CN104135524A - 一种智能rfid水产品货架期预测装置的溯源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，所述智能RFID水产品货架期预测装置由前置节点网络和读写器端组成，所述的读写器端与前置节点通过构建协议栈实现网络建立链接后，用户可以通过扫描操作，获取前置节点的IPv6地址，从而生成前置节点的IPv6的地址列表，建立IP通道，第三方或客户端通过Internet登陆水产品查询和管理的Web，就可以查看想要了解的信息。

Description

一种智能RFID水产品货架期预测装置的溯源管理方法

技术领域

本发明涉及一种智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，具体地说，是属于环境监测技术、嵌入式技术、无线射频收发技术以及Web服务技术的应用领域。应用在水产品的整个流通过程中，能够实时动态地检测评估和预测水产品的安全状态。

 

背景技术

RFID 技术是一项利用射频信号进行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。随着科学技术的进步，RFID 已涉及到人们日常生活的各个方面，被广泛应用于工业自动化、商业自动化、物品管理、防伪标签等领域。但现有的RFID读写器还存在着如下的一些缺陷：一是有的RFID读写器采用接收节点的射频信号获取相应的数据信息，但是没有设计节点的嵌入式UDP/IP协议，未能实现嵌入式系统连接成网络使用，方便数据以Web服务方式获取以及对于突发事件的及时处理；二是有的RFID读写器与前置节点信息交互采用点对点的通讯模式，可以便捷的获取节点的当前温度、时间、产品名称、剩余货架期等信息，但是难保证高效率和避免数据的碰撞问题；三是一些读写器能够及时的读取节点采集的相关信息，节点也将信息进行存储，但是未能在前置节点和读写器端架构起嵌入式的UDP/IP协议，使得数据独立、预测迅捷、管理完善，从而使得读写器端与前端以及与第三方程序能够通过地址访问的形式进行信息交互，便于用户的实时查询、监测，对于真正的溯源管理起到很大的技术支撑。

当前很多货架期指示器采用串口与上位机进行通信，温度传感器采集信息，微处理器将采集的数据存储到扩展存储模块，当需要这些数据时，便可利用串口将数据传输至上位机，但是没有采用嵌入式Web服务的管理模式。

当前产品安全管理主要提倡以条码和RFID标签为核心的产品安全溯源管理技术主要解决产品信息的可追溯性和源头控制等问题，无法解决产品因在加工、流通、储藏过程中随着周围环境变化导致的产品质量下降而引发的产品安全问题。产品链中各环节监控要素不同导致传统基于私有通信协议的产品安全监控网络无法满足具有分布式、异构特性的产品安全监控网络的需求。

 

发明内容

本发明的目的在于突破当前读写器的点对点的读写模式和未能跟前端节点建立其通讯网络的局限，使得所有的信息查询、监测以及管理都以Web Service的方式进行，从而实现第三方应用程序、溯源系统、管理系统和监督、用户通过发送请求，可以通过读写器实时查询、监测、管理水产品的流通过程。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，由智能RFID前置网络节点和智能RFID读写器端组成的水产品实施预测系统的工作方法。其特征在于：智能货架期预测网络RFID读写器与前置节点网络通过构建协议栈建立网络链接，前置节点中嵌入了UDP/IPv6协议，架构起装置的整体Web服务，第三方或者客户端以Web服务的方式发出请求获取IP地址，建立IP通道即可查看先要了解的信息。所述的协议栈的构建主要是LoWPAN适配层功能的实现、IPv6协议的裁剪和读写器端的根节点的RPL路由协议的构建。所述的读写器端的根节点发送广播命令能够和前置节点组网成功建立IP网络连接。

    本发明优点在于：

1.基于IP协议便于对产品生产、流通环节中的大量设备进行统一编址管理，不仅具有很好的规模可扩展性，同时，基于IP的产品安全智能设备与传统信息基础设施具有很好的互通性。

2.相对传统读写器、标签及后端网络之间的私有专用协议，基于开放Web Service的服务接口有助于来自不同厂家、地区食品安全智能设备间的交互，有助于摆脱因信息技术给物流与分销所带来的束缚。

 3.由于Web Service接口的标准化及更好的开放性、可扩展与可管理性，便于新型标签或读取器的开发、研制及软件升级。同时，鉴于IP与Web Service协议的成熟性，使其使用、开发的培训费用也会大大降低。

4.通过扩展传统产品溯源信息系统，在与产品（特别是水产品）加工、流通相关的“基础设施”标签中植入基于嵌入式Web Service的数据采集功能与智能专家系统，达到丰富溯源系统的信息及提高其智能性的目的。

5.本发明支持产品安全环境数据连续采集、紧急事件报警使用户能对产品的安全状态做出正确的判断；通过片上Web Service技术，使得设备访问的接口标准化，便于监测设备的升级、扩展与维护，摆脱由于监测设备功能与软件升级带来的软件同步束缚，解决在大地理范围内、多部门、多厂家大量设备异步软件更新的问题。

6.本发明有效克服传统产品溯源系统信息单一及缺乏智能性等问题，属于物联网在产品安全领域应用的新探索，为之后的研究提供新的思路。

附图说明

附图1是智能RFID水产品货架期预测装置的组成和结构框图。

附图2是读写器端与前置节点网络建立网络链接的协议栈架构框图。

附图3是智能RFID水产品货架期预测装置的工作流程图。

附图4嵌入式Web Service的智能货架期预测网络RFID读写器与前后端的Web服务整体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

图1为嵌入式Web Service的智能RFID水产品货架期预测装置的组成和结构框图。如图所示，本装置主要由节点网络和读写器端组成，要想实现智能货架期预测网络需要设计专属的RFID智能节点以及在节点上嵌入UDP/IP协议栈，组成IP网络，创建前置节点网络。为了能够让智能节点接入Internet，智能节点需要实现UDP/IP网络协议栈。为了构建支持Web Service访问的产品安全监测物联网智能RFID节点，需要将UDP/IP协议栈简化到智能RFID节点，通过RFID提供UDP/IP网络服务。 在此基础上研究针对已经运行UDP/IP协议栈的智能RFID节点构建定制的Web Service服务，实现智能RFID节点与读写器端的组网，从而完成对Web Service的访问。此过程完成两个关键点：A.利用contiki系统下拥有的6LoWPAN协议，节点内置了IP协议栈以及UDP的传输协议，从而实现了节点的UDP/IP协议栈的架构，组成前置的节点网络；B.在IPv6基础之上，智能节点中运行CoAP服务器，其它设备的应用层协议仅需要实现CoAP Client功能即可访问智能节点，例如通过Windows操作系统 Internet Explorer应用程序即可。或者采用其它开发语言提供的WEB Client开发包即可轻松实现对智能节点的访问。读写器端发送CoAP协议命令，可以以Web服务的方式获取前置节点网络任意节点的信息。

如图1所示，读写器端的组成和结构主要由读写器通信模块、控制器模块、充放电管理模块、电源模块和用户操作界面模块组成。控制器模块控制其他各个的模块正常工作。读写器通信模块主要芯片选用的是CC2530，它是一款内部集成MCU和RF，具有256KB Flash和8KB SRAM，可实现6LoWPAN和CoAP的芯片。同时，通过对节点嵌入IPv6协议栈以及根节点利用RPL路由协议发送广播命令，从而实现基于IP网络的智能节点和读写器与前置节点网络连接，读写器与节点网络的信息交互都以Web Service的方式呈现。电源模块选用3.7V/5000mA的锂电池为其他模块提供电源，充放电管理模块选用的是MCP73831芯片对电源模块进行充放电管理以及保护，以保证电源模块能够持续的为各个模块提供电源，从而保障整个装置的持久的正常运行。读写器端与前置节点网络建立链接后，用户可以通过扫描操作，获取前置节点的IPv6地址，从而生成前置节点的IPv6的地址列表；用户可以进行获取/设置实时信息操作，获取/设置任意节点的温度、时间、货架期等实时信息；用户可以进行获取/设置历史信息操作，获取/设置任意节点的温度、时间、货架期等历史信息；用户还可以进行上传信息操作，将获取的信息通过WiFi/GPRS传至云服务网络，为第三方应用程序、溯源管理系统和客户提供便捷，接入Internet即可查询、监测和管理水产品的各个环节，保障水产品的品质安全。

    图2为读写器端与前置节点网络建立网络链接的协议栈架构框图，整体来看协议栈的构建主要是LoWPAN适配层功能实现、IPv6协议的裁剪和读写器端的根节点的RPL路由协议的构建。其中，LoWPAN适配层的功能实现主要是分为头部压缩、链路层的分片和重组、组播支持、MAC层路由以及网络拓扑构建和地址分配；IPv6 协议裁剪保留了配置 IPv6 地址，封装 IPv6 报头，根据目的地址选择下一跳地址，分析和处理接收到的报文，对超过 IPv6 最大传输单元的报文进行分片和重组的功能。对IPv6协议的裁剪具体做法是将一些非关键性字段和可选字段移出报头，置于 IPv6 报头之后的扩展包头中；去掉对 IPv6 扩展头部的处理，这样既可以减小协议栈大小，同时简化了报文处理，达到降低功耗的效果；去掉分片扩展头部的处理，同时保证传输的报文大小小于 IPv6 最小的 MTU；最后，去掉目的地扩展头部处理，减少传感器节点的数据传输，从而能有效的节省电量。

读写器端的根节点的RPL路由协议是一个基于IPv6 的距离矢量路由协议。它通过一个目标函数和一些路由代价及路由约束建立一个目标导向的有向无环图DODAG。每个DODAG 中的节点( 根节点除外) 会选择一个父节点作为沿着DODAG 向上的默认路由。目标函数通过路由代价和约束来选择一条最优的路径。一个节点上可以有好多种不同的目标函数，因为同一个节点可以部署到不同的环境中去。有的应用环境要求用期望传输次数ETX作为路由代价，有的应用环境需要用延迟作为路由代价。当一个RPL 节点获得一个IPv6 地址后( 通过DHCPv6 动态获得或者静态指定) ，会通过和周围的节点交换3种ICMPv6 消息( DIS，DIO 和DAO) 以选择自己父节点来加入一个目标导向的有向无环图。

DODAG的构建是基于邻居发现协议来完成的，由DODAG根节点广播DIO控制信息给前置节点，让这些前置节点加入网络，以此实现读写器与前置节点的网络链接。 

在构建一个新的DODAG时，DODAG根节点通过发出DIO信息，其中包含了自己的DODAG标识号、rank级别信息和路由目标功能信息，其中路由功能信息由可选字段域的DIO配置位来规定。当DIO信息被后续链路上节点接受后，节点会自主的决定是否加入网络和是否更新自己的信息。

当节点决定加入DODAG时，该节点会进行以下操作：1)将发送DIO信息的节点地址加入到自己的父节点列表中；2)根据网络指定的路由目标功能，计算自己的rank值，通常节点的rank值要小于它的父节点的rank值；3)对DIO中的rank信息进行更新。节点会根据父节点列表中的信息，选择最合适的父节点来进行数据的传输。

如果节点已经存在于一个DODAG中，当接收到DIO信息时，会出现3种情况：1)根据RPL规定的准则，丢弃收到的DIO信息；2)根据接收到的信息，保留自己在DODAG中的位置不变；3)根据路由功能目标中给出的条件，改变自己在网络中的位置，当节点改变自己rank值时，必须丢弃掉父节点列表中所有大于自己新的rank值的节点，以防止出现路由环路。在节点成功加入DODAG网络中后，那么一条由节点通往DODAG根节点的向上的链路就成功建立起来了，并且这条链路上的所有父节点都是节点默认的最优父节点。

如果在DIO信息实体域的MOP标志位为1，表明此时网络支持向下的路由链路，并且整个网络需要对这些链路做出维护。在这种情况下，每一个前置节点都需要发送出单播的DAO信息，以此来记录反向的路由链路信息。当数据从前置节点传送到DODAG根节点时，沿途经过的路由器节点都会将信息存储到DAO中，以便建立完整链路。

根节点通过RPL路由协议向外发送广播命令，以便前置节点接收到广播信息，进行根节点与前置节点的组网。至此将进入建立IPv6的网络连接。

图3为嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置的工作流程图。如图所示，嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置开始时处于接收状态，一旦接收到指令，就可以对水产品的品种和装置的IPv6地址、时间以及货架期进行初始化设置，同时，可以修改设置邮政编码，在第一次修改邮政编码时，可以和初始化的信息数据包一并存储。用户可以选择读取当前信息或者历史信息：当前信息主要是装置的IPv6地址、品种、时间、邮编、温度和货架期，历史信息主要是依次的数据包中的历史数据。同时，节点网络中前置节点和读写器端的根节点进行组网，通过Web Service的方式将实时信息和历史信息发送至读写器端，此外，读写器可以通过GPRS或者WiFi将实时信息和历史信息上传至云服务网络，以便水产品的溯源管理。

本发明要实现读写器与前置节点建立网络链接，所有的信息获取、查询、设置等都是以Web Service的方式进行，从而构建起读写器与前端节点网络和后端云服务网络的整体Web服务，如图4嵌入式Web Service的智能货架期预测网络RFID读写器与前后端的Web服务整体框图所示：嵌入式Web Service的智能货架期预测网络RFID读写器与节点网络建立网络链接的Web服务层主要是前置节点网络和读写器端的协议栈构建，具体体现在6LoWPAN功能以及IPv6协议裁剪的实现，并且读写器端的根节点发送广播命令，能够和前置节点组网成功；节点网络与读写器应用的Web服务层分为两类Web服务，一类是前置装置的数据采集、数据融合和数据存储存储的Web Service，另一类是读写器端的数据显示、数据处理的Web Service；节点网络与读写器应用显示的Web服务层提供完整的Web Service，主要是显示水产品品种的Web服务、采集温度显示的Web服务、剩余货架期计算的Web服务、显示当前日期的Web服务、显示邮政编码的Web服务、数据存储的Web服务、根节点IP显示的Web服务、前置节点网络IPv6地址列表显示的Web服务、获取节点网络当前信息的Web服务、获取节点网络历史信息的Web服务、第三方应用程序或溯源系统或管理系统和监督或用户发送命令查询水产品的当前和历史信息的Web服务、发送命令监测水产品的当前和历史信息的Web服务、发送命令管理水产品的当前和历史信息的Web服务。全方位的Web服务使得信息的交互更加便捷化、更加多样化、更加准确化，对于水产品的各个环节的溯源给予强有力的技术支撑。

基于Web Service的智能货架期预测网络的RFID读写器的货架期预测装置底层通信协议采用UDP/IP ，所有联网设备皆可通过读写器端对其进行直接访问。货架期预测装置通过Web服务向客户提供当前剩余货架期等信息，所有实现CoAP协议的客户即可获取。

读写器通过根节点散发广播信号，前置节点帧听到信号后自动组网，生成一个路由表，根据路由表获知前置节点的IPv6地址，读写器端根据IPv6地址可以访问任一节点，获取相应的信息。客户端程序以Web Service 的方式向读写器端发出请求，读取剩余货架期、历史信息等数据，最终通过读写器直接与前置节点网络进行通信。客户端程序请求读写器端获取数据必须获取其IP 地址。

在读写器与前置节点网络建立IP连接后，此预测网络的RFID读写器可以向智能节点发送初始化、读当前、读历史、改邮编等指令。读写器发送或者接收的数据包一般包括：节点的ID、水产品品种、时间、邮政编码、温度、货架期等信息。

读写器发送指令时，根据不同的指令，数据包所代表的含义也不同。此读写器切换收发状态时间很短，在数据收发完毕后都会切换到空闲模式，都能有效地节约功耗。并且此装置采用的是有源标签，能够主动式自发的发送实时信息，从而来实时监控水产品的整个冷链流通过程。

第三方或者客户端或者后端以Web服务的方式向指示器发出请求要查看信息时，例如要查看某种水产品在某个时间的温度或者货架期，在此之前必须先获取网络的IP地址，从而建立IP通道，第三方或者客户端通过Internet登陆水产品查询和管理的Web，就可以查看想要了解的信息。当然，此读写器还可以有很好的溯源效果，只要获取前置节点网络的IPv6地址，第三方应用程序或者客户端能够发送命令给读写器，然后可以直接访问前置节点网络，获取实时和历史信息。同时，也可发送命令设置前置节点网络中的任意节点的参数。溯源管理者请求获取自己想要的信息时会很便捷、很准确，并且一些突发状况寻找事件的源头也提供了强有力的技术支持。此发明避免了读写器与节点之间的通信信道共享和访问冲突问题，大大地提高了信息传送的效率和准确性，而且，数据信息以Web服务的方式呈现显得很直观明了，很大程度上起到真正产品溯源管理的作用。

Claims (3)

1.一种智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，其特征在于：智能货架期预测网络RFID读写器与前置节点网络通过构建协议栈建立网络链接，前置节点中嵌入了UDP/IPv6协议，架构起装置的整体Web服务，第三方或者客户端以Web服务的方式发出请求获取IP地址，建立IP通道即可查看先要了解的信息。

2.如权利要求1所述的智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，其特征在于：所述的协议栈的构建主要是LoWPAN适配层功能的实现、IPv6协议的裁剪和读写器端的根节点的RPL路由协议的构建。

3.如权利要求1智能RFID水产品货架期预测装置对于网络安全的溯源管理方法，其特征在于：所述的读写器端的根节点发送广播命令能够和前置节点组网成功建立IP网络连接。