公司三端稳压集成电路L7805，L7805为线性DC－DC转换芯片，输出电源波纹小，可以满足AD部分对电源较高的要求。5V向3.3V的转换是用LDO稳压芯片1117，1117具有输出电流大，输出电压精度高等特点，此外还具有电流保护和热保护的特点。

图2 系统电源电路

2.2 信号调理与A/D转换

重量采集是追溯设备主要功能之一，因此设备的精度至关重要。精度主要取决于模数转换器的分辨率［15］。A/D转换国产芯片采用HX711，它是一款专为高精度设备转换设计的24位的A/D转换芯片，内部集成了电源处理稳压模块和时钟发生器等外围电路。稳压模块可以为传感器和A/D转换部分提供能量。它有2个A/D转换通道可以供选择，通道A为主通道，增益分别为128或者64，用于采集信号变化范围分别为±20mV或±40mV的模拟信号。通道B的放大倍数为64，用于检测系统运行时候的参数如电池电压。A/D转换电路原理图如图3所示。

图3 A/D转换电路原理

2.3 以太网接口电路设计

以太网电路如图4所示。LPC1766内部已经集成了以太网控制器，因此用户在芯片外部只需接一个以太网PHY（物理层）接口芯片和相关电路即可。在设计时由于LPC1766只支持RMII接口，故只能选择支持RMII接口的PHY芯片，本设计中采用DP83848I实现和LPC1766的连接，DP83848I的RMII数据接口包括发送数据管脚TXD0、TXD1，发送使能管脚 TXEN，接收数据管脚RXD0、RXD1，接收数据时钟管脚RXCLK，接收使能管脚RXEN和载波侦测管脚CRS。DP83848I的28管脚上拉和18管脚下拉将KSZ8041NL配置成RMII接口模式；15管脚同地之间的4.87K欧姆的电阻用于调整DP83848I的输出电流。另外，26和28管脚也用于控制LED，表示当前的网络状态。时钟输入频率是50MHz。

图4 以太网电路原理

2.4 RFID身份识别接口电路

RFID接口电路如图5所示。RFID模块采用SLRC400射频芯片，执行从LPC1766发过来的各种动作指令，实现射频芯片与电子标签的通信控制和通讯数据的加密和解码。其中，RFID模块与LPC1766通过串口通信，电路中J9－1为控制信号输出，J9－2接蜂鸣器，J9－3为自动寻卡中断输出，低电平有效，可以根据需要配置。

图5 RFID接口电路原理

2.5 其它外围电路设计

其它外围电路主要包括打印接口电路、按键输入电路和显示电路。打印模块通过MAX3232与LPC1766的串口1连接；按键输入电路通过GPIO与中断行列扫描与控制电路相连，每行加一10K的上拉电阻，组成8＊8的矩阵键盘，实现按键输入中断；显示电路通过SPI接口与MB15026芯片相连，驱动8段＊16位的LED数码管。

3 系统软件设计

3.1 软件开发控制流程

软件开发采用C语言作为开发语言，以keilμVision3 IDE作为开发平台，基于模块化的开发思想来实现软件系统，整个软件系统控制流程如图6所示。

图6 系统开发流程

软件系统由标定子程序和应用子程序两部分组成，在应用子程序中，包括重量采集任务、RFID身份识别任务、LED显示任务、键盘键值扫描任务、网络数据交互任务和数据打印任务。各个任务之间采用顺序和事件驱动的方式完成，CPU开始实时探测是否有射频RFID信号，检测到信号且通过身份识别后，系统进入称重状态，同时实时监测网络数据的收发、键盘键值的扫描、LED数码管的显示以及根据键值进行任务的跳转。

3.2 标定子程序控制流程

图7是系统标定子程序流程图，当RFID卡身份信息验证成功后，当标定开关按下时，系统进入标定子程序，首先按分度值的设定、满量程量设置、过载量设置、加载量设置步骤进行参数的设置，然后进入零位状态，此时一定要确保秤台上为空载，按确定键后，进入加载状态，放上与加载量相等的砝码。最后待稳定指示灯点亮时，按 “确认”键退出完成标定操作。

3.3 应用子程序控制流程

图8是系统应用子程序流程图，当RFID卡身份信息验证成功后，当不进行标定时，系统进入应用子程序。首先进行网络地址进行初始化，为后面的数据上传提供网络支持，然后从Flash存储器中读取标定参数，并进行开机秤台清零处理，最后进入称重显示状态。根据用户按键命令进行条码编码算法后，进行重量采集、条码打印和数据上传等服务。

3.3.1 RFID身份识别任务设计

RFID身份识别任务，主要负责RFID射频信号的探测以及用户身份ID号的获取，当有RFID卡靠近时，系统感应射频信号，读取卡内用户信息，并进行存储，随后系统进入正常工作模式，主要算法如下：

Void TASK＿ListenCard（void）

｛监听RFID信号；

读取卡内用户信息；

存储用户信息；

进入称重工作模式；｝

3.3.2 重量采集任务设计

重量数据采集任务，主要负责读取AD转换器的AD值，利用滑动平均滤波数据处理算法进行数据处理，最后根据标定参数，计算得出实际的重量数据值，主要算法如下：

Void TASK＿WeightAcquisit（void）

｛循环读取AD值；

平滑滤波处理；

重量数据计算；｝

3.3.3 标签打印任务设计

标签打印任务主要负责一维条码、二维条码生成，定制条码标签格式等。其中，一维条码采用EAN－128码制实现，编码主要包括市场编号、经营主体号码、产品编号和销售日期编号等，二维条码采用汉信码实现，内容包括市场信息、经营主体信息和产品信息，并经DES算法加密后存储在汉信码中，实现信息的安全存储。具体算法如下：

Void TASK＿LabelPrint（void）

｛调用一维条码生成算法，生成一维条码信息；

调用二维条码生成算法，生成二维条码信息；

标签格式定制；

调用数据上传函数，完成打印；｝

3.3.4 网络数据交互任务设计

网络数据交互任务设计，主要负责系统与上位机之间的数据交互，包括数据的接收与发送，主要算法如下：

Void TASK＿NetDataExchange（void）

｛监听上位机端口数据；

有数据，接收并进行串行Flash存储；｝

4 系统实验

4.1 系统重量准确度测试

根据国家标准 《非自动秤通用检定规程JJG555－1996》的要求，利用F1级的检定砝码（包装标称值为20Kg、10Kg、1Kg、10g和1g的标准砝码若干），对设备的准确度误差进行了检定，试验结果见表1。从结果可以看出，设备的指标优于国家规定的三级秤标准。

表1 设备准确度测度误差

4.2 系统在流通追溯中的应用测试

研发的农产品流通追溯设备样机，成功实现了在北京某批发市场的测试应用。通过发行采购商卡，实现对产品来源的跟踪，并通过网络传输软件实现数据的上传和混合条码标签的打印。消费者可以通过产品条码实现对产品来源、销售信息、检测信息、商户信息的追溯。农产品流通追溯系统如图9所示。

图9 农产品流通追溯系统

5 结束语

本文给出一种农产品安全流通追溯系统硬件电路和软件设计与实现过程，基于LPC1766处理器完成了电源、A/D转化、晶振、复位、以太网通信和RFID模块、条码打印模块的电路设计，实现了硬件设计的简化；基于模块化的思想进行开发，实现了重量采集、条码打印、RFID识读、数据上传等任务算法，达到了配置方便，使用灵活，满足不同层次不同需求的批发市场的目的；经重量准确度测试，系统准确度误差在0.5%以内，优于国家三级秤的标准，完全可以满足农产品交易的需求，并能实现农产品流通过程的质量追溯，对于提高流通阶段的农产品质量安全监控水平具有重要促进作用。

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