NB-IoT+云检测环境下的肉制品原产地可信溯源系统设计与实现

李 静

(陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000)

肉制品原产地溯源技术能够最大程度降低肉制品产地信息被假冒和篡改的可能性,解决肉制品生产者与肉制品消费者之间的信息不对称问题。当前肉制品原产地溯源体系最常用的技术有:(1)包装防伪技术,缺点在于当部分肉制品包装仿制程度超过70%时,消费者基本丧失自行区分真伪的能力[1];(2)RFID识别防伪技术,缺点在于读写标准不统一且检测条件要求较高、商品附加成本过高等[2];(3)二维码防伪标识技术,终端上传数据较容易泄漏进而面临被伪造风险。

针对肉制品可信溯源环节中二维码防伪标识技术容易出现数据泄漏和被伪造的问题,本试验设计了一种NB-IoT+云检测+RSA算法环境下的肉制品原产地可信溯源系统,以期通过NB-IoT网络降低肉制品原产地可信溯源系统的接入成本,增强系统溯源准确性;通过云检测增强溯源系统数据传输过程的安全性,保证产地信息不被泄漏;通过优化后的 RSA算法,大幅提高系统运算性能;最终推进肉制品合法经营者与消费者信任机制的建立。

1 系统设计

1.1 总体架构

1.1.1 系统硬件筹备

为搭建肉制品原产地可信溯源系统,系统硬件筹备情况如表1所示。

表1 肉制品原产地可信溯源系统硬件系统筹备

1.1.2 系统总体架构与工作流程

基于NB-IoT+云检测+RSA算法环境下的肉制品原产地可信溯源系统总体架构与工作流程见图1。

肉制品加工或销售企业通过传感系统将肉制品生产和产品数据录入溯源电子称;溯源电子秤将肉制品追溯码保存在唯一的二维码中并进行标签打印;溯源电子秤利用改进后的RSA算法对肉制品定位数据、产品数据、追溯码等进行加密后通过窄带物联网(NB-IoT)发送至云服务器;检测系统根据NB-IoT发送来的数据信息与数据库中的录入信息进行比对,将比对后的检测结果(产品合格、无数据、产地不符等)保存到数据库中;消费者利用手机的扫码功能,可以直接获取二维码信息或登陆网站进行真伪检定结果获取[3～6]。

1.2 硬件设计与实现

由图1系统总体架构可知,系统运行所需硬件设备主要包括:移动扫码设备(手机)、溯源电子秤、云服务器、数据库等。其中,手机、云服务器、数据库等硬件设备均使用现有既定设备,用以增强系统整体普适性,仅将溯源电子称的硬件设计作为本次肉制品原产地可信溯源系统设计最主要的工具设计环节[7]。溯源电子秤主要硬件结构见图2。

如图2所示,溯源电子秤硬件结构主要包括7大模块,对应使用的硬件设备见表1所示。与一般溯源系统不同,本试验采用了中国电信窄带物联网(NB-IoT),肉制品原产地无需额外布置移动网络或无线网络,通过溯源电子秤即可实现数据传输。与传统的 GPRS/4G网络技术相比,窄带物联网技术具有成本更低、功耗更低但是可覆盖范围和适应性更强等有点[8]。

1.3 软件设计与实现

肉制品原产地可信溯源系统系统主要包括:(1)溯源电子秤驱动,采用C++语言在以KeiluVision 5环境下进行代码编写;(2)云检测程序,采用C语言在Visual Studio 2019环境下进行开发;(3)检测网站,利用 C++、html语言在.NET框架下进行编写;(4)数据库程序,利用 MySQL server 8.0.20进行编写。

1.3.1 溯源电子秤驱动

溯源电子称驱动的工作流程见图3。

溯源电子秤主要负责对肉制品原产地的定位数据、产品数据以及追溯码等进行采集并发送至云服务器。系统各模块如串口、液晶屏、打印机等完成初始化以后,通信模块对系统是否与基站完成连接进行查询并利用注册指令进行系统注册;与通信基站建立通信后,溯源电子秤驱动对企业信息、商品信息等的更新情况进行查询,如需要进行系统更新则进入更新数据环节,不需要则进入定位获取流程;定位模块通过串口将GPRM数据发送到芯片进行是否有效分析,定位有效情况下用户可根据键盘对不同数据进行操作;用户完成数据录入并点击上传按钮后,系统对肉制品多项信息进行整合加密并利用NB-IoT分别发送至条码打印机和通信模块;当系统云获通过通信模块获取数据后发送数据回包,程序完成接收后清空系统缓存保证系统安全性。

1.3.2 云检测程序

云检测程序的工作流程见图4。

溯源电子秤数据信息末尾包含肉制品所述企业对应的KEY值,系统云检测程序主要负责对这一KEY值进行企业代码匹配对比,假设对比不正确则这一数据直接舍弃;程序在提取 GPS数据后,会与肉制品生产或经营企业数据库中的肉制品产地坐标范围进行比对,得到正确或错误的产地范围对比结果,检测完成后将所得数据进行保存;数据库模块能够对肉制品溯源中的一系列数据进行增删改查。

1.3.3 其他

检测网站主要实现功能有:(1)商品信息展示,消费者进行二维码扫描以后网站自动获取追溯码,将调取结果呈现给消费者;(2)访问次数检测,记录消费者二维码扫描次数供消费者进行参考[9]。

数据库主要负责对肉制品可信溯源系统所有数据提供增删改查服务,根据不同的管理层级为肉制品生产者、物流销售环节、监管部门提供不同的数据处理权限。

1.4 RSA算法改进优化

RSA算法是当前加密算法中应用范围较广的对称加密体制之一,但由于该算法仅能用于对数字明文进行处理,因此试验在进行系统构建过程中需要对RSA算法进行改进优化。肉制品原产地信息加密与解密算法如式(1)、(2)所示:

式中,K表示需要进行加密的肉制品原产地明文数据;J表示加密后的明文;a表示私钥;b表示密钥;n为模长[10]。

为增强肉制品原产地可信溯源系统的安全性,密钥长度一般选择尽量大,但是当前编程环境下的数据长度极限一般只有64位,为实现大数的计算和保存将大数看成n进制的数字。由于本试验系统设计使用芯片为32位,因此,将大数n设置为232进制的数据,最终得到式(3)优化以后的大数表达方法:

其中,Num表示大数;n为大数在232进制下的位数;L为数组形式下的大数。

2 测试结果与分析

2.1 测试方法

系统测试主要包括2方面:(1)性能测试,主要对构建系统的通信性能、定位性能和加密性能进行测试,具体测试指标见表2所示;(2)实地测试,系统于2020年1月进行实地测试,测试地点选择陕西工业职业技术学院(以下简称“学院”,坐标:E116.417236,N39.858513),试验对象为陕西秦宝牧业发展有限公司生产的秦宝牛肉系列,原产地宝鸡市秦川牛生物技术工程中心(以下简称“中心”,坐标:E116.3595,N39.919173)。本试验测试所部署3台溯源电子秤条件如表2所示。

表2 溯源电子秤实验条件

2.2 性能测试

2.2.1 通信性能

通信性能测试结果见表3。由表中数据可知,可信溯源系统在终端信号强度除-100 dBm情况外通信成功率基本达到99.8%且并未出现太大波动;可以预见,当信号强度低于-100 dBm情况下,系统会因为通信信号质量差而产生延迟和丢包现象。根据这一测试结果可知,系统通信延迟和成功率达到了系统设计优秀程度的需求;信号强度低于-100 dBm情况下,用户需要切换网络运营商或更换其他信号更好的溯源地点。

2.2.2 定位性能

定位性能测试结果见图5。由图可知,系统维度误差值明显低于系统经度误差值,经系统模拟评估,构建的肉制品原产地可信溯源系统定位平均维度误差值与经度误差值分别为:0.49 m、3.37 m;最大定位误差不超过9 m,平均误差4.95 m。根据测试结果,本试验搭建的肉制品原产地可信溯源系统能够将原产地坐标范围向外扩展r=9 m以覆盖更为广阔的位置。

表3 溯源系统通信性能测试结果

2.2.3 加密性能

加密性能测试结果见表4。由表中数据可知,不同加密算法所具备的优劣势各有不同,算法Ⅰ为幂模转乘模算法,在128～1 024位加密检测条件下最低计算时间为23.0982 s,超过20

s耗时最低要求,无法满足实际使用需求,算法ⅡSMM算法的问题与其相似[11～12];算法ⅢBR算法能够大幅缩短加密解密耗时,基本达到毫秒级运算效率;在使用改进后的算法ⅣRSA算法后,组合加密算法在BR算法的基础上仍能降低超过一半的运算时间(平均约58%),大幅提高了运算性能,能够满足实际设计需要。

2.3 实地测试

实地测试结果见表5。由表中数据可知,溯源电子秤实际检测成功率基本均超过99%(最低99.33%)。3组实验电子称主要差异在于二维码扫描后所呈现的结果。由于Ⅰ组电子称处于原产地宝鸡市秦川牛生物技术工程中心,且使用了加密后的算法,因此,检测结果显示产品合格;Ⅱ组电子称虽处于原产地,但是未使用加密后的算法,因此,在系统数据传输中被丢弃,故显示无数据;Ⅲ组电子称使用了加密后的算法,数据未被丢弃但是由于不处于原产地,因而显示产地不符。通过对陕西秦宝牧业发展有限公司生产的秦宝牛肉系列进行真实可信溯源检测,认为设计完成的系统整体功能运行正常,溯源检测成功率超过99%,能够针对肉制品原产地信息进行有效溯源并防止产品数据信息被篡改、仿制和泄漏。

表4 不同加密算法耗时对比

表5 实地测试结果

3 结论与讨论

试验结果表明:(1)设计的可信溯源系统在终端信号强度-50 d Bm、-60 d Bm、-70 dBm、-80 dBm、-90 dBm条件下的通信成功率分别为100%、99.8%、100%、100%、99.8%,除-100 d Bm条件下通信成功率基本超过99.8%且并未出现太大波动,系统通信延迟和成功率达到了系统设计优秀程度的需求;(2)构建的肉制品原产地可信溯源系统定位平均维度误差值与经度误差值分别为:0.49 m、3.37 m,最大定位误差不超过9 m,平均误差4.95 m,能够为系统用户提供定位拓展半径约9 m左右;(3)使用改进后的RSA加密算法后,系统在128位至 1 024位条件下的系统最长加密时间为0.1038 s,实现了 ms级别运算;(4)系统实地溯源检测成功率超过99%,能够准确反映3种检测结果,系统可信度高,能够有效防止产品数据信息被篡改、仿制和泄漏。

与一般类似系统相比,基于NB-IoT+云检测环境下的肉制品原产地可信溯源系统在数据可信度、安全性和用户使用附加成本上具有明显优势:一般溯源系统多采用肉制品产地信息数据直接录入形式,消费者无法通过二维码对这一数据信息进行验证,单纯的文本信息并不能有效解决消费者实际问题。本试验设计的肉制品原产地可信溯源系统采用扫码定位方式,帮助消费者通过扫码或网页登陆直接获取肉制品原产地的准确坐标定位,从而达到肉制品产地检定目的。同时,坐标定位显示结果一目了然,可信度更高。

系统终端获取数据为消费者进行肉制品产地溯源的最终判断依据,因此,这一数据的泄漏和篡改对于肉制品合法经营者和消费者而言具有极大的误导性。本试验创新性使用了优化后的RSA算法,在大幅提升系统加密运行效率的同时,有效提升了数据传输过程中的安全性,保证了溯源系统终端获取数据的正确率。

溯源系统采用NB-IoT为主要的通信手段,一方面大幅降低了肉制品经营人员使用溯源系统时的附加成本,省去了额外布置网络环节;另一方面实现了打开电源即可接入网络的“傻瓜式”使用,有效降低了农户使用溯源系统的复杂程度,对于提升肉制品经营者的使用欲望有较高的促进作用。