一种基于RFID技术的食品安全溯源系统的制作方法

本实用新型属于食品安全技术领域，尤其涉及一种基于RFID技术的食品安全溯源系统。

背景技术：

近年来，食品安全引起了广大人民的密切关注。尤其是在多类食品安全事件的频繁发生后，人们开始意识到食品安全的重要性。同时，食品安全也引起了党中央与国务院的高度重视，始终将人民的身体健康与生命安全视为重中之重。由于目前食品链系统的发展越来越复杂，从食品生产到包装的程序极多，因此，食品的不安全因素也随之增加。这些过程导致了食品安全频繁的发生在消费者身边，使消费者对食品安全失去信心，严重影响了社会的稳定和消费者的健康。

食品安全研究人员将食品安全划分为数量安全、可持续安全和质量安全三个方面。其中最重要的是质量安全。食品质量安全主要是指在食品营养质量高，能够满足食用人群对营养的需求，并且保证食用者的健康。基于这些原因，当食品进入市场时，其所携带的食品标签起到了至关重要的作用。同时，相关部门也对食品标签的规范性做出了严格的规定。

食品溯源控制系统，也就是对食品安全的追踪和溯源系统，目前已称为食品管理部门或消费者对食品安全控制与监测的有效途径。但是，截止目前仍然没有一个国际权威性的定义来描述食品的可追溯性。

由于RFID技术现目前以及广泛应用于生产、运输、医疗、防伪等方面，但是在食品的而应用上发展及其缓慢，主要包括以下几个方面：

1.成本过高

基于RFID技术的标签不同于常用的条形码或者现如今新兴的二维码，其内部含有微小的集成电路。因此，相对于条形码或二维码，其制作成本高。若将RFID技术应用于低价格的商品上，生产者、销售者和消费者的成本都会升高。价格因素在很大方面决定了电子标签目前还不能被广泛应用于各种消费品上。

2.数据录入复杂

在食品行业中，其具有种类多样性、原辅料来源复杂性、短周期性级运输多样性等特点。若在每个过程中不断录入商品信息，势必会增加工人的工作量。单从这一方面，就对RFID技术的发展形成阻碍。并且在数据录入过程中，信息录入的准确性与工人的严谨性得不到有力地保障，这也使该技术的发展失去意义。

技术实现要素：

本实用新型为解决公知技术中存在的RFID技术成本高，数据录入复杂的问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的基于RFID技术的食品安全溯源系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

该基于RFID技术的食品安全溯源系统包括：

用于对数据进行运算和处理的MCU单元；

与MCU单元相连接，用于对运算数据进行显示的显示器；

与MCU单元相连接，用于产生语音提示信息的提示音单元；

与MCU单元双向连接，用于驱动读写器天线与应答机通信，实现读写、解码和写入的无线射频识别单元；

与无线射频识别单元双向连接，用于产生磁通量向无源标签提供能量并建立标签与读写器之间连接的天线；

与无线射频识别单元相连接，用于与读写器进行密码校验，对卡片进行读写操作的ID卡。

进一步，所述的无线射频识别单元由读卡器天线、电子标签、RFID控制器三部分组成，电子标签通过读卡器天线与RFID控制器相连接。

进一步，所述的提示音单元内部安装有蜂鸣器。

本实用新型根据食品编号追踪食品的产地、食品的生产日期即食品的保质期。可以提高生产者、经营者和消费者的组织结构，解决由于技术限制而造成的信息传递不及时的情况。同时，也可以加强以法制和道德约束为主的食品安全体系建设，确保信息的准确性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于RFID技术的食品安全溯源系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的单片机最小电路系统图；

图3是本实用新型实施例提供的MCU单元与显示器连接电路图；

图4是本实用新型实施例提供的天线的电路图；

图中：1、MCU单元；2、显示器；3、无线射频识别单元；4、提示音单元；5、ID卡；6、天线。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合图1至图4对本实用新型的结构作详细的描述。

MCU单元1采用的主控芯片为STC公司生产的STC89C52芯片，该芯片是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，俗称单片机。同时，该芯片具有8k在系统中可进行编程的Flash存储器。STC89C52单片机具有传统51单片机不具备的功能，但也兼容传统51单片机的所有功能。因为其具有8位CPU，所以可以在单芯片上进行灵活地编程。STC89C52单片机的最小电路系统如图2所示。该最小电路系统的结构主要包括了：复位电路、振荡电路和存储器选择电路。

STC89C52单片机具有以下特点：该单片机共拥有40个引脚数目：其中电源、复位电路、电源、接地和EA各占1个引脚；晶振电路占2个引脚；32个IO接口；2个悬空引脚。STC89C52单片机为8k bytes Flash片内程序存储器，256bytesde随机存储数据存储器(Random Access Memory,RAM),拥有32个外双向输入/输出接口(I/O)，5个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。

1.单片机供电电路：一般给STC89C52单片机供电的电源为5V，图2中VCC与GND为供电网络标识符。

2.晶振电路：采用24MHz的晶振作为STC89C52单片机的时钟源。

3.复位电路：为单片机正常运行的一个重要组成部分，复位电路应该保证单片机在通电的瞬间就进行一次有效地复位，在单片机正常工作时需将RST引脚接低电平。

按照STC89C52单片机的引脚功能可以分为四个方面进行介绍：

1.电源引脚

VCC(40):接5V电源正端；

GND(20):接5V电源正端。

2.外接晶振引脚

XTAL1(19)：在单片机的内部，XTAL1相当于一反向放大器的输入端。当与外部时钟进行连接时，对于不同的单片机，该引脚的接入方式不一样，如当与HMOS单片机连接时，则需接地；与CHMOS单片机连接时，其为外部信号的接入端。

XTAL2(18)：在单片机内部接内振荡器的反相放大器的输出端。该引脚与XTAL1(19)操作类似。当与HMOS连接时，为输入端；当与CHMOS连接时，只需悬空操作。

3.控制信号或与其它电源复用引脚

该类型的引脚总共有4种形式，分别为：RST、ALE、PSEN和EA。

1)RST(9)：即重置键。作用为单片机上的电复位端与掉电保护端。若单片机在震荡工作期间，该引脚可以帮助单片机复位到初始状态；当VCC出现故障，该引脚可以连接备用电源而保障单片机不断电，从而可以继续保存RAM中的数据。

2)ALE(30):当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低。

3)PSEN(29):该引脚为片外RAM的选通输出端，并且在低电平接入时才有效。在片外RAM从外部进行读取信号期间，该端在每个周期有两次有效，可以通过数据总线口读取指令信号。若是访问片外信号，则该端无信号出现。

4)EA(31):该端为访问外部RAM控制端，且仅在低电平接入时有效。当该端为高电平接入时，单片机访问内部RAM 4KB；若超过此范围，则该端自动访问外部RAM的程序。若该端一直保持低电平不变，则均访问外部程序存储器。

4.输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2和P3

1)P0(39-22):当芯片不接外部电路或者不进行扩展时，P0.0-P0.7可为准双向8位输入/输出接口。当片内含有EPROM单片机编程时，从P0输入指令字节，当检验程序时，则输出指令字节。

2)P1(1-8):P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于EPROM在进行编程或程序校验操作时，P1口将会接收输入信号的低8位地址。

3)P2(21-28):P2.0-P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。大概接有外部程序存储器或进行扩展时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程或进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

4)P3(10-17):P3.0-P3.7统称为P3口.该8个接口均为双功能口，不仅作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能如表1。

表1 P3口的功能表

综上：可将STC89C52单片机的引脚作用归纳为：

1)单片机功能多，引脚数少，因而大多引脚具有第2功能；

2)单片机对外呈3总线形式，且P2和P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

本实用新型中采用的显示器2为LCD12864液晶显示模块，该液晶屏显示模块具有20个引脚，其中包括8位双向数据线和6条控制线与电源线。

LCD12864液晶显示器2分为左右两屏，128个行像素点、64个列像素点，整个屏幕为128*64个像素点。对液晶显示器2的编程就是向DDRAM中写入数据。在进行写数据之前，需要先清除RAM，并且左右屏需分别清除。LCD12864的引脚功能表为表2

表2 LCD12864引脚功能表

LCD12864液晶显示器2采用的是带字库的屏幕，带中文字符的128*64屏可以显示4行8列的32个16*16点阵的汉字，每个显示随机存储器可显示1个中文字符或2个16*8点阵全高ASCII码字符的显示。带中文字库的内部拥有可以提供128*2字节的字符显示RAM缓冲区。字符的显示是通过编码写入随机存储器而实现的。根据写入内容的差异，可在液晶屏上显示中文字符、ASCII码与自定义内容。

LCD12864液晶显示屏的通信方式有两种：分别为串行通信和并行通信。由于并行通信传输数据速度快，LCD12864液晶显示屏与MCU的通信方式采用的并行通信。

显示器2有一个整体的片选信号“E”，只有当该信号为高电平时，所有的电路才会失去功能。另外左右半屏各有一个选择信号CS1与CS2，且各自为低电平时，分别选中左半屏和右半屏。为了区分读写的内容为数据还是指令，另外设置了一个数据/指令控制线D/I。根据这些原则设计出了接口电路如图3所示。

由于读写器芯片内具有寄存器，因此，MCU单元1可以通过对读写器内寄存器的读写来控制读写器芯片，并将信号传输至提示音单元4。当读写器收到来自于MCU单元1单片机发出的信号后，将会按照非接触式射频卡协议格式，通过与天线6和其它匹配电路发出固定频率的调制信号进行寻找。当寻找到此范围内ID卡5的存在时，ID卡5内的LC谐振电路(谐振电路的频率与读写器发出的频率一致)会在电磁波的激励下，产生共振。

当有ID卡5在读写器的有效工作范围内时，MCU单元1向卡片发出寻找信号，卡片将返回信息，建立ID卡5与读写器的首次联系，若在MCU单元1发出的频率范围内有多张ID卡5时，读写器将会启动其防冲撞机制，以保证操作的合法性。当这种情况出现时，读写器会根据卡片号选定其中一张卡片，选中的卡片会与读写器进行校验，而未被选中的仍旧处于闲置状态，等待下次MCU单元1发出的命令。在ID卡5与读写器进行密码校验成功后，便可以对卡片进行读写等应用操作。

RFID电子标签的信息传送方式为无线数据传输。其主要优点是可以进行数据处理，同时也可以进行安全验证。当与读写器连接时，RFID标签与读写器会启用双向验证机制。在进行数据处理前，标签需与读写器进行三次认证，并且所有过程均会进行加密保护。

无线射频识别单元3的关键为射频芯片，本实用新型中选用的芯片为MFRC522。MFRC522是一种可以应用在13.5MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片。是由NXP公司开发的一种低电压、低成本的微型非接触式读写芯片，是用于便携式手持设备的最佳选择。

MFRC522以先进的调制和解调概念为基础，集成了在13.5MHz下的所有类型的被动非接触式通信方式与通信协议。该芯片内部发送部分可驱动读写器天线与应答机通信等，而不需要其它设备的协助。接收器部分可以提高有效地解调与解码电路，用于处理接收端信号。数字部分处理ISO14443A帧和进行奇偶检测。该芯片可以支持更高速的非接触式通信，其双向数据传输率也非常高。MFRC522作为13.5MHz高集成度读写系列芯片中的一种，其与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求进行SPI、I2C或串行模式中的一种的选取，有利于减少连线数量，降低PCB板的体积，同时也可以压缩成本。

MFRC522可以与不同控制器芯片的接口相连，他拥有自动检测逻辑，因此可以启动自适应系统模式与其它接口相连。值得注意的是，MFRC522虽然支持不同的数字接口，且其接口形式具有多样化，所以，芯片在每次复位后都需要对外部引脚的连接关系进行重新检测。

天线6主要用于产生磁通量，天线6的作用即为向无源标签提供能量并建立标签与读写器之间的连接。13.56MHz射频天线及匹配电路共有三个组成部分：线圈、LC谐振电路和EMC滤波电路。天线6的设计中，保证其产生一个强的电磁场是设计天线6的一个基本条件。其目的是使卡片可以通过天线6为自身供电。同时，必须有足够的通带来传送信号也为天线6输出能量的一个验证标准。

天线6的谐振频率公式为式(3.1)：

其中，f为谐振频率，L为天线6等效电感，C为等效电容。本论文中，天线6的工作频率为13.5MHz，若天线6等效电感L过高，则C就应该变小。环形天线6电感计算公式为：

公式(3.2)中，I1为环形天线6一周的长度，D1为导线的直径，K为天线6的形状因素。N1为线圈的圈数，P为和线圈结构相关的系数。天线6品质因素Q的计算公式如下：

Q可以用来评价回路的输出效率，它的值越大，那么能力输出效率就越高。若Q值过高，则会使通带变窄，副载波频率处的能量福多过小，进而会影响调制信号的发送。

图4为天线6及滤波的匹配电路。在发送部分，引脚TX1与TX2上发送的信号有包络信号调制的13.5MHz载波能量，经过L0与C0组成的EMC滤波电路及C1、C2和Rq组成的匹配电路来驱动天线6。在接收部分，R2与C4保证RX引脚的直流输入电压，R1和C3调整RX引脚的交流输入电压。

将产品ID卡5分别放在感应区，当放上ID卡5后，LCD液晶屏将分别显示商品的名称、编号、出厂、与保质期等信息。可以正确的显示出标签中的产品信息，达到预期的设计目标。

表3产品性能表

可以看到系统的工作电压为3.3V，工作电流为5.0V，系统功耗较低，综合来讲，系统具有良好的可靠性、不易损坏，使用与维修方便，同时，其成本较小，具有较高性价比。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。