基于AT89C2051的木材供应链手持机的设计

（福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002）

原材料质量管控是供应链管理的核心内容，“劣质原料将会对最终产品质量造成重大影响”是企业管理者的共识。对于木材加工企业而言，原材料来源问题又更显突出[1]。目前中国许多木材加工企业对原材料来源不加标识，在库存时混淆堆放，在生产时未对物料追踪[2]。当加工的成品在“进出口病虫害检疫”环节中被发现不合格，此时无法实现原料溯源，无法追究原料供应商的责任[3]，加工企业要承担较大的生产风险。因此许多木材加工企业希望能实现原料的标识和追踪，在发生质量问题时能够快速逆向溯源追责，找到问题环节时又能快速正向追踪同批次的问题产品流向，实现封存和召回，减少质量事故给企业带来的损失。另外，随着澳大利亚于2014年11月执行“澳大利亚禁止非法木材法案”，至此，美国市场、欧洲市场及澳大利亚市场均要求中国的木材加工企业提供原料合法性证明材料。在此严峻的国际市场背景下，中国木材加工企业对原料粗放管理的传统方式已不能满足需求，需要对供应链实现精细化管理[4]。

1 木材原料供应链流程分析

基层调研可知，林区木材加工企业的原材料通常来自于邻近山区，狭义的木材供应链特指木材原料的供应和木制品加工，流程为“林木所有者→植物检疫→采伐→一道运输者→贮木场（仓库）→二道运输者→加工企业”。广义的木材供应链概念对下游进行了扩展，还包括木制品的流通和销售，或被称为木制品供应链[5]。

木材供应链精细化管理重点体现在4点：（1）原料是否通过了检疫，材种是否真实，尺寸规格是否达标，这将影响木制品质量；（2）原料来源林班的采伐证号是否有效，有无超越采伐限额，这涉及到了原料来源合法性的问题，非法原料生产的成品也同样被视为非法，无法进入美、欧、澳市场，将对企业出口贸易带来影响；（3）不同产地的原料特性会影响质量，不同的生产工艺也会影响质量，所以要根据原料特性调整工艺，实现木制品品质管控；（4）企业关心木制品的流向、流量，以了解用户的需求，及时改良产品设计。所以企业对木材供应链管理目标为“正向可追踪，逆向可追溯”[6]。

不可忽视的是，为了保护森林资源，实现林业经济可持续增长，林区政府也有对木材供应链的监管责任[7]。林区政府对不同阶段的运输行为的监管侧重点不同，从采伐地向外运输称为一道运输，运输者持有一道码单，一道码单运输总量必须小于该林班的采伐限额，否则存在有盗砍滥伐的可能性，所以林区政府对一道运输监管较为严格。从贮木场或企业向外运输称为二道运输，运输者持有二道码单，政府对二道运输监管的侧重点在于检查贮木场或企业出入库是否平衡，其目的是在供应链中清除非法采伐的木材，检查方法见式（1）。

式（1）中：Vb为贮木场(企业)期初原料库存材积；m为期间原料入库的总车辆数；Vi为原料入库时一部车辆的原料材积；Ve为期末原料库存材积；n为期间出库时的总车辆数；Vj为木制品出库时一部车辆木制品折材积。

林区政府对木材供应链的监管目标简单概括为：“伐区的一道运输量必须小于采伐限额，企业的二道运输量必须小于合法采购的原料量。”

2 手持机设计

为了实现企业和政府的管理目标，应当选择一种适宜木材供应链追踪的物联网技术[8]，对物流领域常见的追踪技术对比，选用Atmel公司AT24C16芯片的IC卡作为木材供应链追踪卡。采用手持机将供应链各环节的核心信息、GPS时间、GPS定位信息写入IC卡，达到精细化管理的目的[9]。

2.1 MCU核心电路设计

选择AT89C2051作为手持机MCU (Micro Controller Unit)，采用AT89C2051的二次开发板，该开发板应用2片74HC138译码电路对MCU的IO口进行了扩展，支持了8×8矩阵英文键盘和ACM-1602LCD显示屏，因此无须进行键盘和显示电路的设计。参考厂商说明书，设计MCU核心电路（图1）。采用3 V低压，即两颗五号电池串联即可供电，方便携带，达到在野外长时间工作的目的。图1电路中RXD、TXD为串口通讯，用于连接GPS模块。ICPWA为IC卡电源开关，实现对IC卡的供电。SCL为IC卡芯片提供时钟，SDA实现和IC卡芯片的数据通讯。

图1 手持机MCU核心电路Fig.1 The MCU core circuit of the handheld device

2.2 GPS模块接口设计

GPS模块选择GARMIN 35-HVS，使用串口和MCU连接，串口通讯波特率为4 800 bps。支持NMEA-0183 格式输出，该格式为ASCII码字符串，易于MCU加工处理。该GPS模块输出的数据流中最重要的为“$GPRMC”数据帧，包含了时间、经纬度信息，格式如下：

$GPRMC,051236.265,A,2604.9102,N,11913.8326,E,02.31,180.13,120915,5.6,W,*5C＜CR＞＜LF＞

“$GPRMC,”为引导帧头，MCU捕获到该标识，则判断当前数据帧为定位信息，其它标识的数据帧则自动忽略。“051236.265,”为UTC时间，格式为“时时分分秒秒.秒小数”，换算为北京时间见公式（2），该数据项表明北京时间13点12分36.265秒；“A,”位置的字符表示定位状态，A定位成功，V定位失败；“2604.9102,N,”为纬度信息，N表示北纬，S表示南纬，该数据表示北纬 26°04.9102′；“11913.8326,E,”为经度信息，E表示东经，S表示西经，该数据表示东经119°13.8326′；“02.31,”为运动速度，单位为“节”，1节(knot)=1.852 km/h，该值在低速时不准确，可能是GPS信号飘移，所以数值较低时不采信；“180.13,”为运动方向角，在速度过低时不采信；“120915,”为UTC日期，格式为“日日月月年年”，即该数据表明当前日期为15年09月12日；“5.6,W,”为磁偏角，W为向西，E为向东；“*5C”为校验码，用于自检数据帧是否传递正确。“＜CR＞＜LF＞”为不可见字符，表示回车、换行，收到这个标识，说明“$GPRMC,”帧结束。

tb：北京时间；tu：UTC时间。

MCU对“$GPRMC,”帧头的识别方法是逐个从串口中断中采样单个字符，存入变量“C_lszf”，依次比对单个字符是否“$”、“G”、“P”、“R”、“M”、“C”、“,”，全部比对正确，则判断当前帧为定位信息。代码如下：

为了准确地记录写卡时间，还需要将UTC时间变换为北京时间，变换代码设计如下：

程序从“$GPRMC,”数据帧获得了日期、时间、经度、纬度4个关键数据，将做为写卡操作细节附在每个节点日志的尾部。

2.3 存储卡接口设计

AT24C16芯片的IC卡特性如下：（1）售价便宜，百张批发价仅1.2元/张；（2）支持1.8 V的低压，能够在户外工作时节省电力；（3）拥有2 048×8（16 kBit）的大容量存储空间，能存储2 k字符的供应链日志；（4）支持页面写入，具有较高的写卡效率，节省操作时间；（5）支持百万次写入，卡内数据能独立保存100 a，能够在温度范围（-25～70 ℃）工作，抗污损能力强，适宜野外环境。

因此AT24C16非常适宜存储木材供应链日志，其最大缺点是自身无逻辑加密功能，结构单一，无分区，仅能采用明文存储数据，需要额外开发加密技术。参考厂商说明书，设计接口电路见图2。

AT24C16可进行16 byte的页面写入方式，效率高于第1代产品AT24C01，MCU写完一个数据字节，无需按SCL时钟信号发出停止状态，可再传送15个数据字节。AT24C16每确认收到一个数据字节后，通过SDA回送一个ACK（确认应答信号）。MCU写完16 byte后，发出“停止”讯号终止操作。页面写入时序图见图3。

图2 IC卡接口电路Fig.2 The IC card interface circuit

图3 页面写入时序图Fig.3 The timing diagram for writing

3 基于MD5加密改良算法

在程序员论坛可以获得开源的51单片机的“MD5”C语言代码。MD5（Message Digest algorithm 5，消息摘要算法第5版），该算法可用于保护字符串信息。如果从原字符串计算获得了MD5的HASH（哈希值），字符串被篡改后，MD5计算值将会改变。所以可以判断原文是否被改动，所以本研究以MD5算法为基础设计了加密改良算法。

3.1 检尺员手持机操作

检尺员在手持机键盘录入的格式为“运输码单号#木材采伐证号#材积根数#车号”。英文键盘无法录入中文，所以按传统习惯定义树种和材种的代号如下：“杉木”-“S”，“马尾松木”-“M”，“杂木”-“Z”。“原木”-“Y”，“非规格材”-“F”，“小径材”-“X”，“根数”-“G”。例如，材积根数“SY13.36G42MF7.15G26”表示为“杉原木13.36m³根数42，松非规格材7.15 m³根数26”。车号中的汉字用字母代替，如“闽”-“M”、“浙”-“Z”、……。车号中夹杂的字母按原字母录入。

例如，检尺员录入运输码单的核心信息如下：“9273628#61981#SY13.36G42MF7.15G26#MG32639#350002”。MCU提取了GPS的日期、时间、位置信息后，自动在检尺员手工录入字符串尾部加上“#手持机编号#检尺日期#检尺时间#经度#纬度#密码字串#”。手持机编号和检尺员存在匹配关系，可用于对检尺失职追责，拼接后字符串为：

MD5计算该字符串HASH（哈希值）为：

为了避免被外人试出最后数据项是“MD5”值，需要继续变换，例如再做一次MD5计算，获得了“F584E31D2D247DAE80E67009B0AB0B18”。也可以把手持机编号作为密钥，MD5值和密钥作异或运算，变换方法必须保密，定期更换，以达到良好的加密效果，弥补AT24C系列芯片的先天不足。

在该案例中，检尺员手持机最后写入内容为：

3.2 检查站手持机操作

追踪卡随码单同行，当车辆途经木材运输检查站，停车接受复核，复核人员持手持机阅读IC卡原有信息后，可判断纸质码单的真伪，复核结束后，按如下格式，“复核结论#复核材积”，在键盘上输入复核结论。例如“FH1#SY13.37G42MF7.12G26”，其中“FH1”表示复核通过，该车辆可以继续前行；“FH0”表示复核不通过，该车辆必须返回重新检尺或接受罚款处理。手持机在复核人员录入信息的尾部自动附加“#手持机编号#复核日期#复核时间#经度#纬度#密码字串#”。在该案例中，手持机在IC卡尾部实际写入的内容为：

3.3 执法员手持机操作

当车辆在运输途中遇到林业执法巡逻车，接受执法检查，执法员持手持机阅读IC卡原有信息后，检查运输行为是否合法，然后按如下格式写卡，“执法结论#执法检查材积”，例如“ZF1#SY13.35G42MF7.19G26”， 其 中“ZF1”表示执法检查通过，该车辆可以继续前行；“ZF0”表示执法检查不通过，该码单作废，木材必须被暂扣。手持机在录入信息的尾部自动附加“#手持机编号#执法检查日期#执法检查时间#经度#纬度#密码字串#”。在该案例中，手持机在IC卡尾部实际写入的内容为：

3.4 其它环节的操作

供应链其它环节也可在IC卡尾部续写供应链日志。在以上案例中，检尺、复核、执法三个环节使用了349 Byte。而AT24C16可以存储2 kb的内容，因此可以存储多个环节的日志。

“追踪IC卡”到达木材加工企业，实现了对木材原料的身份标识。在加工过程中，木材加工企业用手持机或计算机读卡器扫描IC卡内容，存入数据库，按批次记录原料来源，通过IC卡上的采伐证号还可以进阶查询到林权号、林班号、检疫号，实现原料质量和来源合法性的溯源。

木材加工企业定期将购买合法原料获得的IC卡批量上交给当地林业局，林业局扫描IC卡记录的各材种的材积，按公式2累加为企业库存，抵扣木制成品的折材积，为理论合法库存。当理论合法库存远小于企业实际盘点库存，企业就有可能在原料中混入了非法木材。

至此“追踪IC卡”生命周期结束，IC卡存放1年后，可以清空内存，重新进入木材供应链，循环使用。

4 系统运行评价

手持机应用的场景见图4。覆盖了木材供应链的全程[10]。

图4 手持机应用场景Fig.4 Scenarios of the handheld device application

林区政府赋予检尺员在供应链源头监管木材来源合法性的权力[11-12]。然而在基层调研时，发现某些检尺员并未进入深山中现场检尺，而是收取红包后，按业主要求的数据预先填单，再由业主携单进入伐区安排运输任务，这样就容易出现低开多运的违法行为，也很容易把盗砍滥伐的木材“洗白”。林区政府还赋予检查站复核和林业执法员执法检查的权力。在实际生产中，也出现了个别权力寻租的腐败现象。所以监督检尺员、复核员、执法员是否尽责，一直是林区防腐倡廉的重要内容[13-14]。采用了本设计的监管机制后，因为手持机向IC卡中存储了检尺、复核、执法的手持机编号、GPS时间、GPS位置信息，所以对一线林业干部起到了监督作用。

目前木材码单有效运输范围仅在县内，出县运输前要更换为全国通用木材运输证[15]。传统办证员需要录入码单信息，操作慢。采用本设计后，因为码单核心信息都已存储IC卡中。所以读卡即可出运输证。减少了木材物流的停滞时间，提高了生产效率。

企业在加工时扫描原料IC卡后，也能了解木材来源、采伐日期、存储时间。根据原料特点，调整工艺，保证成品品质。IC卡上交给林业局后，也能增加企业的合法库存，便于政府对企业的生产行为实现监管。

目前木材供应链中的违法行为主要是利用了纸质码单容易伪造和篡改实现的[16]，违法者通常采用修改纸质码单运输日期、运输材积、运输车号的方法，来应对路上的检查，到达目的地时再改回原数据。采用本系统后，所有针对纸质码单的违法方法都将失效。在本设计中，每段日志的末尾都付有以MD5为基础的两道加密的密码字串，其特点是只要改了任何一个运输数值，就无法匹配原来的密码字串。因此违法者仅修改明文部分，而不知校验用密码字串的算法，即使篡改了IC卡的运输数据也无法生效。不同的日期、时间、位置、手持机编号生的MD5值不同，基于MD5 值的再加密的密码字串也不同，因此违法者也无法盗用其它IC卡的“执法检查通过”的结论。

5 结 论

本研究设计了一种适用于木材供应链的手持机，主要工作于“木材检尺”、“木材运输”、“检查站定点检查”、“巡逻执法检查”、“换运输证”、“贮木场管理”、“企业加工管理”等场景中，可加强木材供应链的管理。在福建省三明市将乐县试用，达到如下效益：

（1）加强政府对木材供应链的监管：记录了林业干部监管行为的时间、位置，起到监督作用，防止权力寻租。便于统计木材伐量、流向和流量。

（2）帮助企业对木材原料的追溯：便于企业了解原料来源和合法性，实现对产品质量的控制，有助于木制品顺利进入欧美市场。

（3）提高对林业物流服务质量：通过对码单信息的数字化和存储，提高了运输检查、换证的效率。

（4）具有较好的仿伪性：采用了基于MD5的二级加密方法，篡改和伪造追踪IC卡的难度大。

该设计完成了从林地至木制品的管理，在时机成熟的时候可向下游延伸，即涵盖木制品的加工环节和木制品流通环节。

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