5.1公司简介

江苏稻源是清华大学启迪控股旗下物联网龙头企业。公司自主研发芯片及解决方案，致力于给物联网每一个物品一个“数字身份证”， 通过移动终端、云计算及自动化技术，为消费升级、智慧城市、工业4.0获取大数据, 让商务活动更高效，生活更安全便捷。产品应用包括防伪溯源、供应链管理、仓储物流、行李分拣、服装零售、智慧安防、资产管理、车联网等领域。

公司愿景是成为世界一流的物联网公司，具体如下：

（1）国际化

（2）商品溯源防伪技术及方案全球化品牌

（3）物联感知芯片为基因的产品服务公司

（4）行业应用物联网+大数据公司的品牌技术提供商。

公司的核心技术集中于从事超低功耗、高性能无线射频识别RFID集成电路芯片设计开发，公司已研发出高频15693，14443A，NFC移动支付及超高频UHF芯片7条产品线，共14款芯片。公司同时开发出拥有自己专利的包含射频模拟前端，存储器，数字和算法等设计技术的低功耗无源芯片。公司开发出基于自主芯片及标准的，包括app及云平台的解决方案。公司已申请及授权专利27项，其中发明专利16项，获得芯片国家布图登记保护证8项。

5.2 项目概述

近年来，食品安全已经引起了国家及广大人民的广泛关注。目前，我国谷物、水果、肉类、禽蛋和水产品等主要食品产量居世界第一位，为了确保人民群众的食品安全，有效控制食源性疾病的爆发，以及排除我国食品的出口面对进口国食品跟踪与追溯法律法规的限制，因此在建立食品跟踪与追溯的工作将对食品行业的发展产生巨大的影响。

5.2.1 引言

（1）系统特点

利用RFID的优势特性达到对食品的安全与追溯的管理，相比文字等记录追溯方式更加高效、实时、便捷。

在食品供应链中提供完全透明的管理能力，保障食品安全全程可视化控制、监控与追溯，并可以全面监食品从生产到销售及各个流通环节中的产品信息及安全隐患。 

数据能够通过网络实现实时、准确报送，便于快速高效做更深层次的分析研究。 通过网络，消费者可查询所购买食品的完整追踪信息。

通过基于基于EPC  Global的物联网地址解析系统实现对重点食品跟踪与溯源查询管理，借助射频识别(以下简称：RFID)技术和互联网技术对食品原材料状态、运输及生产和库存进行实时跟踪管理。通过对食品库存，在途，生产以及流向销售信息记录，实现对食品跟踪及溯源的工作，有效完成对食品安全的监控，最大化的保障食品在各个环节的信息公开化，保障食品安全。 

5.2.2 系统目标

（1）完成食品安全溯源一体化数据采集系统主机硬件设备的定制。该主机由嵌入式触控平板工控机，具备RS232/485接口、USB接口、千兆以太网接口、WIFI无线通信模块、4G高速无线接入终端模块、GPS模块、内置温湿度采集模块、RFID刷卡模块。硬件设制达到工业级标准。

（2）完成6家企业的溯源示范系统的测试验证服务，包括软件调试、数据对接、联调服务等其他服务。

（3）实现食品生产、入库、出库、实时库存、流通运输及销售环节的信息溯源，根据网络可及时查询食品溯源信息，查询响应时间小于3秒。

5.2.3 风险/约束

（1）项目实施过程中可能由于现场环境及网络设施等因素，这种情况会延长对本次项目完成时间的延迟。

（2）RFID标签受损，会导致识别困难。

5.2.4 项目设计原则

本次食品安全溯源管理系统建设，在符合开发要求定义的基础上，还要为系统的进一步发展和扩充留有充足的空间。设计中需要考虑食品安全溯源等其他发展，进行统一规划和设计。由于本次项目建设以业务、数据为核心，设计原则具体如下：

（1）满足业务/管理需求原则

从实际需求出发，遵循业务/管理应用为主导优先原则，客户最需要的业务数据为基础，以实现食品安全溯源需求为目标。

（2）统一规划、标准规范

系统建设应采用“统一规划、分步实施、统一标准、降低风险”的策略。在遵循管理规范的前提下，事先进行总体规划设食品安全溯源系统设计和标准体系建设，分步进行建设。 总体规划方案的设计要从简单实用角度出发，遵循一体化原则，减少系统复杂性。

（3）成熟先进原则

在保证成熟性、实用性、可靠性的前提下，系统建设在设计思想和实现技术两方面都必须坚持先进性原则。

（4）安全可靠原则

食品安全溯源系统建设必须具有高安全性和高可靠性。要采用严格完善的安全措施，从网络、系统、应用、用户、数据等方面确保业务系统的可靠性和保密性，服务质量和信息安全是 IT 规划、设计、建设方案的根本。必须考虑建立统一完善的安全标准、安全技术措施、安全管理制度，制定明确的数据分类保护等级规范， 建立统一的用户管理和访问控制机制。

（5）易维护与扩展原则

系统应该具备安装方便、配置方便、使用方便等特点。系统整体构架灵活，应提供简单的维护工具，以满足功能扩充的要求；同时，要能与其它信息系统有机结合，协同工作。

以上几点相互关联，相辅相成，构成了本次项目建设构成了的总体指导原则。

5.3 总体框架

5.3.1 系统架构

图5-1 系统架构

系统五层架构如表5-1所示。

表5-1  系统架构说明

5.3.2 总体层次架构

图5-2 总体层次架构

其中包括标签包装，仓储系统(出入库管理)，销售终端系统，溯源信息查询系统，通过网络进行与数据服务中心进行数据交换。

5.3.3 系统网络结构

图5-3 系统网络架构

5.3.4 系统性能指标

（1）99%的情况下，首页需要在5秒内呈现；各页面加载时间需要在5秒左右完成；

（2）系统须支持web api与web service两种方式，通过接口传递信息且有一定的加密方式；

（3）系统支持读写分开，使用连接池链接数据库；

（4）移动客户端支持通过wifi,3G/4G等方式访问，并可以缓存数据；

（5）系统兼容性良好，必须支持主流的浏览器如IE、Firefox、Chrome、360等。

5.4 技术特点

5.4.1 射频识别(RFID)技术

射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。

射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。

RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术。可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。射频识别系统主要有以下几个方面系统优势：

（1）读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；

（2）识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；

（3）数据容量大：数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数10K；

（4）使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；

（5）标签数据可动态更改：利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；

（6）更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；

（7）动态实时通信：标签以与每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。

图5-4  RFID射频通信模式

5.4.2 先进统一的 SOA 架构

SOA 面向服务的体系结构，是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的，它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。考虑到此系统需要和 SAP、物流平台等不同平台间的数据交互，SOA 提供了一种异构间系统的数据交互方式，SOA 的目标在于让 IT 系统变得更有弹性，以便更灵活、更快地响应不断改变的企业业务需求，解决软件领域一直以来存在的“如何重用软件功能”问题。采用 SOA 来构建信息平台，无疑是未来的发展方向。

SOA 的 5 大基本特征为软件功能重用提供了解决的办法。

（1）服务之间通过简单、精确定义的接口进行通信，不涉及底层编程接口和通信模型。

（2）粗粒度性：粗粒度服务提供一项特定的业务功能，采用粗粒度服务接口的优点在于使用者和服务层之间不必再进行多次的往复，一次往复就足够了。

（3）松耦合性：松耦合性要求 SOA 架构中的不同服务之间应该保持一种松耦合的关系，也就是应该保持一种相对独立无依赖 的关系。这样的好处有两点，首先是具有灵活性，其次当组成整个应用程序的服务内部结构和实现逐步地发生变化时，系统可以继续地独立存在。而紧耦合意味着应 用程序的不同组件之间的接口与其功能和结构是紧密相连的，因而当需要对部分或整个应用程序进行某种形式的更改时这种结构就显得非常脆弱。

（4）位置透明性：位置透明性要求 SOA 系统中的所有服务对于其调用者来说都是位置透明的，也就是说，每个服务的调用者只需要知道想要调用的是哪一个服务，但并不需要知道所调用服务的物理位置在哪。

（5）协议无关性：协议无关性要求每一个服务都可以通过不同的协议来调用。另外，在许多传统的 IT 系统的内在部分采用的是硬连接，这种结构很难让企业快速响应市场的变化，而 SOA 能够重复利 用企业现有的资源，可以减轻企业运营成本，提升资源的使用效率，并且减轻企业维护人员的工作量，减少潜在的风险以及管理费用。

在业务方面和IT 方面带来许多优势：

（1）服务给精确的业务流程带来灵活性；

（2）使用服务来改善客户服务，而不必担心底层复杂的 IT 基础架构；

（3）可以迅速创建新的业务流程和复杂的应用程序，以适应市场变化；

5.4.3 高效灵活的开发体系（组件化、可视化）

对于整个系统中包含了不同功能和业务的子系统以及功能组件，首先对于各个子系统间的数据交互不受开发语言、 开发技术、 数据传输协议的限制，通过将各个子系统独立内聚，同时系统间交互采用SOA 架构，使得数据交互不受系统限制，同时将各个子系统设计成组件的形式，在整个平台实现可插拔，既保证了平台的可扩展性，同时保证了各个系统间的独立，不会相互影响。

5.4.4 标准化接口管理

接口管理主要以 web  service 的方式提供 WSDL 服务，不同架构的系统可以无缝的进行数据交换，提供 json 或者 web api 的方式数据，通过 http 传输，同样也具备多平台的共享。

5.4.5 采用七层负载均衡策略

图5-5 七层负载均衡

七层负载均衡策略，也称内容交换，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的服务器。由上图可知，其实七层负载均衡服务器起了一个代理服务器的作用，我们知道建立一次 TCP 连接要三次握手；而client 要访问 webserver 要 先与七层负载设备进行三次握手后建立TCP 连接，把要访问的报文信息发送给七层负载均衡；然后七层负载均衡再根据设置的均衡规则选择特定的 webserver，然后通过三次握手与此台 webserver 建立 TCP 连接，然后 webserver 把需要的数据发送给七层负载均衡设备，负载均衡设 备再把数据发送给 client；所以，七层负载均衡设备起到了代理服务器的作用。 

七层应用负载的好处是使得整个网络更“智能化”!例如，在网站的运行中，用户可以通过七层的方式，将图片类的请求通过缓存技术传输到特定的图片服务 器，将对文字类的请求通过压缩技术传输到特定的文字服务器。当然这只是七层应用的一个小案例，从技术原理上，这种方式可以对客户端的请求和服务器的响应进 行任意方式的修改，极大提升了应用系统在网络层的灵活性。很多在后台(例如Nginx 或者 Apache)上部署的功能可以前移到负载均衡设备上(例如客户 请求中的 Header 重写，服务器响应中的关键字过滤或者内容插入等)。另外一个常常被提到功能就是安全性。在网络中常见的 SYN Flood 攻击中，黑客会控制众多客户端(肉鸡)，使用虚假 IP 地址对同一目标发动 SYN 攻击，通常这种攻击会大量发送 SYN 报文，耗尽服务器上的相关资   源，以达到 Denial of Service(DoS)的目的。从技术原理上也可以看出，四层模式下这些SYN 攻击都会被转发到后端的服务器上;而在七层模式下这些 SYN 攻击自然在负 载均衡设备上就截止，不会影响后台服务器的正常运营。另外负载均衡设备可以在七层层面设定多种策略，过滤 SQL Injection 等应用层面的特定攻击手段，进一步提高系统整体安全。

5.4.6 数据库的读写分离与 Master-salve 机制

图5-6 数据库的读写分离示意图

对于一个高并发压力的系统来说， 其实主要压力在于 I/O 的读写，而 I/O 读写的压力在于磁盘的操作，其实就是数据库磁盘的操作，所以，如果优化数据库的读写是优化一个系统负载性能的关键。首先我们必须做到数据库部署于单独的服务器，因为在高访问量的情况下，数据库的计算压力是非常大的，几乎占据了大部分资源，所以必须和应用服务器分开。

其次，通过采用 Master-salve 机制，将数据库分为一个主数据库，和多个从数据库，主数据库和从数据库之间通过主从复制策略进行数据的同步；然后所有的 Write 操作（insert/update/delete），都在主数据库上进行，而所有的 read（select）操作在从数据库也就是salve 上进行，我们先期可以采用一主一从的模式，随着系统压力的上升，适时采用一主多从的模式，大大分散了数据操作的压力。

5.4.7 数据库连接池技术的使用

图5-7 数据库连接池应用

C3P0 是一个非常成熟稳定的数据库连接池，它能够很好的利用数据库连接，而不是每一个操作连接一次； 数据库连接是一种关键的有限的昂贵的资源，这一点在多用户的网页应用程序中体现得尤为突出。对数据库连接的管理能显著影响到整个应用程序的伸缩性和健壮性，影响到程序的性能指标。数据库连接池正是针对这个问题提出来的。数据库连接池负责分配、管理和释放数据库连接，它允许应用程序重复使用一个现有的数据库连接，而不是再重新建立一个；释放空闲时间超过最大空闲时间的数据库连接来避免因为没有释放数据库连接

而引起的数据库连接遗漏。这项技术能明显提高对数据库操作的性能。

5.5 软件功能设计

基于EPCIS的食品企业一体化溯源设备的软件实现结构图如下图所示：

图5-8 溯源设备软件框架

从图中可以看出，该系统主要应用在食品企业一体化溯源设备和手持机上。

食品企业一体化溯源设备的软件结构图包括：

（1）设备驱动层（工作在接口转换器中），该层主要用来完成各种数据采集设备的驱动工作。

（2）RFID中间件（工作在接口转换器中），该中间件主要负责对RFID读写器上报的数据进行整理、合并，将机器采集到海量标签信息转换为逻辑上的入库和出库的事件。

（3）采集数据解码（工作在接口转换器中），该模块主要负责将各种数据采集设备采集到的多种异构数据转化为统一的数据格式，便于集中处理。

（4）APP数据接口，负责与APP手机盘库机进行数据接口对接。

（5）数据预处理，对应于一系列的数据预处理加工逻辑，采集到的数据可能被分散到多张表存储，或者数据之间进行关联后再往一张表里面存储。

（6）食品安全溯源一体化设备数据库，该数据库内包含多张互相关联的表，并包含一系列存储过程和触发器，以供上层业务模块调用。

（7）物流管理子系统业务逻辑包括入库、出库、盘存销售管理等物流常用业务管理模块。

（8）用户界面则为食品安全溯源一体化设备和用户交互提供数据展示、输入输出等用户UI接口。

（9）视频监控协议栈，提供了视频监控接口，经过授权的用户可以远程查看企业的现场视频。

手持机的软件模块包括：

（1）手持盘库机设备驱动，主要是由手持盘库机底层操作系统完成该功能模块。

（2）手持盘库机数据接口，实现了手持盘库机与食品安全溯源一体化设备之间的数据接口。

（3）手持盘库机本地数据库，是由一个内置的小型sqllite数据库，实现数据的暂时存储。

（4）手持机业务逻辑由一系列的溯源数据采集逻辑组成，包括入库、出库、盘点、对比、清除等业务逻辑。

（5）APP用户界面提供了手持机和用户之间的UI接口。

5.5.1 软件总体功能

某食品有限公司试制设备研发软件重点在仓储环节，明确仓储环节软件功能如表5-2所示。

表5-2 仓储模块功能

某超市门店试制设备研发软件要求还必须满足在销售环节，明确销售环节软件功能如表5-3所示。

表5-3 销售环节模块功能

5.5.2 溯源数据采集包括如下

（1）产品入库：采购入库或者其他入库，自动生成入库单号，货品及可选择方便快捷，可以区分正常入库、退货入库等不同的入库方式，入库的时候应支持RFID标签信息采集、二维码条码信息采集。

（2）产品出库：销售出库或者其他出库，可以自动生成出库单号，可以区分正常出库、产品出库等不同的出库方式，入库的时候应支持RFID标签信息采集、二维码条码信息采集；

（3）库存管理：当入库和出库时，系统自动生成每类产品的库存数量，查询方便；

（4）特殊品库：当客户需要区分产品时，可以建立虚拟的仓库管理需要区分的产品，各功能和正常品库一致。

（5）盘点管理：用户随时可以盘点仓库，自动生成盘点单据，使盘点工作方便快捷。

其中包含手持机APP有出入库以及系统盘点功能。

图5-9 出入库APP系统架构图

5.5.3 仓储软件系统功能设计

仓储环节主要包括仓库管理系统和仓储数据中心模块；系统的功能参数设置，出入库的管理，实时库存管理以及库位的推荐及预警等功能。

（1）入库

1）通过推车(具有RFID 标签)将商品或者包装箱（均具有RFID 标签）推过入库RFID 扫描装置，RFID 读写器推车RFID 标志信息及该推车上的所有货物信息（若无RFID 读写器，则可通过通过手持机扫描商品/包装箱上的条码/二维码读取信息），若入库商品信息与入库单不符系统报警。

2）系统自动根据当前货位情况分配本次待入库产品需要摆入的货位。

3）操作工根据货位提醒将入库商品放到指定的货位。如果该产品未按要求放置到指定的货位（每个货位的商品进出都会被该货位的RFID 感应到），系统报警提示。

4）当待入库产品全部放置完毕，系统将自动统计本次入库的商品和数量供用户确认。

入库流程图：

图5-10 入库流程图

（2）出库

1）根据平台系统下发的出库订单，启动智能出库功能，系统根据出库单自动提示操作工从哪些货位取出商品，当如果取出的商品不是出库单列示的商品，系统则报警提示放回货位）。当取出正确地的商品时，将该货位的商品数量将将自动减少。

2）操作工根据提示取出出库单所示的所有商品时，系统提示已完成商品下架工作。同时智能货架上的商品数量实时刷新为最新实际数量

3）操作工将出库铲板推至出库的RFID 读写设备区域时，系统显示本铲板上的所有货品及数量，确认出库。

出库流程如下：

图5-11 出库流程图

（3）盘点

1）选择盘点计划单，开始盘点产品信息。

2）点击盘点结束，将盘点数据与系统计划单进行对比，判断结果是否一致，盘点是否正确。

3）如果一致盘点完成。

4）如果不一致，报警提示，找出实物和ERP系统数据的差异，人工进行确认，并对差异结果进行处理。

盘点流程图如下：

图5-12 盘点流程图

 5.5.4 销售软件系统功能设计

销售环节主要包括智能导购、商品溯源查询及销售数据中心模块；具体有系统的功能参数设置，商品入库的管理，商品溯源信息查询以及销售防盗报警等功能。

（1）入库

1）将具有RFID 标签商品或者包装箱（均具有RFID 标签）推过入库RFID 扫描装置，通过手持机扫描商品/包装箱上的条码/二维码读取信息），若入库商品信息与数据中心系统数据不符系统报警。

2）当待入库产品全部放置完毕，系统将自动统计本次入库的商品和数量供用户确认。

入库流程图：

图5-13 入库流程图

（2）商品显示

点击商品查询，将商品标签编码读出，查询相关信息。

图5-14 商品查询详情页面

（3）自动结算、防盗

将购物车推到RFID 结算通道进行结算：将购物车内的商品。购物车推至RFID 读写区，销售系统自动显示商品及数量、单价，以及本笔消费的总价，进行结算。

销售结算流程图如下：

图5-15 销售结算流程图

 （4）APP(安卓客户端)服务器设计

移动端服务器主要与 app 应用端进行交互，主要负责提供和处理移动端提交的业务数据，将数据写入到数据库中。数据传递格式采用 json，基于 http 协议，以 restful 的接口方式对 app 端程序提供支持。

整个移动端服务器架构采用 MVC 的模式，利用 Spring MVC 框架控制程序的耦合，利用 mybatis 进行数据的面向对象的实例化，既保持了 SQL 的灵活性又充分利用了数据库面向对象技术的优点。

图5-16 移动端系统架构图

5.6 技术应用方向及发展规划

通过建立食品（肉、蔬菜类等）安全追溯体系将很好的解决食品（肉、蔬菜类等）批发市场存在的上述问题，本系统以行业定制化的软硬件方案实现以RFID技术为核心的食品（肉、蔬菜类等）质量安全追溯信息管理模式，并对众多的异构信息进行转换、融合和挖掘，实现以RFID为关键索引的信息应用服务，同时所提供食品（肉、蔬菜类等）示范性应用全面涉及食品（肉、蔬菜类等）供应链的种植（养殖）、配送、物流、产品检验、批发、市场销售等诸多环节的信息采集、记录与交换，低成本高效率的硬件方案和完备的信息共享交换软件技术支撑平台无缝结合，严密的数据认证和访问控制设计机制，为不同对象涉及食品（肉、蔬菜类等）的质量安全应用服务提供了坚实基础。平台的建设将有利于指导农村规模化科学生产，优化传统批发流通企业的信息化管理流程，简化和加快企业与政府监管部门的信息交换，同时也充分满足消费者对食品信息的知情权。 

来源：中国食品行业追溯体系发展报告（2016-2017）