一种嵌入式Web Service的智能RFID水产品货架期预测装置

摘要

本发明涉及一套可以实时预测水产品温度、剩余货架期信息的嵌入式WebService的智能RFID货架期预测装置，所述的装置主要用于为水产品温度、剩余货架期信息提供实时预测。嵌入式WebService的智能RFID货架期预测装置由前置节点和读写器端组成，所述读写器端由8051内核为核心的主控电路，以及RFID通信模块、控制器模块、充放电管理模块、电源模块、传感器模块、时钟模块、液晶模块、按键模块组成，所述的控制器模块控制各个模块的正常运行。所述的嵌入式WebService的智能RFID货架期预测装置通过完成其节点网络协议栈的构建实现节点网络和Internet互联，使得节点组成基于IP的节点网络，从而实现装置的采集数据独立、预测迅捷、管理完善。

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式Web Service的智能RFID水产品货架期预测装置具体地说，是涉及水产品安全监控领域，主要应用在水产品流通过程中，作为水产品的监控装置，对水产品的安全进行全程实时动态监测、安全状态评估与预测。

 

背景技术

现有的冷链食品安全监测领域的大多数产品多使用的是无源RFID标签，虽然其成本低，但是识别距离有限、数据存储空间小，识读率低，一般只起到标识信息的作用；缺少主动预警，动态监控等功能。文献Taoukis PS,Labuza TP.Applicability of Time-temperature Indicators as Shelf Life Monitor of Food Products中提出将有源RFID技术应用到嵌入式设备中，在信息的记录和追踪基础上实现食品安全风险实时监测、评估与预测，但其智能化程度有限，仅包括对食品个体及相关设施的标识技术，通信方式是点对点的通信模式，在同时读写大量标签数据时，容易发生信号冲突问题，致使有些数据无法及时读取和传输。

中国专利公开号CN101714224 A，公开日2010年5月26日，发明创造名称电子式南美白对虾货架期预测专家系统，该申请公开了有源标签采用多传感器采集水产品相关信息，并通过相应的水产品货架期预测算法计算出水产品的剩余货架期，然后由液晶屏显示当前温度、货架期、以及由日历时钟模块提供的时间，并将这些数据存储到扩展存储模块，当需要这些数据时，便可按RS232 串口将数据传输至上位机。但是未能提出在IPv6技术基础之上构建嵌入式Web Service技术，通过将节点的功能以Web服务的方式向用户提供，方便用户快捷地获取实时信息。

现有的食品安全管理设备通信方式是点对点的通信模式，在同时读写大量标签数据时，容易发生信号冲突问题，致使有些数据无法及时读取和传输。信息的获取依赖于读写器的读取，不利于信息管理自动化与效率的提高。

基于读取器、标签及后端网络之间的私有专用协议，冷链食品安全监管系统呈现多平台共存，互不兼容，数据不能有效共享、管理和维护困难，食品涉及流转时，多套系统数据很难实现统一的标准和接口，从而很难统一开放标准地实现食品跟踪和追溯。

现有的节点没有构建嵌入式的UDP/IP协议，使得数据独立、预测迅捷、管理完善，同时，嵌入式的IP网络没有应用于水产品流通的各个环节，并且没有给Internet网络设备提供Web Service，使得信息的获取不是很便捷，同时，也不利于水产品的历史信息查询，对水产品的溯源管理带来局限。

 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种嵌入式Web Service的智能RFID水产品货架期预测装置，通过RFID智能水产品预测装置在冷链各环节完整记录食品安全质量的相关信息，读写器接收该类信息进行必要的信息处理，提供开放式的统一接口，通过调用此类接口，便于特定功能的第三方应用程序的应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：设计一种嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置，涉及接入Internet网络的上位机，该预测装置包括读写器端和前置节点，所述前置节点中嵌入了UDP/IPv6协议栈，组成IP网络，创建前置节点网络，所述前置节点与读写器端通过构建网络协议栈实现节点网络和Internet互联，使得节点组成基于IP的节点网络，从而实现装置的采集数据独立、预测迅捷、管理完善的特点。

所述嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置的节点网络协议栈，能够实现智能RFID节点网络与Internet之间的数据交互，从而为用户提供web服务来完成食品安全物联网的监控管理。

 

本发明优点在于：

1、本发明提出了一种基于冷链食品安全实时监测物联网装置，它能按需服务于冷链食品的加工、运输、冷藏、销售等环节的，全面感知和记录过程中水产品的状态信息，实现对生产过程各环节的自动化、智能化的安全监控；且由本发明的基于web service的冷链水产品的物联网云服务方法，可通过各种物联网终端实时全面感知或者采集冷链过程中水产品的质量信息，web服务为其它的分布式的节点网络提供数据服务，数据集成等功能，智能节点产生的实时监测数据通过WEB请求的方式提交给网络。第三方的应用程序直接通过读写器获取各节点的数据。一个典型的第三方应用程序是食品安全溯源系统，当发生食品质量安全事故时，通过食品信息编号请求web服务，获取该食品从生产到最终消费产生的所有有关数据，通过分析返回结果中的异常数据确定事故发生的源头。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。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、开发的费用也会大大降低。

2、本发明有效克服传统食品溯源系统信息单一及缺乏智能性等问题, 属于物联网在食品安全领域应用的新探索，研究成果不仅有利于促进食品安全监测技术的进步、对安全实时监测、状态评估与预测研究提供有力支持，同时也将对其它领域的物联网技术研究有重要的借鉴意义。

附图说明

附图1是本发明的组成和结构框图。

附图2是本发明的节点网络协议栈构建框图。

附图3节点网络与读写器建立IPv6网络链接的流程图。

附图4是本发明的整体Web服务框图。    

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为嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置的节点网络协议栈构建框图。为了实现智能化的RFID食品安全网络web服务，本发明实现了智能RFID节点网络与Internet之间的数据交互，从而为用户提供web服务来完成食品安全物联网的监控管理。本发明所构建的协议栈的6LoWPAN适配层的头部压缩采用的是LoWPAN_HC2方式，用来压缩UDP和ICMP；6LoWPAN适配层的分片与重组主要是对IPv6数据包进行透明的链路层分片和重组；6LoWPAN适配层的组播支持主要是利用广播的范洪机制实现IP组播功能；6LoWPAN适配层的MAC层路由本发明主要是采用RPL路由协议来实现根节点与前置节点组网；IEEE 802.15.4 规定了无线传感器网络的物理层和数据链路层。物理层和数据链路层并不负责网络拓扑建立和拓扑结构维护的工作。维护拓扑结构的工作让6LoWPAN适配层来完成。另外，基于 6LoWPAN 的无线传感器网络中的每个传感节点都具有 64 位的 IEEE 地址标识符，一般的 6LoWPAN 网络节点存储能力十分受限，而且节点的部署是大范围的，若直接采用 64 位地址将占用报文长度，降低传输效率。本发明采用IEEE分配的EUI-64地址作为智能RFID货架期预测装置的ID号，节点的CC2530芯片出厂分配一个唯一的64位的地址，在此地址前添加64位的前缀，共同组成节点的128位的IPv6地址。

本发明的协议栈构建中，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。

如图3为节点网络与读写器建立IPv6网络链接的流程图,如图所示，读写器端的根节点发送广播命令，前置节点一旦接收到广播信号，主动的与根节点组网。没有接收到广播信号会继续帧听，直到帧听到广播信号与根节点组网为止。前置节点与根节点组网后或生成一个路由表，路由表中有所有前置节点的信息，最主要的是前置节点的IPv6地址。获取到前置节点的IPv6地址后，读写器根据前置节点的IPv6地址进行节点扫描，扫描出所有的节点，扫描到的节点就跟读写器建立了IPv6的网络连接。

图4为嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置的整体Web服务框图。智能RFID货架期预测装置构建网络的Web服务层主要是节点网络的协议栈构建，具体体现在6LoWPAN功能以及IPv6协议裁剪的实现；智能RFID货架期预测装置应用的Web服务层主要是数据采集、数据融合和数据存储的Web Service；智能RFID货架期预测装置应用显示的Web服务层能够提供全方位的Web Service，主要是显示水产品品种的Web服务，通过温度传感器，然后显示实时温度的Web服务，根据采集的实时温度和剩余货架期预测算法计算出水产品剩余货架期的Web服务，显示当前时间的Web服务，显示水产品的邮编的Web服务以及将数据进行存储的Web服务，以便查看历史信息，为之后的水产品溯源提供信息保障。

本发明实现了在节点中嵌入UDP/IPv6协议，为嵌入式Web Service的智能RFID货架期预测装置做技术支撑，架构起装置的整体Web服务。