基于NFC_GPS的农产品车载温控跟踪系统的构建

刘伟+陈真佳+张永辉

摘要：针对我国农业技术革新与产业信息化发展的需要，以荔枝、芒果、苦瓜等热带农产品产销运输流程为目标，构建一种基于近场通信（near field communication，NFC）技术和全球定位系统（global positioning system，GPS ）技术的农产品车载温控追踪系统。通过该系统的构建，实现对车载农产品生产运输的全过程进行追踪和室温调控，建立起一套完整可靠的安全保障体系。可以进行农产品车载运输过程中的实时跟踪定位，为车内农产品的储藏提供实时的温湿度调控，保障农产品的鲜活度。此外，这两种新型技术的融合使用也可以推广应用于医疗用品、工业用品乃至食品等众多领域，为我国物联网产业的发展提供理论依据。

关键词：NFC；GPS；实时跟踪；温湿度调控；物联网

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0208-03

Abstract：For the needs of Chinas agricultural technological innovation and the development of information industry， lychee， mango， bitter gourd and other tropical agricultural production and marketing the transportation process as the goal， to build a agricultural vehicle temperature tracking systembased on near field communication （near field communication， NFC） technology and global positioning system （global positioning system， GPS） technology，. Through the system construction， to achieve the whole process of agricultural production transportation vehicle tracking and room temperature control， established a complete and reliable security system. The system can produce real-time tracking and positioning and provide real-time temperature and humidity regulation for the car storage of agricultural products， the degree of protection of fresh agricultural products. In addition， the integration of the use of these two new technologies can also be extended to the fields of medical supplies， food and other industrial products as well as provide a theoretical basis for the development of Chinas Internet of Things industry.

Keywords：NFC；GPS；real-time tracking；temperature and humidity control；internet of things

1 引言

作为我国唯一的热带省份，海南省素来以盛产各类品质优良、口味独特的热带农产品而闻名全国，其盛产的热带农产品主要用于对外出口。但诸如荔枝、芒果这类的热带农产品，其对于生产运输过程中的温湿度等环境条件有着严格的要求。由于缺乏较为有效的温控追踪体系，导致很多热带农产品在运输过程中便已变质损坏，更为严峻的则是缺乏对农产品运输过程中的实时跟踪监控，使得一些不良的人为因素加剧了消费者对于农产品质量安全问题的质疑力度。严重的削弱了消费者的购买力，阻碍了海南热带农产品产业的向外推广。目前，国内主流的产品温控追踪技术[1-5]存在如下不足：一是温度显色标签卡，它的使用是一次性的，存在着被人为因素替换成新标签的安全隐患；二是温度标签试纸，其对高温灵敏但对低温灵敏性较差，受环境酸碱度的影响较大，使用寿命往往短于产品的运输周期；三是电子温度记录标签，其记录的数据保存周期短，一次性使用，成本相对较高。

本文提出一种基于NFC电子标签技术和GPS技术的农产品车载温控追踪系统的构建方案 ，通过NFC标签信息采集模块、GPS卫星定位模块、温湿度采集模块汇集农产品生产运输流程中的产品标识信息、地理位置信息、储藏环境温湿度信息，通过网络通信技术传输给后台管理系统和用户终端，以提高农产品生产运输过程中的透明度和保障性，为海南热带农产品产业的向外推广提供强有力的技术理论支撑。

1）系统概述

整个农产品车载温控跟踪系统主要由：用户终端、车载终端和后端管理监测系统三个部分组成。其中，车载终端安装在农产品运输车辆内部，用来实时的监测和显示各模块采集而来的各类参数信息，再将这些采集来的信息经由处理器实时处理后通过无线网络通信技术汇集到后端管理监测系统供管理人员进行监测管控。用户终端则根据具体的操作需求向后端管理监测系统发送请求命令，等待相应的信息反馈（图1）。此系统的构建主要用到二项关键技术：NFC近场通信技术，GPS卫星定位导航技术。

2关键技术简介

NFC是一种标准的近距离无线连接技术，它基于RFID（radio frequency identification）射频识别技术，是一种非接触式自动识别技术，通过读写器中内置的天线发射信号，达到可以自动识别目标物体，把记录在物体电子标签上的数据信息传输出去的目的[6]。整个识别传输过程不需要人工介入，同时读写器可以工作在较为恶劣的运输环境下，信号穿透性强，能实现无屏障读取。不仅可以穿透冰、雪、雾等自然环境，还可以穿透厚度低于10cm的运输箱体。此外，NFC技术可以精确识别高速移动中的物体，可以一次性读取数十个电子标签中的数据信息，极大地提高了系统的工作效率。

NFC技术在产品信息溯源以及冷链物流管理中有着较为针对性的应用。主要用来实现产品物流运输过程中产品信息的鉴别和实时的管理，进而起到准确、实时、快速运输产品的目的。将NFC电子标签粘贴于物品表面，在产品出厂、出入库、中转装卸、销售全程中实现对产品运输信息的实时跟踪与查询。GPS卫星定位技术早已经被大众所熟知，这里便不再赘述。因此，新型NFC技术在本系统的构建中起着核心的作用。

3 系统结构与设计

3.1 系统功能需求分析

海南省是热带农产品的核心产地，每年都要向外输出大量的鲜活农产品，对于农产品在车载运输流程中的信息追踪、车内农产品储藏的温湿度环境等都有着严格的要求。以盛产的荔枝来说，荔枝果皮薄，果汁多，易受机械损伤和微生物侵染而造成腐烂。当其放置在车内长途运输时，若车内温度能维持4℃—6℃（相对湿度75%—90%），可保鲜一个月；但当车内温度高于20℃时，只能保鲜一周左右。因此诸如荔枝这样的热带农产品，如何做好产销运输流程中的产品质量安全保障是极其重要的。

根据需求分析，通过分析热带农产品从农场出产、出库入库、中转装卸、冷链运输、终点销售整个产销流程中核心环节的需求特点，结合当前海南热带农产品产销运输的现状，这里构建的农产品车载温控跟踪系统需要实现如下功能：首先，需要使用NFC电子标签技术来记录农产品的标识信息和防伪验证信息、使用GPS卫星定位技术来实时的捕捉产品运输过程中车辆的地理位置、使用温湿度传感器来实时的采集运输车内的温湿度信息；其次，需要通过GPRS/3G无线通信传输模块将采集到的相关信息上传到后端监测管理系统的数据库中存储起来；最后，广大消费者通过手机终端发送所需的请求命令，经由服务器解析处理后向消费者手机终端反馈相应的查询结果。整个运作流程对消费者而言是全程透明的。因此，整个系统的实施将为农产品车载运输产销流程安全保障体系的构建提供一个高效实际的解决方案。

3.2 系统模型的构建

整个系统依托NFC和GPS新型物联网技术、数据库技术、无线网络通信技术和软硬件开发技术来进行可靠实际的构建，以荔枝产销运输流程为例来阐述农产品车载温控跟踪系统的模型构造。首先，荔枝的生产商们将产品的出厂日期、保质期、数量等信息发送到后端管理系统的数据库中存储，同时将产品的防伪标识信息写入NFC电子标签中保存，这样就能有效地防止在后续运输流通的过程中遭人为替换标签的安全隐患；然后，当运输车辆运行到经销商那里进行产品的中转装卸时，这里的操作员同样的将产品信息数据发送到后端数据库中存储，同时在NFC电子标签中写入下一条的数据信息；最终，当运输车辆到达目的地后，卸载货物的同时也要完成对产品数据消息的实时上传和更新。通过这样的构建方式，管理人员在车辆运输的过程中，就可以通过后端监测管理系统查询车载终端的最新情况，实时的获得运输车辆内的产品信息、地理位置信息、车内储藏的温湿度环境信息等，有助于他们做出准确实时的管理和决策。消费者也可以通过手机终端应用向远程服务器获取自己权限范围内的想要知道的产品流程信息（图2）。

3.3 系统总体设计

3.3.1 硬件环境构建

在基于系统功能需求分析的基础上，综合比较市场上主流的高集成度微处理器，我们这里选择的车载终端处理器是STMicroelectronics（ST，意法半导体）公司出产的高性能、32位低功耗的STM32F103微处理器，其内核是Cortex-M3。其标准外设包含：2个AD模数转换器、2个DA数模转换器、2个全速USB接口、2个I2C接口、2个CAN2.0B接口、3个SPI接口、5个USART接口、10个定时器以及以太网10/100MAC模块，其完好全面的性能完全能够满足本系统车载终端硬件模块构建的需要[7]。其最小工作系统包括电源模块、复位电路、时钟电路和JTAG调试电路[8]。NFC产品信息采集模块选用NXP（恩智浦半导体）公司生产的MFRC522非接触式读写芯片，工作频率为13.56MHz，支持ISO14443A/MIFARE工作模式，数据传输速率最高可达424kbits/s，具有良好的兼容性和安全保密性。GPS卫星定位模块采用瑞士u-blox公司出产的u-blox-NEO-6M模块，该模块可通过USB接口或串口向STM32F103微处理器输出GPS定位信息，具有高性能、低功耗的特性[9]。温湿度信息采集模块选用DHT11温湿度传感器，它由NTC测温元件和感湿元件二部分组成，该传感器具有高度稳定性和极高的可靠性。

因此，整个硬件部分主要有三大模块组成：NFC产品信息采集模块、GPS卫星定位模块和温湿度采集模块。其中，NFC产品信息采集模块主要用来收集农产品的标识信息和数量信息等，GPS卫星定位模块主要用来实时反馈运输车辆所处的地理位置信息，温湿度采集模块主要用来实时的采集运输车内产品储藏环境的温湿度信息。通过STM32F103处理器的2个USART接口实现NFC产品信息采集模块接口和GPS卫星定位模块接口的电路连接，利用PA11引脚实现与温湿度信息采集模块传感器的数据传输功能，使用SPI串行接口实现与GPRS无线通信模块的数据传输功能。最后，经由STM32F103微处理器通过GPRS无线通信模块装置将NFC产品信息采集、GPS卫星定位和温湿度采集3个模块汇集的数据传输至后台管理检测系统，完成整个农产品车载运输流程中的实时信息采集（图3）[10]。

3.3.2 软件设计

在系统软件开发方面，车载终端的应用程序在u Vision4环境下使用C语言进行开发。具体包括NFC产品信息采集模块的应用程序、GPS卫星定位模块的应用程序、温湿度采集模块的应用程序和无线通信模块的应用程序全部在此软件环境下完成编辑、编译、调试并下载的，从而进一步的对应用程序做修改和完善，最终达到车载终端硬件功能的设计需求。对于后端监测管理系统的软件开发，基于经典的C/S模式，应用ASP.NET技术使用C++语言在WINDOWS操作系统下完成开发，同时在LINUX系统下搭建MySQL数据库服务器。用户终端手机应用在ANDROID操作系统下使用JAVA语言进行编程开发。整个软件系统通过后端数据库服务器提供的服务来保证数据的同步性、一致性和可靠性。

4 结束语

本文研究分析了新型NFC技术和GPS技术的融合使用在车载温控跟踪系统中的应用方法。以海南热带农产品为服务对象，构建了一个基于NFC技术和GPS技术的农产品车载温控跟踪系统。阐述了基于这两种技术的系统模型构建，给出了系统实现的具体的硬件组成和软件设计方案。依托NFC近场通信技术和GPS卫星定位技术的联合使用，对热带农产品的生产、运输、销售整个产销流程进行实时的跟踪和管控。该系统的构建基本能够实现热带农产品整个产销运输流程的信息化管理，确保农产品产销运输全程信息的公众透明度，最大程度上保证了整个运输流程中农产品的鲜活度和产品品质，同时也提升了农产品运输供应链上的监督管理力度，降低了消费者和中间商对农产品质量安全问题的担忧，提升海南热带农产品的市场竞争力。本系统的构建方案也可以推广应用于医疗用品、工业用品乃至食品等众多领域，为我国物联网产业的发展提供理论依据。

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