基于嵌入式WebService的货架期预测智能RFID网络关键技术研究

摘要

基于传统标识技术的食品安全管理和溯源系统主要解决食品信息的可追溯性和源头控制等问题，无法实现食品（特别是冰鲜水产品）流通过程中的水产品货架期控制、品质状态预测与监管以及食品质量安全的全过程实时动态控制，也无法解决食品因在加工、物流、储藏过程中随着周围环境变化导致的食品质量下降关键因素控制问题。同时，基于传统私有通信协议的食品安全监控方式存在一定缺陷，无法满足水产品冷链物流过程对水产品品质实时监测、安全状态动态评估与预测网络的要求。
　　当前冷链水产品的货架期预测方法相对简单，对于流通中的水产品实时动态货架期无法获知，也无法实现对大批量、多品种的网络化、实时化预测，从而达到实时动态跟踪水产品安全状态，并根据实时监测数据去评估与智能预测水产品的品质状态。
　　针对以上不足以及水产品的智能预测和质量控制需求，本文构建了水产品货架期智能RFID预测IPv6网络系统，主要包括：水产品安全实时监测的智能RFID信息采集与安全状态评估节点网络，即智能RFID节点的IPv6网络构建、智能RFID节点与读写器的组网技术以及水产品预测IPv6网络系统的嵌入式Web Service架构技术。
　　本文首先研究了智能RFID节点的嵌入式IPv6网络构建技术。传统意义上食品安全溯源系统中用到的RIFD标签是一种无源标签，起到记录信息的作用，本身不具有实时信息采集和计算功能，也不能提供信息服务。智能RFID节点除具有RFID通信功能外，还具有影响食品品质的实时物流环境信息采集、实时品质状态计算和预测等智能化的功能。加上WSN应用越加广泛，而节点数目庞大难以控制等现象，以及与终端等设备实现端到端通信的迫切需要，都推动着IPv6技术与WSN的结合。为实现两者的结合，设计了货架期预测网络的节点IPv6地址、水产品IPv6数据包。因为智能RFID节点一般存在处理的能力低、内存有限、能量受限等缺陷，完整 IPv6网络协议无法在传感器节点上实现。本文选择对6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network)协议开展研究，设计了适用于水产品货架期预测网络的6LoWPAN适配层网状寻址头、完成其分片与重组和报头的压缩与解压缩。架构起货架期预测系统的UDP/IPv6协议栈，最终实现智能RFID节点的IPv6网络化。
　　其次探讨和实现了智能预测IPv6网络RFID节点与读写器组网技术。为了获取智能 RFID节点的地址等信息，也为了避免传统的点对点通信模式产生的信号冲突问题，读写器采用地址访问的方式实现与节点的信息交互。本文研究了在水产品货架期预测网络下的读写器与节点组网技术，包括货架期预测IPv6网络的RPL路由协议拓扑结构设计、上行路由和DODAG构造以及下行路由和目的地通告设计。
　　然后在架构水产品货架期预测智能RFID网络系统基础上，研究了RFID网络下的货架期预测及网络化服务的嵌入式Web Service体系架构。主要包括智能RFID节点和读写器的嵌入式Web Service的结构体系和实现方法。为此，本文对REST架构进行修改，设计适用于水产品货架期预测的RESTful Web Service，实现了节点的相关嵌入式Web Service。此外，设计了水产品预测IPv6网络资源标识和接口的Web Service，从而实现读写器终端监测管理智能节点的嵌入式Web Service。最终构建起整个系统的嵌入式Web服务体系。
　　最后本文搭建了水产品货架期预测IPv6网络，并对其进行测试分析。在实验室现有环境预测系统平台的条件下，添加6LoWPAN的无线网络IPv6协议栈功能，实现了具体的货架期预测实验系统，完成了对环境数据釆集、计算和货架期预测IPv6网络的数据上传，利用读写器访问IPv6网络智能RFID节点，实现水产品监测数据的实时显示。系统测试过程中，RFID预测智能装置能够稳定地采集水产品实时环境温度，计算剩余货架期，满足用户对于水产品的实时监测管理，智能RFID网络与终端网络连通性正常，完成了预期的设计目标，并且智能RFID装置和终端设备都能提供使用者便捷的Web Service。测试结果表明智能RFID网络转换成IPv6网络的可行性和准确性，嵌入式Web Service为水产品货架期预测增加了实时性和便捷性，对于食品溯源管理以及水产品品质保证具有很好的现实意义。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3论文研究目标与内容

1.4论文的章节结构

第二章 货架期预测系统（SPS）整体架构

2.1 货架期预测系统整体结构

2.2 货架期预测RFID节点IPv6网络化

2.3 水产品货架期预测系统嵌入式Web Service

第三章 SPS的RFID节点转换IPv6网络关键技术研究

3.1 货架期预测系统IPv6网络节点硬件设计

3.2 SPS智能RFID节点IPv6网络协议栈实现

3.3 SPS的智能RFID读写器根节点硬件设计

3.4 SPS的智能RFID读写器协议栈实现

3.5智能预测IPv6网络RFID节点与读写器组网技术

第四章 货架期预测系统嵌入式Web Service实现

4.1 SPS的IPv6网络RFID节点Web Service架构

4.2 智能预测RFID节点嵌入式Web Service实现

4.3 水产品预测装置嵌入式Web服务体系

4.4智能预测网络读写器的嵌入式Web Service实现

4.5 SPS的智能RFID读写器与智能节点的嵌入式Web服务体系

第五章 货架期预测系统搭建与测试分析

5.1 智能预测IPv6网络搭建

5.2货架期预测嵌入式IPv6网络连接测试及分析

5.3 智能IPv6网络装置数据采集及货架期预测测试及分析

5.4货架期预测系统嵌入式Web Service测试及分析

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2未来展望

参考文献

附录

附录一 攻读硕士学位期间的科研成果

致谢