RFID手持设备追溯管理系统设计与实现
2017-02-27张明虎
张明虎， 张 暐， 殷 欣， 屈 展
(1.甘肃广播电视大学资源中心,甘肃 兰州 730030；2.国网甘肃省电力公司信息通信公司,甘肃 兰州 730030； 03.甘肃省轻工研究院,甘肃 兰州 730030；4.甘肃广播电视大学理工学院,甘肃 兰州 730030)
RFID手持设备追溯管理系统设计与实现
张明虎1， 张 暐2， 殷 欣3， 屈 展4
(1.甘肃广播电视大学资源中心,甘肃 兰州 730030；2.国网甘肃省电力公司信息通信公司,甘肃 兰州 730030； 03.甘肃省轻工研究院,甘肃 兰州 730030；4.甘肃广播电视大学理工学院,甘肃 兰州 730030)
针对射频识别技术(RFID)在追溯方面具有工作场景复杂、标签识别效率和准确率高、同步数据并发量大、全生命周期溯源等特点，提出了基于高可靠性的数据通信协议和多标签防碰撞算法的安全追溯系统。该追溯系统以WinCE5.0手持设备为平台，引入了RFID技术，进行产品全生命周期信息的可视化分析和用户交互式操作。实测结果验证了复杂环境下RFID全生命周期防伪追溯系统方案的可行性，表明了采用RFID技术的防伪追溯系统将成为行业发展方向。
食品安全；RFID技术; 数据通信; 远程数据库; 仓储管理系统
0 引言
近年来，食品安全问题严重威胁着社会稳定和消费者健康，已成为社会关注的焦点话题。美国、法国等一些发达国家的食品监管部门几乎控制了从农田到餐桌的食品生产、加工、流通等全过程；而我国的食品监管部门虽屡次提及食品跟踪追溯体系建设，为每个食品企业建设一个食品全生命周期跟踪追溯管理体系，但其应用目前尚处于萌芽阶段[1-4]。
在食品安全追溯方面，文献[2]以基于二维码的绿色食品追溯为研究方向，采用二维码技术构建了绿色食品溯源体系平台，实现了食品信息的获取、食品质量的预判和食品指标的监管；文献[3]分析了国内外采用二维码技术实现各类农副产品安全追溯系统的现状，在深入研究和分析二维码的技术特征后，提出了以二维码技术作为农副产品安全追溯手段中可能存在的问题；文献[4]对二维码在食品追溯方面存在的缺陷进行了研究，采用了非对称密码算法，设计了基于RSA数字签名和二维码技术相结合的追溯平台。
射频识别技术(radiofrequencyidentifiration,RFID)是一种利用射频信号实现非接触式信息传送的技术，与传统的二维码、普通一位条形码技术相比，RFID技术具有信息读取距离长、信息更新快、安全系数高等优势。
本文结合RFID技术的智能性、移动性、便捷性等优点，开发和设计了一套应用于辅助生产线管理和仓储管理、以基于RFID技术和多重加密[5-6]为编码方式的手持设备防伪追溯管理端系统。手持设备防伪追溯管理系统运行于手持设备上，通过WiFi连接远程数据库，完成与数据库的相关操作；通过手持式RFID读写器，完成RFID标签数据读写功能。系统的主要功能是配合生产线管理与仓库管理，高效可靠完成产品的在线扫码、批量出入库管理和终端查验。
1 系统架构
本文所设计的手持设备追溯管理系统运行在WinCE平台，采用微软基础类库(microsoftfoundationclasses,MFC)设计。用户通过界面按钮触发对应的响应函数，进入相应界面完成操作。手持设备管理系统采用两层架构模型设计[7]。整个业务应用划分为业务功能层和数据适配层。
系统总体架构如图 1所示。
图1 系统总体框架图
1.1 业务功能层
在手持设备管理系统业务功能层中，向用户管理业务发出手持设备业务处理的请求。管理业务包括用户的管理、系统参数配置的管理以及日志的管理。 手持设备业务包括标签赋码、装箱检查、入库关联、出库关联、终端查验、单瓶入库、单瓶出库操作。
1.2 数据适配层
数据适配层设计用于与代理服务器或本地配置文件、日志文件等进行交互，实现文件记录的增加、删除、修改、查询等操作。
手持设备数据适配层的主要功能包括硬件操作、与代理服务器的网络通信操作、本地配置文件操作、日志文件操作。
2 系统具体实现
2.1 数据库访问
手持设备管理系统需要访问数据库，对数据库中的信息进行增、删、改、查等操作，然而手持设备管理系统运行在WinCE5.0平台，WinCE平台不支持对数据库的直接访问操作，因此需要在桌面端建立一个代理服务器。通过手持设备与代理服务器的通信，采用WiFi将手持设备需要对数据库的操作(SQL语句)发送至代理服务器，由代理服务器访问数据库，执行相应的操作，并将操作结果返回至手持设备。数据库访问示意图如图2所示。
图2 数据库访问示意图
数据库操作结构如图3所示。数据库操作由DBAdapter接口封装。DBAdapter接口通过系统配置文件中的数据库连接字符串来连接数据库。对数据库的操作主要由SQLAccessTier类实现，由DBHelper类封装，并提供调用接口。
图3 数据库操作结构图
2.2 网络通信
根据用户在赋码界面选择的各种产品标签信息，构造新的产品标签EPC，并将新的EPC写入标签。接着调用网络通信类，将标签的TID和新的EPC关联信息发送至代理服务器，代理服务器更新数据库中的产品信息表。
本文将所有手持设备与代理服务器通信操作封装成一个网络辅助类(CNetHelper)，为业务功能层提供接口，完成数据的发送与接收功能。
网络通信类封装了WinSock中的相应操作，包括连接服务器、发送和接收数据等。连接服务器时，采用的IP地址和端口号为登陆界面设置的IP地址和端口号。
①ReportNetErr(intnErrCode,CStringstrErrMsg)函数用来报告通信中的错误。
②ConnectServer(SOCKET&sk,CStringstrIP,intnPort,intnSendTimeout=-1,intnRecvTimeout=-1)函数用来连接代理服务器。
③SendAndRecv(SOCKET&sk,CStringstrSend)函数用来发送和接收数据，函数传入的strSend为手持设备发送给代理服务器的信息，函数返回为接收的消息。
④Send(SOCKET&sk,CStringstrSend)函数用来向代理服务器发送消息。
⑤DisConnect(SOCKET&sk)函数用来断开代理服务器的连接。
手持设备与代理服务器的部分接口通信协议如表1所示。
表1 部分接口通信协议
3 关键技术及实现
3.1 多标签防碰撞技术
目前，RFID防碰撞算法主要采用基于时分多址的确定性算法和概率性算法。本文采用基于二进制树搜索算法的确定性算法[8-11]。二进制树搜索算法相对较复杂，但标签识别正确率较高、稳定性强，且算法实现目标是缩短标签识别延迟时间和降低标签碰撞率。在生产线和仓储管理中多标签的情况下，该算法的优势更加明显。
假设在手持设备读写操作的有效范围内有6个产品标签，各标签ID序列如下。
A:01000100
B:01100000
C:01010000
D：01101000
E:00110001
F:00011000
RFID产品标签防碰撞实现过程主要有以下4个步骤。
①手持设备发出Request读写请求，其作用范围内的所有标签作出响应，读写器读取响应标签ID。
②手持设备对所读取的标签ID解码，经过曼彻斯特编码译码得到(01X0X0X0),读写器发出Request(01101010，0)指令标签，锁定ID序列的第 1、3、5 位。锁定最高位为 0 的标签响应该指令，即标签B、D响应，并把标签序列传送给手持设备。
③手持设备对编码序列编码解码为(0110X000)，读写器发出Request(0，0)，指令标签锁定ID序列的第3位。同理锁定最高位为 0 的标签响应该指令，即标签B直接被识别，没有发生碰撞。
④手持设备对标签B完成读写操作。整个识别过程结束。
本文在多标签工作环境下，采用基于时分多址的确定性算法，有效提高了产品标签的识别率、准确率和标签读写速度。
3.2 标签赋码技术
手持设备赋码技术也是手持设备追溯系统的关键技术，用户可以选择待赋码的标签类别，包括产品标签、箱体标签、托盘标签。若待赋码标签为产品标签，具体的赋值数据由用户界面输入。用户通过对标签进行扫描，读取标签的TID和EPC信息，最后对标签进行赋码操作，更新数据库中产品信息。
标签赋码过程主要分为以下3个步骤。
①选择待赋码的标签类型，若为产品标签，需要从数据库获取产品标签的参数，并选择待赋码的产品参数。
②扫描待赋码标签，即读取标签的TID和EPC信息，根据选择的参数构造新EPC。
③根据用户在赋码界面选择的产品标签各种信息，构造新的产品标签EPC，将新的EPC写入标签。接着调用网络通信类将标签的TID和新的EPC关联信息发送至代理服务器；代理服务器更新数据库中的产品信息表。
赋码操作，即将新构造的EPC写入标签的EPC区，并更新数据库。
3.3 出入库关联技术
产品出入库关联用于实现箱体标签和托盘标签之间的关联，通过手持设备读取箱体标签信息，然后将此箱体放入叉车中。当此过程结束后，将手持设备中读取的箱体信息与叉车关联，以便入库。
产品出入库流程如图4所示。
图4 产品出入库流程图
3.4 终端查验
终端查验是追溯系统的具体体现。该功能是通过扫描产品标签，获取产品标签中的信息，从而判断产品的真伪。在线查验实时从数据库获取相应产品标签的所有参数信息。用户选择在线登录模式进入主功能界面，选择终端查验功能，进入终端查验界面。
终端查验时，扫描标签，触发OnBnClickedButtonScan()响应函数，调用CSDKHelper类中的ReadTagNoInf(CTag&tag,EnumTagTypetagType)读取标签信息，返回一个CTag类对象m_tag，利用CTag类中的GetTID()和GetEPC()函数，获取返回m_tag对象的TID和EPC；利用SetDlgItemText()函数，在终端查验顶端EditControl控件中显示TID和EPC。
解析并显示相关信息，根据返回的m_tag，调用CTag类中的GetTagType()函数获取返回对象的标签类型。若为未知标签、箱体标签或托盘标签，则给出提示，不能正确解析标签信息；若为产品标签，则调用CDlgBottleInOutDB类中的GetNameFromID(intnID,CList
4 实现结果
本文采用多标签防碰撞算法等多项关键技术，设计和实现了应用在食品安全防伪追溯的手持设备追溯管理系统。系统实际应用在基于WinCE5.0平台的智能设备，主要实现平台与生产线管理系统、仓储管理系统的远程访问及数据交互功能。
5 结束语
本文设计和实现的基于RFID技术的手持设备追溯管理系统，采用基于多标签碰撞算法的防碰撞解决办法；提出和设计的通信编码协议，采用RFID标签，对食品从生产、加工、仓储、运输、销售等全生命周期进行跟踪追溯。
基于RFID技术的手持设备追溯管理系统已应用于生产线管理、仓储管理、终端查验等过程。应用结果表明，该手持设备防伪追溯管理系统具有架构简洁、易于操作、维护和升级便捷、可携带、可扩展及低成本等优点，有很强的实用价值和应用推广价值。
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DesignandImplementationoftheRFIDTraceabilityManagementSystemforHand-HeldDevices
ZHANGMinghu1，ZHANGWei2，YINXin3，QUZhan4
(1.TeachingGuidanceCenter,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China;2.InformationandCommunicationCompanyofGansuProvinceElectricCorporationofStateGrid,Lanzhou730030,China；3.TheInstituteofGansuProvinceLightIndustrialScientificResearch,Lanzhou730030，China;4.InstituteofScienceandTechnology,GansuRadioandTelevisionUniversity,Lanzhou730030,China)
Inaccordancewiththecharacteristicsofradiofrequencyidentifiration(RFID)inaspectoftraceability,thatincludingcomplicatedworkingscene,highefficiencyandaccuracyfortagidentification,largesynchronousdataconcurrency,andtracingoriginofwholelifecycle,etc.,andconsideringtheunificationmanagementofthetracingsystemforsynchronizedsupporttotheproductionlineandwarehousing,andfulfillingwholelifecycleperiodicityandhighreliabilityofthesystem,asystemforsafetytraceabilityisproposedbasedonhighlyreliabledatacommunicationprotocolsandmultipletaganti-collisionalgorithm.ThetraceabilitysystemadoptsWinCE5.0handhelddevicesasaplatform,inputstheRFIDtechnology,toimplementvisualizationanalysisanduserinteractiveoperationforwholelifecycleinformation.MeasuredresultsverifythefeasibilityoftheRFIDwholelifecycleanti-counterfeitingtraceabilitysystemundercomplicatedenvironment,andshowthatusingRFIDtechnologywillbecomethedevelopingdirectionforanti-counterfeitingtraceabilitysystems.
Foodsafety;RFIDtechnology;Datacommunication;Remotedatabase;Warehousemangementsystem
张明虎(1986—)，男，硕士，讲师，主要从事物联网技术、嵌入式系统控制技术和数据采集与大数据应用的分析和研究工作。E-mail：zmx396065442@163.com。
TH7;TP
ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701014
修改稿收到日期:2016-05-10
