基于物聯網的果蔬質量追溯系統的設計及實現.pdf

60 電子技術與軟件工程 Electronic Technology & Software Engineering軟件開發(fā) nullSoftware Development【關鍵詞】 物聯網 果蔬 質量追溯 射頻識別蔬菜營養(yǎng)價值極高，是人們健康飲食不可缺少的物質。根據我國蔬菜行業(yè)專家的分析和預測，我國大棚蔬菜種植自 2013 年以來市場需求量和市場供應量持續(xù)增長，預測到大棚蔬菜的前景不太光明。主要原因是一些商家鼠目寸光，被利益蒙蔽雙眸，為了增大產量，美化蔬菜外觀，昧著良心造成大量食品安全事件的發(fā)生。染色草莓，尿素豆芽、拋光橙子、植物激素濫用等事件沖擊著人們的視野，考驗民眾的耐心，更激起了大眾對食品安全及自身健康的擔憂。因此需要建設一套蔬菜質量追溯系統來監(jiān)測蔬菜農產品的生長過程，間接的保障蔬菜農產品的質量安全。物聯網作為新時代的寵兒，其技術被廣泛應用到傳統農業(yè)的生產過程中，為實現供應鏈中物品自動化的跟蹤和追溯提供了基礎平臺。構建基于物聯網的蔬菜質量追溯系統需要實現從蔬菜種植到銷售全過程的農產品信息的追溯。蔬菜質量追溯系統的推廣對企業(yè)蔬菜農作物的生產進行了有效的監(jiān)督，間接的提高了蔬菜農產品的質量，可以間接的降低食品安全事件的發(fā)生，只有這樣國家才能繁榮昌盛?？墒悄壳皣鴥妊芯康氖卟速|量追溯系統其追溯的內容有點簡單，其溯源信息的采集不是很精準，沒有形成一個完整的供應鏈，不能全面的對蔬菜農產品質量進行有效的監(jiān)督，所以本設計來進行一個基于物聯網的蔬菜質量追溯系統研究。1 系統總體設計方案基于物聯網的果蔬質量追溯系統的設計及實現文/張鳳英1厚琳2果蔬中含有豐富的維生素及微量元素，針對后工業(yè)時代不良商家對果蔬添加有害健康的物質，設計了基于物聯網的果蔬質量追溯系統，系統結構框架完善，硬件數據采集部分核心部件采用單片機主控模塊（STC89C52），連接光敏和溫濕度傳感元件采集蔬菜種植環(huán)境相關信息。為了更高效的采集農產品信息，引入了射頻識別模塊、藍牙作為無線通信技術搭建了硬件信息采集和軟件監(jiān)測的橋梁。開發(fā)了基于智能手機的APP用以實時監(jiān)測各項數據，實現了基于物聯網的蔬菜質量追溯系統設計。摘要基于物聯網的蔬菜質量追溯系統進行設計，完成蔬菜農產品種植過程中數據的采集并將信息顯示。本設計將單片機系統引入到蔬菜質量追溯系統的設計中，設計了基于 RFID 和無線傳輸的蔬菜質量追溯系統，如同“大腦”的單片機作為主控單元將電源接口模塊、液晶顯示接口模塊、光照強度采集模塊、土壤溫濕度采集模塊、 RFID 射頻識別模塊、數模轉換模塊、藍牙等各大模塊進行控制。無線通信藍牙技術作為硬件信息采集系統和軟件實時監(jiān)測系統的橋梁，把硬件系統采集的種植信息發(fā)送到移動終端 APP，實現了硬件數據采集部分和軟件監(jiān)測部分的信息可靠傳輸，移動終端可以進行實時的檢測。移動終端分管理員和顧客兩種登錄權限，管理員用讀卡器掃描射頻卡后對蔬菜基本信息進行修改、發(fā)布和管理。顧客掃描電子標簽后可以看到產品詳細信息，不能修改，來實現蔬菜質量的追溯，基于物聯網的蔬菜質量追溯系統要進行追溯信息采集（硬件部分來實現）、企業(yè)認證申請（農產品監(jiān)管部門審核）、追溯信息管理（從種植到銷售信息管理）這三大功能來實行蔬菜質量追溯系統的智能化操作，構建方便快捷的蔬菜質量追溯系統，基于物聯網的蔬菜質量追溯系統結整體結構圖如圖 1 所示。2 系統硬件設計整個系統中對蔬菜種植環(huán)境信息以及農產品信息采集采集部分，選擇單片機作為核心控制系統 ，單片機作為“大腦”實時與傳感器模塊和射頻識別模塊保持著實時通信，不斷從它們那里獲取新檢測到的數據，并在內部進行分析處理。在蔬菜農產品種植地過程中，對蔬菜種植環(huán)境的溫濕度和光照的采集相當重要，所以我們要用到溫濕度和光敏傳感元件對溫濕度數據進行實時的采集，為蔬菜農產品提供更好的生長環(huán)境；由于采集的光照和溫濕度是模擬信號，需要轉換成數字信號讓單片機進行邏輯計算再在液晶顯示屏上顯示，所以離不開數模轉換和液晶顯示屏；為了更高效的采集農產品信息，我們引入了 RFID 射頻識別模塊，射頻識別模塊通過電子標簽采集蔬菜農產品數據（品種，生產批次，產地）等詳細信息，電子標簽通過掃描讀寫器在移動終端顯示蔬菜基本信息；藍牙作為無線通信技術搭建起了硬件信息采集和軟件顯示監(jiān)測的橋梁，硬件結構框圖如圖 2 所示。在基于物聯網的蔬菜質量追溯系統設計中，單片機選用的是 STC89C52。通過各元件反饋的信息，及時進行處理并將結果再傳送到各端口，實現既定的控制功能，以滿足性能要求。整個系統的功能是通過各個元件獨立正常運行來完成工作的，其中最關鍵和復雜的是如何進行溫濕度、光照強度、農產品信息的采集并自動顯示，這就需要依靠一個強大的“大腦”來處理。 STC89C52 系列單片機因為其高速、低功耗、抗干擾強、價格低廉被廣大用戶青睞和使用；它擁有簡單的外圍電路，并且具有強大的運算功能，靈活度大，不存在方向寄存器的說法，所以 STC89C52 是最佳的選擇。編程簡單，利用 Keil 軟件編程可以實現相關算法和數字邏輯控制，在生活中我們發(fā)現它體積小，占用空間小，“麻雀雖小，五臟俱全”，STC89C52 單片機中包含中央處理器（ CPU）,程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時 / 計數器、通用異步收發(fā)收發(fā)傳輸器串口、可多次擦除編程等模塊。在蔬菜質量追溯的過程中，單片機上電工作后，使用 STC89C52 單片機作為核心控制模塊對蔬菜種植環(huán)境當前的溫濕度值和光照值進行實時測量，取得數據后直接在液晶顯 基金項目：山西省教育科學“十二五”規(guī)劃課題“教師遠程培訓移動學習與管理系統的開發(fā)”（課題編號 GH-11078）；山西大同大學校級青年研究項目“基于 IEEE802.15.4 的無線自組網的研究與設計”（項目編號 2011Q 7）。圖 1：系統總體方案設計框圖圖 2：采集系統硬件結構框圖Software Development 軟件開發(fā)Electronic Technology & Software Engineering 電子技術與軟件工程 61 下轉 62 頁示屏 LCD1602 上顯示給用戶；同時硬件信息采集系統通過藍牙這條橋梁把采集到的信息快速的發(fā)送到上位機移動終端，這樣硬件信息采集部分和軟件實時監(jiān)測部分就能完美的連接。管理員可以通過上位機對蔬菜種植環(huán)境的溫濕度和光照強度進行控制，從而達到遠程監(jiān)控的目的。繼電器開關、測溫單元和感濕單元等組成了溫濕度傳感器電路；繼電器開關和發(fā)光電源組成了光敏傳感器電路。溫濕度傳感器和光照強度傳感器作為硬件采集系統的輸入部分，STC89C52 單片機通過一系列驅動程序、繼電開關以及光敏和溫濕度傳感元件從而進行遠程智能化溫濕度控制和人工補充光照。無線通信藍牙技術把硬件系統采集的溫濕度和光照強度信息發(fā)送給上位機移動終端，實現蔬菜種植環(huán)境的數據分析，從而得到溫濕度和人工光照的最優(yōu)控制。在進行蔬菜種植環(huán)境信息采集的過程中使用了 DHT11 傳感器和光敏電阻 GL5516，DHT11 數字溫濕度傳感器集合溫度和濕度采集復合功能且有精準的數字信號輸出，很適合溫濕度的測量，這就是使用它的原因。 DHT數字溫濕度傳感器應用了先進的技術，比如溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術，正是先進優(yōu)良技術的應用使傳感器可靠性高。它不僅體積小巧精致、技術先進、價格低廉，還能直接集成測量溫度和濕度的功能。電容式感濕元件和一個 NTC 測溫元件組成了 DHT11 溫濕度傳感器，另外， DHT11 數字溫濕度傳感器有校準功能是因為有存放校準系數的地方，一塊一次性可編程 OTP 內存。在對種植環(huán)境光照強度采集的過程中，我們使用的是 GL5516 光敏電阻，它適用于高照度的光照采集，只有光敏電阻是無法進行的，還需要用到繼電開關，可以對傳感器的靈敏度進行調節(jié)。這樣光敏傳感器就可以把光信號轉換為電信號。總的來說，這款光敏傳感器測量相對來說還是比較精準的。用熱固性環(huán)氧樹脂封裝可靠性高，外形小巧玲瓏，靈敏度高、反應快測量光照精準。在本系統，我們需要將硬件電路采集到的蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度數據以及農產品詳細信息發(fā)送到上位機移動終端以圖形化的界面顯示，方便管理員和用戶進行農產品相關數據查詢，同時達到遠程監(jiān)控的目的，所以我選擇了穩(wěn)定、可靠、價格低廉、低功耗、易調試的藍牙模塊 HC-05。3 上位機軟件設計及實現系統軟件把蔬菜種植環(huán)境溫濕度、光照強度數據以及農產品詳細信息發(fā)送到上位機，以便管理員和顧客進行農產品追溯。主要由數據采集、數據傳輸、上位機 APP 監(jiān)測三大部分組成。蔬菜生長環(huán)境信息采集系統是整個系統的核心設計，蔬菜農產品受季節(jié)性的影響，農產品價格也會隨之波動，而且容易變質，所以在對蔬菜質量進行追溯的過程中采集與質量安全相關的信息非常重要。采集的信息包括培育、種植、用藥、加工、儲運、以及銷售各環(huán)節(jié)信息。如果不能采集到蔬菜質量追溯系統的整個環(huán)節(jié)信息，就不能了解蔬菜質量追溯的整個過程，一旦蔬菜質量出現問題就不能進行有效的的查詢，也就不能保障蔬菜質量的安全，構建這樣的蔬菜質量追溯系統也就沒有實際意義了，所以蔬菜質量追溯系統要對蔬菜的詳細信息進行采集，信息采集的過程如圖 3 所示。圖 4：蔬菜質量追溯系統智能終端 APP 功能結構框圖圖 3：信息采集結構框圖圖 5：上位機 APP 界面截圖62 電子技術與軟件工程 Electronic Technology & Software Engineering軟件開發(fā) nullSoftware Development【關鍵詞】 鐵路 氣象服務 系統設計 功能實現1 引言隴南市位于甘肅省東南部，區(qū)域內地形地質構造復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，滑坡、泥石流地質災害分布廣泛，危害嚴重，是我國四大滑坡、泥石流集中高發(fā)區(qū)之一。由于地理環(huán)境因蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統設計與開發(fā)文/張燕 魏邦憲 劉麗隴南市是我國四大滑坡、泥石流集中高發(fā)區(qū)之一，境內鐵路交通經常受到暴雨（洪澇）、冰雹、大風、雷電等災害性天氣影響。蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統實現了隴南段鐵路沿線天氣實時監(jiān)測、信息共享、氣象預報預警等專業(yè)氣象服務，為隴南市鐵路部門積極應對災害性天氣事件，合理制定運營安全策略提供了有效的氣象服務。摘要素，隴南市境內鐵路經常受暴雨、冰雹、雷電、大風等氣象災害以及由此而引發(fā)的次生災害如山洪、泥石流、滑坡、崩塌等影響，鐵路的連續(xù)安全運營受到嚴重威脅。為了提前預防氣象災害及其次生災害對鐵路運營的影響，確保鐵路系統的安全運營，2017 年隴南市氣象局與隴南市鐵路部門合作開展了氣象專業(yè)服務工作。通過調研其他地區(qū)鐵路交通氣象服務方式，隴南市氣象局設計開發(fā)了蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統，實現了蘭渝鐵路隴南段沿線天氣實況監(jiān)測、信息共享、氣象預報預警等專業(yè)氣象服務，為隴南市鐵路部門積極應對災害性天氣事件，合理制定運營安全策略提供了有效的氣象服務。2 系統結構設計蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統基于GIS 技術，應用數據庫和網絡技術，采用 B/S架構，軟件使用 Silverlight、C# 設計開發(fā)。在隴南市氣象局建立了系統服務器，鐵路部門通過瀏覽器能夠方便快捷的查詢、統計、分析蘭渝鐵路隴南段沿線相關站點雨量、溫度、大風等實時監(jiān)測資料和各類天氣預報、預警信息。系統服務器端由數據存儲服務器、 Web 服務器和數據交換系統組成。2.1 數據存儲服務器數據存儲服務器采用 Oracle建立數據庫，作為蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統的數據來源。根據數據結構和類別的不同分別建立了基本信息數據庫、實時監(jiān)測數據庫、預報預警數據庫和歷史數據庫四類數據庫?；拘畔祿旖⒘颂m渝鐵路隴南段沿線監(jiān)測站點信息、應急管理人員信息、地質災害隱患點信息 ( 滑坡、泥石流、坍塌等 ) 及GIS 信息等基本信息數據庫；實時監(jiān)測數據庫運用整合后統一的標準和格式存儲蘭渝鐵路隴南段沿線自動氣象站和雨量站實時監(jiān)測數據及衛(wèi)星云圖、天氣雷達等監(jiān)測數據。并由數據交換系統對實時監(jiān)測數據進行自動整理，形成日、旬、月、年統計數據后存入歷史數據庫并長期儲存，以便于開展氣象災害防御研究時使用；預報預警數據庫用于存儲蘭渝鐵路隴南段沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報、數值格點預報、中長期預報、災害性天氣預警、專題服務材料等信息。2.2 Web服務器Web 服務器使用 IIS（Internet 信息服務器）建立系統發(fā)布平臺。隴南鐵路部門使用瀏覽器通過公網 IP 訪問蘭渝鐵路隴南段氣象信息服務系統。為了 Web 服務器的運行安全，采取了設置安全策略、增加防火墻設備、劃分虛擬局域網等方式，加強 Web 服務器的安全防護。為方便管理員和顧客對農產品生長過程進行追溯，上位機選擇使用已經普及并且較之于電腦更加便捷的智能手機，移動終端 APP開發(fā)基于 Android 進行設計實現。為方便管理移動終端設計有兩種權限，分管理員和顧客兩種登錄方式，管理員可以用電子標簽掃描讀寫器也可以手動修改產品的種類、價格、品種等信息。顧客掃描電子標簽后可以看到產品詳細信息，只能查看，不能修改，來實現蔬菜質量的追溯，來達到本系統的設計要求。移動終端APP 結構功能框圖如圖 4 所示。管理員和顧客登錄系統可以對實時采集蔬菜種植環(huán)境的數據以及農產品詳細信息進行查看，管理員擁有更高的權限，通過射頻卡掃描讀寫器進行跳轉后對農產品的產地、品種、價格進行修改并發(fā)布；而顧客只能查看發(fā)布的農產品詳細信息，同時也保障了蔬菜農產品的質量。登錄后，就可以看到農產品信息，在 APP 的頂端可以看到實時變化的的蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度信息。用射頻卡掃描讀寫器后進行跳轉，可以以圖片的形式看到蔬菜種植環(huán)境，還可以對農產品的名稱、品種、價格、保質期信息進行修改，修改完信息后點擊 APP 界面右上角的“確定”，這樣農產品信息更新。顧客登陸后，讀寫器掃描射頻卡后，只能查看蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度，農產品的生產基地，名稱、品種、保質期、價格，顧客的權限有限，只能查看，而不能修改。上位機 APP 界面截圖如圖 5 所示。4 結束語本次設計使用 STC89C52 作為蔬菜質量追溯硬件系統的控制核心，采用溫濕度傳感器傳感器、光敏傳感器和 AD 模塊組成的電路實現蔬菜種植環(huán)境數據信息的采集；實時顯示蔬菜種植環(huán)境的溫濕度、光照強度以及射頻卡ID；藍牙無線通信技術作為硬件采集系統與軟件實時監(jiān)測系統的橋梁，把單片機主控模塊與移動終端 APP 相連，APP 程序將硬件系統采集的信息清晰、明了的展現該用戶，充分的實現了人機交互。實現了對蔬菜種植過程環(huán)境的全程監(jiān)測，大大提高了對蔬菜質量的監(jiān)督和管理。參考文獻1 許博明 . 基于物聯網的蔬菜質量追溯系統設計與實現 D. 北京交通大學 ,2017.2 李友水 . 基于物聯網的蔬菜質量安全追溯系統設計與實現 D. 河南師范大學 ,20163盧磊,張峰.基于物聯網的蔬菜可追溯系統的設計與實現J.電子設計工程 ,2011,19(07):19-22.4 姚榮 . 基于物聯網技術的西安市蔬菜供應鏈追溯系統研究 D. 長安大學 ,2013.5 于軍 , 隋韌峰 . 基于單片機 STC89C52 溫濕度測控系統的設計 J. 吉林化工學院學 ,2014.6 刁海亭 , 聶宜民 . 蔬菜安全可追溯系統的研究進展J.山東農業(yè)大學學報(自然科學版 ),2014,45(02):316-320.7許世衛(wèi).我國農業(yè)物聯網發(fā)展現狀及對策分析J.中國科學院院刊 ,2013,28(06):686.8李長有,王文華.基于DHT11傳感器的溫濕度采集系統J.計算機與現代化 ,2013(11):133-135.作者簡介張鳳英（1980-），女，山西省大同市人。碩士學位。山西大同大學教育科學與技術學院講師。主要研究方向為物聯網技術和計算機教育。作者單位1. 山西大同大學教育科學與技術學院 山西省大同市 0370092. 中北大學朔州校區(qū)電氣與計算機教學研究室 山西省朔州市 036000 上接 61 頁