基于WSN和RFID的稻米溯源系统设计*

苗凤娟，芦晓旭，陶佰睿

(1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学教务处，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

当前，农产品在生产、储运、加工和销售等环节存在的质量安全隐患问题越来越受到人们关注.特别是通过电子商务渠道销售的农产品，因为消费者和生产者之间的买卖通过网络实现，产品质量出现问题后容易引起纠纷，所以限制了农产品电子商务的快速发展[1-2].为此，笔者以稻米生产和销售全产业链条溯源为例，拟设计一个基于WSN和RFID技术的稻米溯源系统，从农产品的生产源头开始，到农产品所经工序、环节均可查询，从而约束生产者不依标生产的行为、打消人们对食品安全的顾虑.

1 系统方案设计

图1 稻米溯源系统的总体设计Fig. 1 Overal Design of Rice Traceability System

稻米的生产加工过程比其他粮食作物复杂.影响稻米品质的因素是多重的，因此要严格遵守规定标准来监测稻米的培育、生产、加工、运输和销售环节，确保万无一失[3-4].稻米溯源系统的设计基于北方的农业环境，以齐齐哈尔地区的稻田为例.稻米溯源系统的核心功能是让消费者通过手机读取稻米的编码，便捷地获取溯源信息.稻米溯源系统总体设计方案如图1所示.

种植环节中，监控稻米的生长环境，通过传感器采集稻米的生长数据.存储环节中，入库前读取RFID编码以获取稻米数据，确保配送袋编码与检测指标一致；入库后利用WSN技术监控环境；出库时将具体流向等配送信息关联到RFID标签里，建立消费信息与配送信息的关联.加工环节中，从稻米抵达加工厂进行检测到产品出库配送的过程中的信息数据，以RFID技术为载体来实现稻米信息的追溯.运输环节中，控制温湿度，避免稻米变质.封箱/袋的稻米贴有RFID标签，运输场所配备RFID标签读写器，用来读取外包装上的标签信息.销售环节中，商家将商品销售信息写入RFID标签中，在退货和商品召回时可根据RFID标签的内容追溯全过程.

2 系统硬件设计

2.1 终端节点电路设计

终端节点的作用是感知、采集并处理外界物理量，其电路设计至关重要.终端节点电路如图2所示.传感器与终端节点相连，通过终端节点可以完成信息采集.

图2 终端节点电路Fig. 2 Endpoint Circuit Diagram

2.2 协调器电路设计

协调器担负着建立和管理网络的责任，保证系统正常工作.将采集到的传感器数据通过路由节点传到协调器并进行数据汇总，再通过串口与上位机连接.协调器主要由CC2530芯片，以及稳压电路、复位电路、供电状态指示电路和USB转串口电路等外围电路组成.协调器的电路原理如图3所示.

图3 协调器电路Fig. 3 Coordinator Circuit Diagram

2.3 路由器电路设计

在网络中，路由节点的作用是转发和扩大通信的距离.与终端节点不同的是，路由节点没有传感器接口电路和蜂鸣器报警电路，但是有核心板接口、开关和复位按键.路由节点的电路原理如图4所示.

图4 路由模块电路Fig. 4 Routing Module Circuit Diagram

2.4 接口电路设计

2.4.1 空气温湿度传感器 DHT11的供电电压为3～5.5 V.在电源引脚之间加1个100 μF的电容用以去耦滤波.DHT11的外围电路(图5)由DHT11和1个10 kΩ电阻组成.DHT11采集当前环境的参数并以数字信号传输，传感器直接连接CC2530，实现温湿度的数据采集和传送.

2.4.2 水温传感器 DS18B20通过偏上温度测量技术进行温度测量.DS18B20电路如图6所示，1，3脚接电源，2脚为数据信号线，可直接连接ZigBee节点，测量稻田水温是否在最优范围内.

图5 DHT11电路Fig. 5 DHT11 Circuit Diagram

图6 DS18B20温度传感器电路Fig. 6 DS18B20 Temperature Sensor Circuit Diagram

2.4.3 土壤湿度传感器 土壤湿度传感器用于稻米育苗时检测土壤的湿度情况，将湿度信息传送至ZigBee节点.当湿度过低时系统启动补水灌溉设备；当土壤湿度达到一定数值时，关闭补水灌溉设备.土壤湿度传感器电路如图7所示.LM393是一个双电压比较器，可以比较2，3引脚的电压，1引脚根据结果输出0或1.通过调节滑动变阻器VR来改变2引脚的电压，达到设置土壤湿度阈值的目的.

图7 土壤湿度传感器电路Fig. 7 Soil Moisture Sensor Circuit Diagram

2.4.4 酸碱pH值传感器 这个部分由pH值检测采集传感器模块和E-201-C型号的pH值电极组成.pH值电极电路如图8所示.pH值检测采集传感器模块所检测的液体pH值范围大，模拟电压信号串口输出，响应时间短.使用该模块前，要通过通信测试、pH值测试和pH值校正后，才能获取正确的pH值.

图8 pH值电极电路Fig. 8 pH Electrode Circuit Diagram

3 系统软件设计

3.1 WSN网络拓扑设计

组网时采用分簇自组网的方式.分簇网络由多个簇团组成，每个簇团都有1个汇聚节点，簇团间采用叉双链的通信方式.将监控范围分区，各区看成一个簇，各簇中都有簇首节点来上传信息.稻米溯源网络地块数量多，可将每个地块看作是一个簇.WSN网络拓扑如图9所示.该网络具有自组织和自恢复功能，可保证数据的可靠性和稳定性，且功耗低.

图9 WSN网络拓扑Fig. 9 WSN Network Topology Design

3.2 协议栈设计

协议栈是协议的实现，是代码、函数库，供上层应用调用[5].整个ZStack的程序流程分为关闭所有中断、芯片外部初始化、芯片内部初始化、初始化操作系统、打开所有中断和执行操作系统6步.

3.3 数据采集节点程序设计

数据采集节点主要采集空气温湿度、水温、土壤湿度和pH值.传感器数据采集程序流程如图10所示.

图10 传感器数据采集程序流程Fig. 10 Flow Chart of Sensor Data Acquisition Program

3.4 协调器数据的发送与接收程序设计

协调器负责将传感器节点采集的数据回传至电脑端显示.协调器数据的发送与接收程序流程如图11所示.

图11 协调器数据发送与接收程序流程Fig. 11 Flow Chart of Data Transmission and Acceptance of Coordinator Send and Receive Program

3.5 RFID溯源程序设计

在页面上实现RFID读写命令，需将 RFID的读写操作制作成一个用户控件.在用户控件中调用RFID读写器驱动程序中的API方法，然后使用这个用户控件.RFID读写程序流程如图12所示.

图12 RFID读写程序流程Fig. 12 Flow Chart of RFID Reading and Writing Program

4 系统调试

传感器与终端节点连接后通过协调器回传，将采集的数据在串口上显示.打开串口调试助手，选择好波特率，即可显示环境数据.RFID模块调试采用单片机最小系统模块控制RFID的读卡动作并处理数据，最小系统再与ZigBee模块连接，然后让ZigBee模块通过协调器与电脑进行数据交换，即可将录入信息显示在上位机.RFID模块的程序使用Keil软件编写.经测试，各模块的各种功能基本达到预期的要求.

5 结语

针对人们日益关心的食品安全问题，选取稻米为研究对象，综合运用WSN和RFID技术设计并实现了稻米溯源系统.随着政府越来越重视农产品质量安全问题，与溯源有关的法律法规会越来越完善，有关部门在农产品溯源系统方面的投入也会越来越多.同时，随着各个农产品溯源系统试点的运营时间不断增加，各地农业部门积累的经验会越来越多.相信在不久的将来，通过覆盖面积广、平台统一的农产品溯源系统，一定可以提升企业品牌影响力和产品市场竞争力，增加消费者的购买动机和消费信心.