专利名称：物联网数据采集及传输装置及管理方法
技术领域：
本发明涉及RFID技术领域的物联网数据采集及传输装置，特别涉及一种用于了解食品的发展趋势，提供与质量安全管理计划相关的各种食品信息渠道，如实验结果、安全质量证书、环境监测数据、配料和添加剂等的食品物联网数据采集及传输装置。
背景技术：
近年来，随着我国经济的发展和农业技术的推广，蔬果农产品的供给格局发生了根本性的变化，不仅品种丰富而且数量充足，然而与此同时，由于我国农产品生产、经营的基础设施比较薄弱，环境污染问题严重，农药滥用得不到有效管理，导致农产品的农药残留和污染形势严峻；“民以食为天，食以安为先”，农产品安全已成为当前世界各国共同关注的一个焦点问题，建立和实施完善的可追溯蔬果物流体系是当务之急。零售商或消费者手中的食品很可能来自世界各地，并且经常需要辗转许多公司才到达，这种复杂性必然使食品的质量和安全保障面临巨大的挑战。面对这种挑战，有效的食品安全与质量保障计划非常必要，它必须能够实现对食品来源及在运送过程中经历的变化及时、准确的了解，即实现对整个供应链的追溯。对此，传统的供应链管理可以说是无能为力，而基于网络的电子溯源跟踪系统则凭借其强大的溯源能力，在启动后可以看到食品的 “生命历程”，并且能够一直追溯到来源，因而可以实现对整个供应链的有效追溯。而这种供应链的追溯能力通常是指存在于供应链每一个环节中的终端与终端间的透明程度。电子追溯系统由于可以使终端之间的工作透明化，因而能够确保消费者购买产品的质量与安全， 即使遇到问题也能够迅速而准确的做出反应。因此，一种新的可以一直追溯到来源，同时保证实现对整个供应链的有效追溯的、 可以使各终端之间的工作透明化的发明势在必行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是传统的货物管理包括货架管理是不连续而且有些是混乱的，有很多手工操作所造成的信息辗转与流失，根本无法实现对整个供应链数据的完整闭合式追溯，并由此而引发了一系列问题，例如货源记录不完整、质量事故问责不清、质量监管易出纰漏等问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种物联网数据采集及传输装置以及对应的管理方法，其提供一种一直追溯到来源，同时保证实现对整个供应链有效追溯的、可以使各终端之间的工作透明化的物联网数据采集及传输装置，尤其是一种食品物联网数据采集及传输装置。即以食品的物联网数据采集及传输装置为例，本发明的目的是开发一种能够让食品生产及流通信息在操作过程中即时更新，并能让用户通过它了解食品的发展趋势，提供了解与质量安全管理计划相关的各种食品信息渠道，如实验结果、安全质量证书、环境监测数据、配料和添加剂等等的电子跟踪装置。
本发明要解决的是食品的质量和安全保障问题。由于零售商或消费者手中的食品很可能来自世界各地，并且经常需要辗转许多公司才到达，所以食品的质量和安全保障面临巨大挑战。为了解决上述问题，我们发明了食品物联网数据采集及传输装置。该装置包括电子标签、读写器、便携式读写器和主服务器四部分。该系统首先把数据库里的食品信息由主机服务器通过食品追溯管理系统软件进行一定的信息处理，然后将携带有商品价格等内容的信息通过以太网(以及其他通信接口)无线或有线发送到前端的读写器设备中；接着，读写器设备通过无线方式将载有食品产地、营养价值、以及食品库存信息等重要内容的信号发送到布设在超市或食品仓库等货架上的电子标签上，电子标签通过无线方式接收读写器发来的信号并解析还原，然后将食品信息通过液晶屏显示出来。该装置采用的电子标签是一种终端信息显示设备，它由2. 4GHz无线收发模块(内置PCB天线)、高频激励模块、LCD显示及控制模块以及电池四部分组成。它能够让食品生产及流通信息在操作过程中即时更新，并能让用户通过它了解食品的发展趋势；该装置采用的读写器是负责计算机主服务器与电子标签之间的数据转发，它由2. 4GHz无线收发模块、 控制模块、WI FI模块及天线四部分组成；该装置采用的便携式读写器基于STR710FZ2T6微处理器和CC2500射频收发芯片，能对频率为2. 4GHz的超高频标签进行读写。可由操作人员随身携带，自动完成对附近区域电子标签的信息采集，然后通过无线通信线路将标签的标识ID发送到数据库服务器，最后数据库服务器将详细资料通过无线通信线路回传至读写器，也可在安全性控制下对该区域内指定电子标签的数据写入；该装置的主服务器主要分为应用系统、数据通信模块、前端设备通信模块三个部分。它负责读取后台数据库信息， 运行各种与食品产地、包装质量、价格等相关的服务软件，负责对食品仓储管理系统中的设备进行远程配置、管理等工作。即一种物联网数据采集及传输装置，其特征在于，其至少包括电子标签、读写器、便携式读写器和主服务器四部分。所述电子标签包括无线收发模块、高频激励模块、IXD显示及控制模块以及电池四部分。所述LCD显示及控制模块中的控制模块由微控制器和晶振构成。所述读写器由无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成，所述天线采用的是2. 4GHz的杆状天线。所述便携式读写器采用WINCE的操作系统，内部集成无线传输模块，由无线收发模块、一维/ 二维条形码扫描器、控制模块及电源模块组成。所述便携式读写器包括控制模块，射频传输模块、WI FI模块及用户显示和输入模块四部分。一种货品的管理方法，其特征在于，其包括主服务器，负责读取后台数据库信息，运行各种与货品产地、包装质量、价格等相关的服务软件，负责对货品仓储管理系统中的设备进行远程配置、管理工作；电子标签，作为一种终端信息显示设备；读写器，负责计算机主服务器与电子标签之间的数据转发；以及，便携式读写器，电子标签与读写器实现绑定与解绑定功能，方便操作人员随时随地对货场的任何货品进行查验，并随时更改出错的信息。所述电子标签包括无线收发模块、高频激励模块、IXD显示及控制模块以及电池四部分；所述IXD显示及控制模块中的控制模块由微控制器和晶振构成。所述读写器由无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成，所述天线采用的是2. 4GHz的杆状天线。所述便携式读写器采用WINCE的操作系统，内部集成无线传输模块，其包括控制模块，射频传输模块、WIFI模块及用户显示和输入模块四部分。本发明的有益效果是方便、性能好，能够让食品生产及流通信息在操作过程中即时更新，并能让用户通过它了解货品、食品的发展趋势，提供了解与质量安全管理计划相关的各种食品信息渠道，有利于货物流程化管理，以及相关质量、时效等方面的监管，大大改善了目前的货物管理体系。
通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、 具体结构特征和优点。其中，附图为图1是本发明物联网数据采集及传输装置的整体框架示意图；图2是本发明的物联网数据采集及传输装置的终端电子标签组成框架示意图；图3是本发明的物联网数据采集及传输装置的读写器组成框架示意图；图4是本发明的手持读写器组成框架示意具体实施例方式本发明是应用在食品生产车间、农场，销售卖场、超市以及货物仓储等方面的物联网数据采集及传输装置及对应的管理方法，是在对现有的生产资料及货物管理状态以及物联网数据采集及传输装置缺点的基础上做出的重大改进，具有非常重要的实践意义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-4及实施对本发明作进一步的详细描述。如图所示，本发明以食品的货架管理为例进行说明，其他的相关货物的管理与此相类同的，皆在本发明的保护范围之内，本发明中不另做解释。本发明物联网数据采集及传输装置采用电子标签作为一种终端信息显示设备，它由2. 4GHz无线收发模块(内置PCB天线)、高频激励模块、IXD显示及控制模块以及电池四部分组成。其中控制模块由微控制器和晶振构成，负责控制整个系统工作，微控制器采用的是TI公司的芯片MSP430CG4芯片具有16位超低功耗MCU, 92KB ROM,8KB RAM、12位ADC、 双DAC、DMA、3个运算放大器和160段IXD，结合芯片内部的显示驱动，还可以完成电子标签的显示功能；射频收发芯片采用的是TI公司的芯片CC2500，该芯片具有2501ApS的数据传输率，其接收灵敏度达_99dBm，在芯片输出端使用的是自制PCB天线，使发射功率能保持在 Ocffim。在一个20引脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、I/Q调制、I/Q解调、 多频道切换、异步通信接口等，可接单片机串口直接使用进行程序录入，广泛应用于无线数传产品设计；电池采用的是松下CRM50型号的锂电池，电池容量550mAh@3V，由于我们对电子标签使用分时隙的工作模式，并结合CSMA-CA的防冲突协议算法，使电子标签每隔20秒自动唤醒一次，并向外搜索读写器发送的信息，每一次接收信息时间不超过450ms，这样我们的电子标签是在一种较低能耗的模式下工作，在不更换电池的基础上可以连续工作3年以上。所述物联网数据采集及传输装置采用的读写器是负责计算机主服务器与电子标签之间的数据转发，它由2. 4GHz无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成。其中控制模块采用的是TI公司的ARM9处理芯片LM3S9781，该芯片具有32-bit ARM Cortex-M3、128KB single-cycle flash up to 50Mhz、64KB single-cycle SRAM等性能，夕卜部扩展RAM和FLASH存储器以便于运行嵌入式操作系统，通过JTAG接口与PC连通进行程序录入，通过USB接口连接无线网卡，用于与PC终端通讯。无线收发模块采用的是TI公司的芯片CC2500，WIFI模块是集成的腾达公司TWL54U无线网卡，天线采用的是2. 4GHz的杆状天线。通过与主服务器连接的路由器分配给读写器的WIFI模块固定的IP地址，每一个读写器通过无线收发模块同时可以连接200个电子标签(电子标签在安装前通过手持读写器与对应的读写器绑定)，这样就形成了一个网状网络，主服务器通过网状网下发的数据再通过各读写器就能到达对应的电子标签。在200个电子标签共同与同一个读写器进行通信时，我们开发的CSMA-CA协议就起作用了，在各个时机里同时响应的电子标签只有一个的场合下才能得到这个电子标签的正常数据。信息读取之后读写器对于这个电子标签发送在一定的时间内不再响应的睡眠的指令(Sleep/Mute)使之在休眠，避免再次向应。另外在各个时机内同时由几个电子标签响应，判别为“冲突”。在这种情况下，内存内的另外两位数所记录的次数批量，重复初始批次号开始的处理。我们这种搭载有防碰撞(防冲撞)功能的 RFID系统中，为了只读一个标签，需几经调整次数批量反复读取进行检索。所以，一次性读取具有一定数量的标签的情况下，所有的标签都被读到为止其速度是不同的，一次性读取的标签数目越多，完成读取所需时间要比单纯计算所需的时间越长。所有的电子标签都完成响应之后，读写器向他们发送唤醒的指令(Wake Up)，从而完成对所有电子标签的信息读取。所述物联网数据采集及传输装置采用的手持/便携式读写器基于STR710FZ2T6微处理器和CC2500射频收发芯片，能对频率为2. 4GHz的超高频标签进行读写。它由控制模块，射频传输模块、WIF I模块及用户显示和输入模块四部分。控制模块功能与数据管理系统软件进行通信，并执行动作指令；控制与射频标签的通信过程；信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器与标签之间的数据进行加密解密；进行读写器与标签之间的身份验证、绑定及解绑定。控制模块硬件部分之系统板基于STR710FZ2T6处理器芯片，外部扩展 RAM和FLASH存储器以便于运行嵌入式操作系统，通过USB接口连接无线网卡，用于与PC终端通讯。处理器系统使用3个晶振，其中16M和48M有源晶振信号分别作为STR芯片的主时钟和USB时钟，31的振荡器用于提供实时时钟信号。处理器芯片采用STR710FZ2T6芯片，片选/CSO和/CSl信号分别选通外部扩展的FLASH和RAM地址段，使用了芯片的USB、 JTAG接口和U2串口。BOOT模式用于配置启动模式(决定系统复位时从何处引导，可以选择片内Flash、RAM、片外存储器)。射频传输模块功能产生高频发射能量，激活射频标签并为其提供能量(提供13. 56MHz的高频信号对电子标签进行激活绑定)；对发射信号进行调制，用于将数据传输给射频标签；接收并解调来自射频标签的无线电信号。无线传输部分仍采用CC2500，单片无线收发一体的芯片，在一个20脚的芯片中包括高频接收、PLL合成、I/Q 调制、I/Q解调、多频道切换、异步通信接口等，是目前集成度较高的无线数传产品之一。可以直接接单片机串口使用，这是有些RF收发芯片所不具备的特点，可广泛应用于无线数传产品设计。读写器进行数据采集时，首先初始化屏幕，然后等待按键中断，当有键按下时，根据键值执行相应工作；当在指定时间内没有键按下时，系统则进入休眠状态，从而达到省电的目的。当成功采集到射频标签的信息后，应用程序将标签信息(包括标签ID、标签状态等)通过LCD显示给用户，并将标签ID通过无线数据传输模块发送到数据库服务器，数据库服务器检索到该ID对应的详细信息后，又通过无线数据传输模块将详细信息回传给读写器，最后在LCD上显示出来。为了保证数据传输速度与数据的正确性，可以将数据分块传输。在数据传输时，根据数据流的特点，在分块的数据中添加块校验，这样可以及时的发现错误，并反馈错误信息。读写器接收到分块的数据并计算校验后，将数据存放在读写器中， 并判断数据是否接收完毕。为了提高读写器工作效率，可以将校验过的数据即时显示，而不必等到数据全部接收完毕。所述物联网数据采集及传输装置采用的主服务器负责读取后台数据库信息，运行各种与食品产地、包装质量、价格等相关的服务软件，负责对食品仓储管理系统中的设备进行远程配置、管理等工作。整个系统软件主要分为应用系统、数据通信模块、前端设备通信模块三个部分。应用系统提供软件功能界面，数据通信模块获取食品信息和食品状态更新， 前端设备通信模块完成应用系统和读写器、电子标签、手持读写器等之间的通信。数据通信模块将各种食品的信息数据库存入数据库信息处理平台，该信息平台能对任一食品信息进行修改、查询及删除命令。然后信息平台通过远程通信平台无线将信息发送给各个读写器， 读写器再将对应的信息发送至各个电子标签，反之整个通路也是可以实现的，各个电子标签检测或者上报的信息通过整个通路也能发送至信息处理平台。前端设备通信模块先将定义好的各种通信接口进行调用，对前端各设备间进行协议绑定。S卩，一种能够让食品生产及流通信息在操作过程中即时更新，并能让用户通过它了解食品的发展趋势，提供了解与质量安全管理计划相关的各种食品信息渠道，如实验结果、安全质量证书、环境监测数据、配料和添加剂等等的电子跟踪装置——食品追溯货架管理系统。其特征在于该系统包括电子标签、读写器、便携式读写器和主服务器四部分。该系统首先把数据库里的食品信息由主机服务器通过食品追溯货架管理系统软件进行一定的信息处理，然后将携带有商品价格等内容的信息通过以太网(或其他通信接口)无线或有线发送到前端的读写器设备中；接着，读写器设备通过无线方式将载有食品产地、营养价值、以及食品库存信息等重要内容的信号发送到布设在超市或食品仓库等货架上的电子标签上，电子标签通过无线方式接收读写器发来的信号并解析还原，然后将食品信息通过液晶屏显示出来。该系统的电子标签由2. 4GHz无线收发模块、高频激励模块、IXD显示控制模块及电池四部分组成，其中控制模块采用的是TI公司的芯片MSP430CG4617，该芯片具有16位超低功耗MCU，92KB ROM,8KB RAM、12位ADC、双DAC、DMA、3个运算放大器和160段LCD ；射频收发芯片采用的是TI公司的芯片CC2500，该芯片具有2501ApS的数据传输率，其接收灵敏度达-99dBm;读写器由2. 4GHz无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成，其中控制模块采用的是TI公司的ARM9处理芯片LM3S9781，该芯片具有32-bit ARM Cortex -M3, 128KB single-cycle flash up to 50Mhz、64KB single-cycle SRAM 等性能；无线收发模块采用的是TI公司的芯片CC2500，天线采用的是2. 4GHz的杆状天线；手持式读写器采用的是WINCE的操作系统，内部集成无线传输模块，可以随时随地对电子标签进行信息更新及绑定。主服务器负责读取后台数据库信息，运行各种与食品产地、包装质量、价格等相关的服务软件，负责对食品仓储管理系统中的设备进行远程配置、管理等工作。RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，信息存储容量大、种类多等特点。 电子标签还能自动显示食品库存量，方便商家清点和核对。标签的规格及功能均可按商家要求定制，为连锁超市和各种食品仓库提供个性化解决方案。所述食品追溯货架管理系统的读写器通过天线接收和传输信息，通过2. 4GHz传输模块与电子标签进行数据收发，由于2. 4GHz频率具有良好的穿透特性，因此并不要求电子标签在读卡器视野范围内，加上数据处理快的特点，大多数无线读写器能够同时收集到天线范围内的大量电子标签数据。所述食品追溯货架管理系统的便携式读写器负责现场读取电子标签的数据信息， 它由无线收发模块、一维/ 二维条形码扫描器、控制模块及电源模块组成。能使电子标签与读写器实现绑定与解绑定功能，还可以方便操作人员随时随地对货场的任何食品进行查验，并可以随时更改出错的信息。所述食品追溯货架管理系统的主服务器负责读取后台数据库信息，运行各种与食品产地、包装质量、价格等相关的服务软件，负责对食品仓储管理系统中的设备进行远程配
置、管理等工作。上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不背离本发明的精神或范围。因此，本发明并不限于这里示出的实施例，而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。
权利要求
1.一种物联网数据采集及传输装置，其特征在于，其至少包括电子标签、读写器、便携式读写器和主服务器四部分。
2.如权利要求1所述的物联网数据采集及传输装置，其特征在于，所述电子标签包括无线收发模块、高频激励模块、IXD显示及控制模块以及电池四部分。
3.如权利要求2所述的物联网数据采集及传输装置，其特征在于，所述IXD显示及控制模块中的控制模块由微控制器和晶振构成。
4.如权利要求1所述的物联网数据采集及传输装置，其特征在于，所述读写器由无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成，所述天线采用的是2. 4GHz的杆状天线。
5.如权利要求1所述的物联网数据采集及传输装置，其特征在于，所述便携式读写器采用WINCE的操作系统，内部集成无线传输模块，由无线收发模块、一维/ 二维条形码扫描器、控制模块及电源模块组成。
6.如权利要求1所述的物联网数据采集及传输装置，其特征在于，所述便携式读写器包括控制模块，射频传输模块、WIFI模块及用户显示和输入模块四部分。
7.如权利要求1所述的管理方法，其特征在于，其包括主服务器，负责读取后台数据库信息，运行相关的服务软件，负责设备的远程配置、管理；电子标签，作为一种终端信息显示设备；读写器，负责计算机主服务器与电子标签之间的数据转发；以及，便携式读写器，电子标签与读写器实现绑定与解绑定功能，并随时更改出错的信息。首先，所述数据库里的货品信息由主机服务器通过软件进行信息处理；然后，将携带有货品内容的信息发送到前端的读写器设备中；接着，读写器通过无线方式将载有货品内容的信号发送到电子标签上，电子标签接收读写器发来的信号并解析还原，然后信息显示出来。
8.如权利要求7所述的管理方法，其特征在于，所述电子标签包括无线收发模块、高频激励模块、IXD显示及控制模块以及电池四部分；所述IXD显示及控制模块中的控制模块由微控制器和晶振构成。
9.如权利要求7所述的管理方法，其特征在于，所述读写器由无线收发模块、控制模块、WIFI模块及天线四部分组成，所述天线采用的是2. 4GHz的杆状天线。
10.如权利要求7所述的管理方法，其特征在于，所述便携式读写器采用WINCE的操作系统，内部集成无线传输模块，其包括控制模块，射频传输模块、WIFI模块及用户显示和输入模块四部分。
全文摘要
本发明提供了一种物联网数据采集及传输装置以及对应的管理方法。其提供一种可一直追溯到食品原料来源的，同时保证实现对整个供应链的有效追溯的、可以使各终端之间的工作透明化的物联网数据采集及传输装置及方法，其至少包括电子标签、读写器、便携式读写器和主服务器四部分；本发明的有益效果是方便、性能好，能够让货品及食品生产及流通信息在操作过程中即时更新，并能让用户通过它了解货品、食品的生产及流通发展趋势，提供了解与质量安全管理计划相关的各种食品信息渠道，有利于货物流程化、透明化管理，以及相关质量、时效等方面的监管，大大改善了目前的货物、食品安全管理体系。
文档编号G06Q10/00GK102169549SQ20111008590
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者余振兴, 余普兴, 李俊, 章晶, 邹晓明 申请人:上海绿度信息科技有限公司