食品安全社會化監督、檢測網絡系統的製作方法

2023-06-05 23:49:36

專利名稱：食品安全社會化監督、檢測網絡系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及監督、檢測網絡系統，特別涉及食品安全監督、檢測網絡系統。
背景技術：
食品安全關係到廣大人民群眾的身體健康和生命安全、關係到農產品聲譽和國際 形象。由於食品中有毒有害物質殘留量高、環境對農業生產以及農業種植和養殖業的源頭 汙染日益加劇。近年來食品安全問題不斷發生並有愈演愈烈的趨勢，甚至已經達到了蔬菜 專家不敢吃蔬菜、畜牧專家不敢吃肉、水產專家不敢吃魚的狀態。例如，"蘇丹紅"事件、"瘦 肉精"事件、"問題奶"事件以及"多寶魚"、"三鹿奶"事件等等都有效證明了食品安全問題 的重要性。因此，各類食品的安全問題日益受到社會和政府的高度重視，食品安全已經成為 一個全世界不能迴避的問題。但是，食品安全是涉及農業、畜牧業和工業生產等多個領域的 複雜性、綜合性問題，它不僅需要有效的制度和嚴格的管理，還需要有效、先進的現代技術 支持。 由於食品安全問題涉及領域過於廣泛，目前食品安全及直接相關領域中使用無線 傳感器網絡的方法主要有如下幾種類型 (1)基於RFID(電子標籤)或基於RFID和無線傳感器網絡技術實現對食品產 生中的工業或工業中的某個具體環節進行監測、檢測的類型。如Nobuo 0KABE在2007年 International Conference on In_telligent Pervasive Computing上發表的文章"Field Experiment of an E_xtendable Traceability System -Application to the Quality Control of Beef-Product Distribution",就利用傳感器網絡和RFID針對牛肉由飼養原 料到銷售的可溯系統進行了研究；2008年中國北京奧運會的食品也都採用了可溯系統相 關技術，對食品的生產過程進行追溯；2008年北京科技大學的杜育棟在工業控制計算機雜 志的第21巻第5期上發表的文章"RFID傳感器網絡在食品生產領域的研究"，則將RFID和 傳感器節點結合使用，對食品生產的環境和設施的衛生狀況進行控制，和對生產設備進行 控制。 (2)利用光纖傳感器或溫度、溼度等某種傳感器構成傳感器網絡對食品產生某 個具體環節中的某些指標進行監測。如愛爾蘭的E. Lew-i s分別於2005年在SE-NSOR ACTUATORS B雜誌的第111-112巻發表"Comparison of k_NN and n-eural network methods in the cl—assification of spectral data from an optical fibre—based sensor syste_m used for quality control in the food industry，，， 2008年 在 Nonlin_ear Analysis :Hybrid Systems雜誌的第2巻第1其月發表"Optical fib-re sensors for assessing food quality in full scale production ovens_a principal component analysis and artificial neural network bas_ed approach，，， 2006年在 Measurement Science and Technology雜誌的第17巻第2期發表"Monitoring food quality using an optic—al fibre based sensor system—A comparison of Kohonen and back-propagation neural network classification techniques" 禾口 2005年在I-EEE Sensors Journal雜誌的第5巻第6期上發表"Design of a s_ystem that uses optical—fiber sensors and neural networks to controla large—scale industrial oven by monitoring the food quality online，，就主要研究了禾擁光學傳感器對食物
顏色進行控制的方法，從而完成工業中對食品顏色及火候等相關問題的控制。還有一些 文獻對食品產生中某些環節中的某項具體指標進行了研究。如文章"Architectureof
automatic monitoring system for fresh food quality using wireles—s sensor
network"介紹了一種由幾個測量採樣產品和周圍環境溫度信息的傳感器節點組成並通過 2. 4G頻率進行信息傳輸.通的系統；文章"Energy efficient routing algorithms for application to agro—foodwireless sensor networks"中貝U介紹了監領lJ不同農業區域的 物理參數的傳感器網絡，但其主要研究了農田灌溉傳感器網絡系統中的路由問題；國際專 利"W02008140212-A1 ，， "Ubiquitous sensor network-based system for automatically
m肌3girig food s肌itetion， has mMiag—ement server Mialyzing/storing received date
based on data_base， andoutputting analyzed/stored data when data is warning
message"則主要利用傳感器網絡對衛生用具和廚房食品進行衛生監測；2008年大連理工 大學高英明在儀器儀表學報第29巻第4期上發表的文章"面向食品安全的無線傳感器網絡 系統設計"中提出，若讓消費者完全地訪問食品在生產、運輸、存儲等過程的信息，便可以消 除他們對於食品安全的顧慮。基於此該文僅對一種基於無線傳感器網絡的溫度採集系統進 行了深入研究。 (3)僅僅是針對食品生產的某個局部環節進行研究。如倫敦大學的K. Walker等 人在2008年的IEMSs國際會議上發表的"田園農業傳感器網絡互動設計"文章，就介紹了 作者在肯亞一個小的家庭農場中設計了一個傳感器網絡，用來收集兩個村莊農場信息的 信息，愛爾蘭研究人員在2005年的REALWSN國際會議上發表的文章"Sensor Networksand the Food Industry Martin Connolly",則研究了傳感器網絡在防止食品供應鏈中汙染反 復問題所能扮演的角色。 隨著國際和國內食品安全問題的日益嚴重、食品安全領域的惡性事件越來越多， 針對食品產生中從農田到零售的整個流程中存在問題進行研究的人員也越來越多，並且 形成了一個食品傳感器網絡研究小組，這個小組由來自學術界的代表、傳感器技術行業 和食品工業的不同部分代表組成，能夠針對這個方向問題在技術和其它方面提供專家指 導(詳見2004年第85巻第5期在Process Engineering雜誌上發表的文章"Sensors sensibility[food sensor network]")。因此，綜合分析現有的相關研究內容，發現現有食 品安全智能監控系統主要存在下列幾點問題。 (1)大多數研究都僅是針對食品產生的某個環節或某個具體監測指標進行研究， 而沒有將由植物種植到作為食品銷售給用戶的整個過程作為一個不可分割的系統進行研 究。由於一種食品可能會涉及一個複雜的食物鏈，整個鏈路的任何一個環節出現問題都會 對後續加工生產造成研究影響。因此，僅針對某個環節或某個具體指標進行研究是遠遠不 夠的。例如，市場中銷售的奶粉，就要經歷由草料生長、奶牛健康狀況、養牛人員或企業提供 原始牛奶給奶製品廠、在由奶製品廠進行生產加工及銷售等這個過程中，如果養牛人員或 企業提供給奶製品廠的原始牛奶有很嚴重的質量問題，那麼由這種牛奶加工得到的奶製品 都會存在質量問題。因而，這時僅監控奶製品廠是不夠的。
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(2)基於RFID和傳感器網絡的監測應用中，很多都是將RFID與傳感器網絡結合使
用。雖然這樣也能獲得傳感器網絡和RFID在應用中的優勢，但是所述系統未將電子標籤讀
寫器功能集成到傳感器節點中，成本較高、尺寸較大、使用不便及部署欠缺靈活性。 (3)現有的無線傳感器網絡應用系統中，多數傳感器節點中傳感單元上都裝載一
些固定的傳感器，然而在實際應用環境中，很多情況需要使用一些其它類型的傳感器，這時
還需要對傳感器節點進行二次開發從而加載新的傳感器。這種設計方法在實際應用中很不
靈活，不利於無線傳感器網絡應用的廣泛推廣。因此，本發明專利中傳感器節點中的傳感單
元採用基本傳感器和可擴展插槽相結合的方式，能夠讓使用者方便地加載各種需要的傳感
器，從而極大地提高無線傳感器網絡在實際應用中的可用性。 (4)沒有哪項研究將食品產生的整個過程作為一個系統，從純綠色食品、半綠色食 品、高產食品和危險食品幾個角度將監控食品的質量進行分類並將監控和分析獲得的信息 直接發送給用戶。同時，現有相關研究的無線傳感器網絡應用中，還沒有發現哪種無線傳感 器網絡食品安全智能監控系統是一社會大眾為主要用戶群的。這種用戶群上的轉變具有重 要意思，它將食品安全僅由相關政府部門進行監督擴展至社會監督，這於解決食品安全問 題具有轉折性重要意義。 (5)沒有哪項研究是將食品從最初的種植、養殖到消費者食用的整個過程作為一 個不可分割的大系統進行深入研究，就更沒有針對這個系統中傳感器節點、基站節點和被 監控對象需要具有的唯一性問題進行有效研究。 針對上述發現的不足，認為還沒有一種有效的技術能夠輔助管理部門或根據現有 的食品生產制度進行全程監控。對食品生產過程進行全程監控必須要藉助多種傳感器技 術才能對產品的材料、質量等指標進行檢測分析；必須要藉助無線通信技術才能夠低成本 實時、有效連續地將檢測或監測的信息傳送到用戶終端，使社會大眾能身臨其境地看到、聽 到、嗅到、感受到食品生產的整個過程，進而社會大眾能夠自己判斷每種食品從原料到產品 的整個流程及質量，特別是一些綠色食品的生產過程；這種食品安全監控系統必須要與現 有的各種無線、有線通信網絡能夠無縫連接，從而能夠有效利用現有技術和設備最大程度 上減少所述監控系統的成本；這種食品安全監控系統中所述的傳感器最好能具有一定的存 儲和處理能力，從而可以對傳感器獲得的海量信息進行初級處理後緩存及轉發。無線傳感 器網絡作為一種新的技術完全具有食品安全監控所需的所有能力，並且結合RFID技術能 夠進一步保證監控內容的真實性。 鑑於食品安全監控系統所涉及領域的廣泛性和所要求技術的複雜性，以及現有監 控系統在食品安全領域的不足，較為理想的是建立一種使用無線傳感器網絡和RFID技術 的食品安全監控系統。

發明內容
本發明的目的是解決食品生產無法有效、可行地進行全程社會化監控的難題，以 及現有監控技術無法用於食品安全監控的不足，提供一種基於RFID無線傳感器網絡的食 品安全社會化監測系統。 為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案 —種基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會化監測系統，包括
由分布在各類食品來源的傳感器節點及RFID組成第一級RFID無線傳感器網絡；
由分布在食品初加工區域及加工設備上的傳感器節點及RFID組成第二級RFID無 線傳感器網絡； 由分布在食品深加工區域及加工設備上的傳感器節點及RFID組成第三級RFID無 線傳感器網絡； 由三級基站節點分別與上述第一至第三級RFID無線傳感器網絡之間無線通信；
由上述三級基站節點和管理控制中心伺服器與通信網絡相連接形成面向用戶終 端的監控網絡，其中通信網絡包括但不限於INTERNET網絡、衛星通信網絡、3G通信網絡的 一種或以上； 由通信終端組成用戶終端，其中通信終端包括但不限於連接INTERNET網絡的計 算機、衛星通信網絡終端、3G通信網絡的手機的一種或以上。 在上述方案中，所述食品來源、食品初加工和食品深加工三級是對食品由種植或 養殖到消費者食用前的整個過程作為一個不可分割的連續整體所進行的相對劃分。由於任 何食品背後有存在一個複雜的食物鏈，這個鏈路中的每個環節都會相互影響。因此，僅僅 對這個鏈路的某些指標(如蔬菜上的農藥殘留等)或某個環節(如某些食品加工企業等) 進行分析是遠遠不夠的，必須從全局出發對整個過程進行多種感知形式融合利用的全局監 測。本發明中的這種劃分目的是從整體角度對食品"由農田到餐桌"的整個過程作為一個 密不可分的系統進行研究，從而在整體上分析出食品安全監測的薄弱點並加以解決。
在上述方案中，進一步，所述系統的控制指令只能由該管理控制中心伺服器發布， 所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點和所述各級基站節點能實現指令的控制功 能，而所述查詢指令可以由任意終端發出，使終端用戶通過該裝置能夠隨時、隨地真實地在 線通過視頻、音頻及檢查用的傳感器監督食品每個流程的生產過程及產品質量，從而保證 系統可以有效地連續工作並能真實反映所監控的信息；所述系統中的各級RFID無線傳感 器網絡始終處於全天候連續工作狀態。 在上述方案中，進一步，所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點和所述各 級基站節點內都集成了 RFID讀寫器並且所述RFID工作頻率與所述傳感器節點內的射頻芯 片工作頻率相同。即所述RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點內利用自身的中央處理單 元、無線通信單元、電源單元和天線部分實現RFID讀寫器所要完成的對標籤的讀寫能力， 其以超寬帶(UWB)作為射頻通信接口，從而可以使之更靈活地用於食品加工企業複雜的多 徑環境和充分移動性環境的大範圍農田監測領域。 所述傳感器節點內將來自標籤的唯一性標識信息、時鐘信息、各個傳感器的硬體 ID信息和密鑰等重要的能表徵傳感器節點唯一性的信息作為數字水印信息，採用數字水 印算法進行加密傳輸。由於基於RFID傳感器網絡的食品安全社會化監測系統不僅能輔助 政府監管部門和食品企業對食品產生過程進行監控，更主要的是該系統要面向廣大社會群 眾，使社會大眾能夠通過多種感知形式直接對食品產生的整個過程實時監測。因此對於存 在食品安全問題的企業而言，一方面希望利用這個系統提高自己的產品聲譽，成為國內消 費者和國際社會完全放心的品牌，以提高自己產品的市場價值。另一方面根據用戶的查詢
內容，該系統獲得的監測信息會實時發送給用戶。這樣一些涉及食品安全問題的操作會被 社會大眾直接發現，從而對企業造成不可挽回的損失。因此要求被監測的食品企業和個人，
7不能夠通過篡改、替換或破壞傳感器節點、基站節點和監測的目標等方式，破壞該系統必須 具備的實時性、有效性和真實性特徵，即系統中每個節點都由系統管理、維護部門進行部 署、每個節點在系統中都是唯一的、所有監測目標在整個系統中都具有自己的唯一性標識 並以多元組的形式體現各監測目標之間的相互關係，我們將這類問題稱為該系統的唯一性 問題，它將直接決定該系統能否在實際中被廣泛應用。 實際應用中一些企業和個人會在巨大利益驅動下，尋找各種方法破壞系統的這個 唯一性，因而在提出唯一性的方法前，必須對實際部署環境、系統工作形式和及時跟蹤系統 可能存在的唯一性安全隱患等問題進行深入分析，在實際應用條件和RFID無線傳感器網 絡中節點有限資源的約束下，這將是一個非常困難但又必須不斷解決的安全問題。為此，本 發明中提出了在所述傳感器節點內將來自標籤的唯一性標識信息、時鐘信息、各個傳感器 的硬體ID信息和密鑰等重要的能表徵傳感器節點唯一性的信息作為數字水印嵌入到傳感 器節點和基站節點監測和傳輸的敏感信息中，構建基於唯一性信息的RFID無線傳感器網 絡信息水印框架模型，形成可靠的、不可篡改的、完整的數據信息與監測信息查詢系統，同 時利用帶有唯一性信息的數字水印方法還可以有效地提高RFID無線傳感器網絡協議的安 全性能。 在上述方數字水印作為一種信息隱藏技術，可在信息流中嵌入無意義隨機序列或 有意義版權標識、用戶序列號等秘密信息，以便實現信息的版權保護、防止非法篡改等。在 本項目中，將時間、節點硬體ID、多元數組和監測目標上的標籤信息等，具有唯一性特徵的 信息作為數字水印嵌入 案中，進一步，所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點的感知部分與所在 食品加工階段的特點相適應，並且所述感知部分設計有一個以上可擴展插槽。由於本發明 所述系統涉及複雜的、差異巨大的應用環境。例如，用於監測食品來源的動、植物生長情況 時的多種傳感器，例如檢測是否使用了合成化肥的化學傳感器、監測動、植物生長周期的視 頻傳感器、檢測動物飼料質量的傳感器和監測該階段產品質量的化學和視頻傳感器等等， 用於監測食品加工過程時的多種傳感器，例如監測生產設備運行情況的一些物理傳感器、 監測生產過程的視頻傳感器和對產品質量進行檢測的傳感器等等。因而，在設計和生產所 述系統的傳感器節點時，將不同應用環境下使用的傳感器全部在每個傳感器節點上配置是 完全不可行的，另一方面，針對不同環境應用設計和生產配置不同功能傳感器的傳感器節 點需要深入了解每個環節的檢測技術並且有些對於企業和個人而言是保密的，因而這種方 法也是不可行的。綜合考慮，認為最有效、簡便和可行的方法是在傳感器節點的傳感單元 (部分)設計可以靈活配置各種不同類型傳感器的擴展插槽。這一設計思想與很多公共 場所放置的大型手機充電器的設計思想類似，都是提取出對象(傳感器或手機)共同的接 口特徵，作為對象與處理單元(傳感器節點的中央處理器及電源等部分或給手機供電的電 源)的連接接口，從而可以方便、靈活地使用不同對象。並且，用於與鄰居節點進行通信的 無線收發電路和與傳感器及收發電路相連接的數據處理器，每個所述傳感器節點具有一個 太陽能或鋰電池。 在上述方案中，進一步，所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點及RFID標 籤所監測的對象被感知和標識而生成不可替換的信息，將該感知信息的突變閥值作為數字 水印信息，採用數字水印算法進行加密傳輸，所述信息由與之通信的傳感器節點預處理後傳送到所在基站節點次處理最後傳送給所述管理控制中心伺服器進行處理、發布。感知信 息是否遭到人為的破壞可根據感知信息參量的變化量和時間因素綜合判斷，根據不同感知 信息參量確定不同的突變閥值，當某一監測對象感知信息的變化超過預留的數字水印信息 突變閥值時，該監測對象所在的傳感器節點會自動生成該監測對象異常的報告並將報告傳 送到基站節點和管理控制中心伺服器。這一設計的主要目的是為了確保被監測對象的唯一 性和真實性，使所見、所檢的對象即為用戶(或管理控制伺服器)指定的對象，這一點在本 發明所述系統中具有重要意義。 在上述方案中，進一步，所述RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點根據部署環境 可以分為移動和靜止兩種。 在上述方案中，進一步，所述RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點之間以及傳感 器節點與各級基站節點之間均通過無線方式通信構成無線自組網。 在上述方案中，進一步，所述系統中廣泛使用RFID進行唯一性標識，具體包括每 級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點都集成有RFID讀寫器，每級RFID無線傳感器網絡 中的基站節點上也都集成有RFID讀寫器，同時根據具體的工作場地和環境還可以在不同 位置設置一些RFID讀寫器並都可以與基站節點進行無線通信。 在上述方案中，進一步，所述系統在上述方案中，進一步，所述系統用戶終端(終 端)可以是聯網的計算機、開通3G的手機用戶、有線或數位電視用戶及其它任意使用無線、 有線通信網絡的用戶終端。 與現有技術相比，本發明的優點在於 本發明能夠從食品生產中從原料到產品的整個流程進行全程監控，並且具有體積 小、功耗低、組網容易、社會實用價值較大、部署實施方便、成本低廉、社會大眾可以直觀監 測等顯著優點。


圖1-為本發明基於RFID無線傳感器網絡和RFID的食品安全社會化監督、檢測系 統工作原理示意圖； 圖2-為本發明實例中傳感器節點的示意圖；
圖3-為本發明實例中基點的示意圖。 圖4-為本發明基於RFID無線傳感器網絡和RFID的食品安全社會化監督、檢測系 統整體方法流程圖 圖5-為本發明實例中的用戶訪問信息處理流程圖
圖6-為本發明綠色牛奶肉製品社會化監測示例圖
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明 如圖l所示，本發明系統的構成包括2種節點和l個控制管理伺服器，各種設備的 名稱及功能如下 (1)傳感器節點。按一定規律分布在不同監測區域的內部，負責採集各監測區域內 感興趣的感知參數，如溫度、溼度、植物農藥殘餘、所用化肥類型、工業加工原材料使用過程和產品流通過程等，並把數據路由傳送給本監測區域的基站節點。 (2)基站節點。每個監測區域內配備一個基站節點，主要用來負責收集該監測區域 內所有傳感節點採集的數據，並傳送給數據傳輸網絡。 (3)管理控制中心伺服器。匯總所有監測區域數據的計算機系統， 一般位於遠程的 管理控制中心內。負責分析、顯示和監督網絡數據、自動生成食品產生過程的安全意見，並 且通過Internet等形式向社會民眾發布實時監督信息，社會民眾也可以利用用戶終端實 時察看已經部署RFID無線傳感器網絡食品的整個工業加工過程及原材料質量監督的安全 說明。 從總體上說，本發明系統主要由控制管理中心、基站節點及RFID無線傳感器網絡
監測區域三部分組成。如附圖l所示，具體包括傳感器節點、基站節點和控制管理中心服務
器，它們共同構成整個基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會化監督、檢測系統。傳感
器節點是使用最多、種類最廣泛的節點，這些節點可以靜止或運動、可以裝備視頻傳感器或
化學、物理傳感器實現對原材料種植中植物生長過程、肥料施加過程、農藥施加過程及工業
加工生產中所用原料、機器加工過程和產品流通過程進行全程監督，並且每個傳感器節點
都具有不可篡改、不可替代的唯一性電子標識。基站節點是每個監測區域配備的信息收集、
傳輸節點，這個節點是固定的，代表了該監測區域的唯一性編號，一般放置在監測區域的幾
何中心位置。它既匯聚本區域的感知數據，又完成管理控制伺服器交給的控制功能。管理控
制伺服器匯總所有監測區域數據的計算機系統，一般位於遠處的管理控制中心內。負責分
析、顯示和監督網絡數據並自動生成食品產生過程的安全意見，並且通過Internet等形式
向社會民眾發布實時監督信息，社會民眾也可以利用用戶終端實時察看已經部署RFID無
線傳感器網絡食品的整個工業加工過程及原材料質量監督的安全說明。 本發明系統具有實時監督、報警功能，管理控制中心伺服器可處理各個監測區域
內存在的食品安全隱患和會產生重大食品安全問題報警信息，並實時地存儲和發送給相應
監管部門。對於特別危險的食品安全隱患，終端伺服器會以語音的形式報警，以便相關監管
部門及時地處理。本發明中一個特有的功能就是可以隨時、隨地定位查詢食品生產整個流
程的任意環節，這充分利用了無線傳感器網絡的定位和RFID技術，用戶只需通過終端服務
器發布特定指令，由基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會化監督、檢測系統自動地定
位到所指區域內的節點，並把目前該點的監測參數匯報給用戶。 圖2體現了傳感器節點的整體結構。 由於在本發明中，需要將傳感器節點部署於不同的應用環境。因而在傳感器節點 中，會根據需要完成的具體監測指標和部署環境使用不同的傳感器和外形結構。但是，傳感 器節點仍然可以抽象劃分為如圖2所示的感知、信息處理、RFID讀卡器、無線射頻和電源幾 個部分。感知部分主要包括用於對部署區域內感興趣指標進行感知的傳感器和用於擴展裝 載新傳感器的接口電路組成。信息處理部分包括中央處理器、存儲器及節點身份標識和時 鍾組成。在傳感器節點中集成RFID讀卡器部分，主要為了對監測對象的身份進行唯一性確 認，並結合在傳感器節點上加載的協議和算法中設置的加密信息和唯一性信息，使被監測 對象無法偽造該傳感器節點、無法篡改該傳感器節點中重要信息、無法在食品生產的整個 大流程中替換被監測的物質。無線射頻部分主要是對信息處理部分需要傳送的數據進行變 換、擴頻和調製後以一定頻率發送出去，本發明中一般採用頻率為2. 4G的CC2420作為無線射頻主要晶片。其中，中央處理器、存儲器、時鐘連接於測量特定參數的傳感器及相應信息 處理和無線通信部分。傳感器節點根據不同的部署環境提供不同的供電方式，例如在對農 田進行監測時，可以採用太陽能和電池相互補充的形式供電；在食品加工生產的工業環境 和動物飼養中進行監測時，採用電池與工業和飼養廠中使用的供電系統結合使用的方式供 電。 圖3體現了本發明的基站節點的結構。 如圖3所示，監控基站節點由中央處理器、存儲器、電源、RFID讀卡器、無線通信部 分和有線網絡通信接口部分組成，中央處理單元、存儲器連接於RFID讀卡器、有線網絡通 信接口部分和無線通信部分。監控基站必須採用無線與有線通信相結合的方式，作為鏈式 RFID無線傳感器網絡不同監測區域的採集信息匯聚節點，通過有線網絡發送至遠程的管理 控制伺服器，經過遠程的管理控制伺服器處理後，將處理信息通過有線和無線網絡系統實 時發送給用戶。基站節點是由市電和後備電源相結合的方式供電。 圖4體現了基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會化監督、檢測系統工作的全 過程。 如圖4所示，遠程管理控制伺服器通過有線或無線網絡、各級監測區域內的基站 節點、移動和靜止傳感器節點對各監測區域內感興趣的指標實時的直接監控，利用這套智 能監控系統可以實現對監測區域內食品安全相關的各項指標進行監控，並且隨著監測區域 的不斷擴大和完善，最終將實現對食品從種植到加工生產的全過程進行實時監督與控制。 其具體步驟如下 步驟s4-l :管理控制中心啟動整個系統； 步驟s4-2 :在所有監控區域內部署的無線傳感器節點和基站節點當即啟動；
步驟s4-3 :在管理控制服務中心確定個無線傳感器節點和基站節點的物理位置 及工作狀態，若出現問題在規定時間內修復並記錄故障原因； 步驟s4-4 :如果所有無線傳感器節點和基站節點都顯示在管理控制服如果所有 無線傳感器節點和基站節點都顯示在管理控制伺服器上，則確定所有節點所在區域、分配 唯一性標識，並且開始通信，對各監測區域進行實時監控； 步驟s4-5 :如果還有節點無法在管理控制伺服器上正確顯示，則重新定位無線傳 感器節點和基站節點； 步驟s4-6 :如果是靜止的傳感器節點，則通過其它靜止傳感器節點的路由與所在 監測區域的基站節點進行通信，並對該區域內感興趣的指標進行實時監控；
步驟s4-7 :如果是移動的無線傳感器節點，由於射頻通信的通信距離的限制，在 其運動的過程中，可能會與不同靜止的無線傳感器節點進行通； 步驟s4-8 :移動的無線傳感器節點檢測能與之通信的靜止無線傳感器節點後，與 靜止的無線傳感器節點及所在監測區域的基站節點組成自組的RFID無線傳感器網絡；
步驟s4-9 :遠程的管理控制伺服器連接各基站節點，向各個基站節點發送指令並 且接收基站節點發回的數據； 步驟s4-10 :管理控制伺服器對獲取的所有無線傳感器節點監測信息進行分析， 並利用易於觀看的圖形界面顯示在管理控制伺服器。 圖5體現了用戶終端訪問基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會化監督、檢測系統信息的處理流程。其具體步驟如下 步驟s5-l :用戶終端向該系統的管理控制伺服器發送要查看的食品信息，系統自 動定位將該食品從種植到加工生產的各個具體區域； 步驟s5-2 :該食品涉及的所有具體監控區域內系統工作完全正常，則將所指定監 測區域的視頻及感知數據，利用圖形界面直接顯示並結合系統分析結論發送給用戶；
步驟s5-3 :如果該食品涉及的監控區域中存在無法正常工作的傳感器節點或 (和)基站節點，則對出現問題監控區域內的傳感器節點和基站節點進行篩查，管理控制服 務器啟動該區域所有監測設備並藉助衛星同步對該區域進行監測，並且記入信用檔案。同 時，向用戶說明將在規定時間內修復系統並道歉、返還所收費用及介紹故障原因；
步驟s5-4 :如果該食品涉及的監控區域中所有傳感器節點或(和)基站節點都在 正常工作，則記錄故障原因、處罰相關責任人並且向用戶說明將在規定時間內修復系統並 道歉、返還所收費用及介紹故障原因； 步驟s5-5 :在規定時間內解決故障使基於RFID無線傳感器網絡的食品安全社會 化監督、檢測系統能夠完全正常工作後，將用戶指定食品所涉及監測區域的視頻和感知數 據，利用圖形界面直接顯示並結合系統分析結論發送給用戶；； 步驟s5-6 :用戶接收系統發送的視頻和感知數據及系統分析結論，並發送滿意度 等反饋信息給管理控制伺服器。 如圖6所示，綠色牛肉、奶製品食物鏈直接涉及的各個環節都依據本發明所述的 劃分形式，部署不同級別的RFID傳感器網絡用於監測該食物鏈內的所有區域。被監測的區 域內根據實際環境部署多個本發明所述的傳感器節點(包括帶有視頻傳感器的傳感器節 點)，每個監測目標(對象)上都附有一個或多個RFID標籤，各個不同監測區域內部署的傳 感器節點和RFID標籤組成的局部RFID無線傳感器網絡在整個系統中都屬於不同級別RFID 無線傳感器網絡的組成部分顯示在管理控制伺服器上，並且各局部RFID無線傳感器網絡 至少具有一個基站節點。各級RFID無線傳感器網絡中的局部RFID無線傳感器網絡通過基 站節點將本監測區域內傳感器獲得的信息不經外界人為修改地實時傳輸給管理控制服務 器，基站節點與管理控制伺服器間的通信可以根據實際情況採用有線或無線傳輸，本發明 中統稱為數據傳輸網絡。管理控制伺服器根據用戶終端的查詢信息將用戶關心的傳感器採 集的原始視頻和檢測指標信息及管理控制伺服器系統針對檢測指標的分析結果，不經任何 外界人為修改地傳送用戶終端，同時，管理控制伺服器根據各級RFID無線傳感器網絡中傳 感器採集到的視頻及檢測指標信息的分析結果，將牛肉、奶製品上已存在或潛在的食品安 全、質量及操作問題直接發送給有關政府質量監管部門。 具體到綠色牛肉、奶製品領域，既需要在牛的飼草生長環境及質量進行全程監測， 這些監測飼草環境、質量和獲取附在牛身上的RFID標籤信息的RFID無線傳感器網絡構成 了一級RFID無線傳感器網絡，這一級RFID無線傳感器網絡主要是對該食物鏈最初始的原 料生長環境進行監測。牛的生長環境(如土壤、大氣、水、周邊整體環境、飼草與一級RFID無 線傳感器網絡監測的是否一致等)及屠宰厂部署的視頻及檢測關注指標用的所述傳感器 節點組成二級RFID無線傳感器網絡，這一級RFID無線傳感器網絡主要是對該食物鏈初加 工階段的環境及產品進行監測。這一階段的產品主要包括最原始的牛奶、將要送往屠宰廠 的牛及屠宰廠生產的牛肉，本發明所述系統將之作為系統的一個環節，在裝載所生產牛奶
12的容器、運輸該系統所監測的牛的車上和屠宰廠工作環境、流程及最終生產的牛肉、運往下
一階段所需牛肉的交通工具上，要求附加RFID標籤和一個或多個所述傳感器節點(其中車 上要有實時視頻傳感器)以保證這個環節本發明所述系統監測對象的唯一性。同時為了防 止人為破壞這個唯一性，本發明中提出了採用在所述傳感器節點內將來自標籤的唯一性標 識信息、時鐘信息、各個傳感器的硬體ID信息和密鑰等重要的能表徵傳感器節點唯一性的 信息和監測對象感知信息的突變閥值作為數字水印嵌入到傳感器節點和基站節點監測和 傳輸的敏感信息中，構建基於唯一性信息的傳感器網絡信息水印框架模型，形成可靠的、不 可篡改的、完整的數據信息與監測信息查詢系統，利用這種數字水印方法能有效地提高本 發明所述RFID無線傳感器網絡數據傳輸的安全性能，從而在一定程度上解決了本發明所 述的唯一性問題。隨後，在奶製品企業和牛肉加工企業內部署的RFID標籤和本發明所述無 線傳感器網絡組成三級RFID無線傳感器網絡。這一級RFID無線傳感器網絡主要是對該食 物鏈深加工階段的環境及產品進行監測。這一階段的產品主要包括要在零售市場上銷售的 奶粉、牛肉乾、牛肉罐頭等等，本發明所述系統同樣將之作為系統的一個環節，在牛奶及牛 肉深加工的企業內部需要對工作環境、生產流程及每個步驟所獲得的產品進行全程實時在 線監測，特別是視頻傳感器的部署要選擇適合的位置以便於具有好的監督視角，並且在每 個步驟所獲得產品或裝載該產品的容器上都要部署一個或多個所述傳感器節點和RFID標 籤。運輸該系統產品的交通工具上和市場流通領域中存放該產品的環境中，要求該產品上 和存放環境中都附加RFID標籤和一個或多個所述傳感器節點(其中車上要有實時視頻傳 感器)以保證這個環節本發明所述系統監測對象的唯一性。 除了能夠監測綠色牛肉、奶製品的質量和安全性，本發明所述系統還可以用來監 測綠色蔬菜、糧食等等一系列綠色食品的生產全過程質量及安全性。這對於當前綠色食品 市場真假難辨的現狀具有非常明顯的實用意義。並且，利用本發明所述系統提出並實現的 社會化監測的方式對於有效解決食品安全問題也具有明顯實際意義，對企業而言具有極其 明顯的廣告效益，能夠幫助企業在社會和消費者中建立起非常好的產品信譽(品牌)，對政 府監管部分而言可以有效解決人力資源不足、無法實時有效監管的難題，對消費者(食品 用戶)而言可以讓消費者通過自己隨時、隨地監測部署該系統企業的食品，進而放心購買 這些食品，促進消費、為國家提出的食品放心工程從技術上提供一種非常有效的解決方案。
以上所述設計方法及實施方式，僅為本發明較佳的主要實施過程，凡是依據本發 明所作的等效變化及修改，皆在本發明保護範圍。
權利要求
一種食品安全社會化監督、檢測網絡系統，包括由分布在各類食品來源的傳感器節點及電子標籤組成第一級RFID無線傳感器網絡；由分布在食品初加工區域及加工設備上的傳感器節點及電子標籤組成第二級RFID無線傳感器網絡；由分布在食品深加工區域及加工設備上的傳感器節點及電子標籤組成第三級RFID無線傳感器網絡；由三級基站節點分別與上述第一至第三級RFID無線傳感器網絡之間無線通信；由上述三級基站節點和管理控制中心伺服器與通信網絡相連接形成面向用戶終端的監控網絡，其中通信網絡包括但不限於INTERNET網絡、衛星通信網絡、3G通信網絡的一種或以上；由通信終端組成用戶終端，其中通信終端包括但不限於連接INTERNET網絡的計算機、衛星通信網絡終端、3G通信網絡的手機的一種或以上；其中，所述食品來源、食品初加工和食品深加工三級是對食品由種植或養殖到消費者食用前的整個過程作為一個不可分割的連續整體所進行的相對劃分。
2. 根據權利要求1所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述系統的控制指令只能由該管理控制中心伺服器發布，所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點和所述各級基站節點能實現指令的控制功能，而所述用戶終端能全天候發布查詢指令、請求實時在線查閱指定的所述各級無線傳感器網絡中的傳感器節點上的原始信息。
3. 根據權利要求1或2所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點和所述各級基站節點內都集成了 RFID讀寫器並且所述電子標籤工作頻率與所述傳感器節點內的射頻晶片工作頻率相同；並且，在所述傳感器節點內將重要的能表徵傳感器節點唯一性的信息作為數字水印信息，採用數字水印算法進行加密傳輸，其中所述能表徵傳感器節點唯一性的信息指的是來自標籤的唯一性標識信息、時鐘信息、各個傳感器的硬體ID信息和密鑰。
4. 根據權利要求1或2所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點的感知部分與所在食品加工階段的特點相適應，並且所述感知部分設計有一個以上可擴展插槽。
5. 根據權利要求3所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點的感知部分與所在食品加工階段的特點相適應，並且所述感知部分設計有一個以上可擴展插槽。
6. 根據權利要求1或2所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點及RFID標籤所監測的對象被感知和標識而生成不可替換的信息，將該感知信息的突變閥值作為數字水印信息，採用數字水印算法進行加密傳輸，所述信息由與之通信的傳感器節點預處理後傳送到所在基站節點次處理最後傳送給所述管理控制中心伺服器進行處理、發布。
7. 根據權利要求3所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點及RFID標籤所監測的對象被感知和標識而生成不可替換的信息，將該感知信息的突變閥值作為數字水印信息，採用數字水印算法進行加密傳輸，所述信息由與之通信的傳感器節點預處理後傳送到所在基站節點次處理最後傳送給所述管理控制中心伺服器進行處理、發布。
8. 根據權利要求4所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點及RFID標籤所監測的對象被感知和標識而生成不可 替換的信息，將該感知信息的突變閥值作為數字水印信息，採用數字水印算法進行加密傳 輸，所述信息由與之通信的傳感器節點預處理後傳送到所在基站節點次處理最後傳送給所 述管理控制中心伺服器進行處理、發布。
9. 根據權利要求5所述的食品安全社會化監督、檢測網絡系統，其特徵在於所述各級 RFID無線傳感器網絡中的傳感器節點及RFID標籤所監測的對象被感知和標識而生成不可 替換的信息，將該感知信息的突變閥值作為數字水印信息，採用數字水印算法進行加密傳 輸，所述信息由與之通信的傳感器節點預處理後傳送到所在基站節點次處理最後傳送給所 述管理控制中心伺服器進行處理、發布。
全文摘要
本發明公開了一種食品安全社會化監督、檢測系統，包括由分布在各類食品來源的傳感器節點及RFID組成一級無線傳感器網絡；由分布在食品初加工區域及加工設備上的傳感器節點及RFID組成二級無線傳感器網絡；由分布在食品深加工區域及加工設備上的傳感器節點及RFID組成三級無線傳感器網絡；由三級基站節點分別與所述各級無線傳感器網絡之間無線通信；由所述各級基站節點和管理控制中心伺服器與通信網絡相連接形成面向用戶終端的監控網絡；由通信終端組成用戶終端。傳感器節點和監測對象都具有唯一性。用戶終端可以通過發送查詢指令方式對食品從源頭到市場整個流程的任何部分進行實時監控。
文檔編號H04W84/18GK101790250SQ20091025011
公開日2010年7月28日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者彭保, 馬建國 申請人:西南科技大學