基于物联网的果蔬质量追溯系统的设计及实现.pdf

60 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering软件开发 nullSoftware Development【关键词】 物联网 果蔬 质量追溯 射频识别蔬菜营养价值极高，是人们健康饮食不可缺少的物质。根据我国蔬菜行业专家的分析和预测，我国大棚蔬菜种植自 2013 年以来市场需求量和市场供应量持续增长，预测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，被利益蒙蔽双眸，为了增大产量，美化蔬菜外观，昧着良心造成大量食品安全事件的发生。染色草莓，尿素豆芽、抛光橙子、植物激素滥用等事件冲击着人们的视野，考验民众的耐心，更激起了大众对食品安全及自身健康的担忧。因此需要建设一套蔬菜质量追溯系统来监测蔬菜农产品的生长过程，间接的保障蔬菜农产品的质量安全。物联网作为新时代的宠儿，其技术被广泛应用到传统农业的生产过程中，为实现供应链中物品自动化的跟踪和追溯提供了基础平台。构建基于物联网的蔬菜质量追溯系统需要实现从蔬菜种植到销售全过程的农产品信息的追溯。蔬菜质量追溯系统的推广对企业蔬菜农作物的生产进行了有效的监督，间接的提高了蔬菜农产品的质量，可以间接的降低食品安全事件的发生，只有这样国家才能繁荣昌盛。可是目前国内研究的蔬菜质量追溯系统其追溯的内容有点简单，其溯源信息的采集不是很精准，没有形成一个完整的供应链，不能全面的对蔬菜农产品质量进行有效的监督，所以本设计来进行一个基于物联网的蔬菜质量追溯系统研究。1 系统总体设计方案基于物联网的果蔬质量追溯系统的设计及实现文/张凤英1厚琳2果蔬中含有丰富的维生素及微量元素，针对后工业时代不良商家对果蔬添加有害健康的物质，设计了基于物联网的果蔬质量追溯系统，系统结构框架完善，硬件数据采集部分核心部件采用单片机主控模块（STC89C52），连接光敏和温湿度传感元件采集蔬菜种植环境相关信息。为了更高效的采集农产品信息，引入了射频识别模块、蓝牙作为无线通信技术搭建了硬件信息采集和软件监测的桥梁。开发了基于智能手机的APP用以实时监测各项数据，实现了基于物联网的蔬菜质量追溯系统设计。摘要基于物联网的蔬菜质量追溯系统进行设计，完成蔬菜农产品种植过程中数据的采集并将信息显示。本设计将单片机系统引入到蔬菜质量追溯系统的设计中，设计了基于 RFID 和无线传输的蔬菜质量追溯系统，如同“大脑”的单片机作为主控单元将电源接口模块、液晶显示接口模块、光照强度采集模块、土壤温湿度采集模块、 RFID 射频识别模块、数模转换模块、蓝牙等各大模块进行控制。无线通信蓝牙技术作为硬件信息采集系统和软件实时监测系统的桥梁，把硬件系统采集的种植信息发送到移动终端 APP，实现了硬件数据采集部分和软件监测部分的信息可靠传输，移动终端可以进行实时的检测。移动终端分管理员和顾客两种登录权限，管理员用读卡器扫描射频卡后对蔬菜基本信息进行修改、发布和管理。顾客扫描电子标签后可以看到产品详细信息，不能修改，来实现蔬菜质量的追溯，基于物联网的蔬菜质量追溯系统要进行追溯信息采集（硬件部分来实现）、企业认证申请（农产品监管部门审核）、追溯信息管理（从种植到销售信息管理）这三大功能来实行蔬菜质量追溯系统的智能化操作，构建方便快捷的蔬菜质量追溯系统，基于物联网的蔬菜质量追溯系统结整体结构图如图 1 所示。2 系统硬件设计整个系统中对蔬菜种植环境信息以及农产品信息采集采集部分，选择单片机作为核心控制系统 ，单片机作为“大脑”实时与传感器模块和射频识别模块保持着实时通信，不断从它们那里获取新检测到的数据，并在内部进行分析处理。在蔬菜农产品种植地过程中，对蔬菜种植环境的温湿度和光照的采集相当重要，所以我们要用到温湿度和光敏传感元件对温湿度数据进行实时的采集，为蔬菜农产品提供更好的生长环境；由于采集的光照和温湿度是模拟信号，需要转换成数字信号让单片机进行逻辑计算再在液晶显示屏上显示，所以离不开数模转换和液晶显示屏；为了更高效的采集农产品信息，我们引入了 RFID 射频识别模块，射频识别模块通过电子标签采集蔬菜农产品数据（品种，生产批次，产地）等详细信息，电子标签通过扫描读写器在移动终端显示蔬菜基本信息；蓝牙作为无线通信技术搭建起了硬件信息采集和软件显示监测的桥梁，硬件结构框图如图 2 所示。在基于物联网的蔬菜质量追溯系统设计中，单片机选用的是 STC89C52。通过各元件反馈的信息，及时进行处理并将结果再传送到各端口，实现既定的控制功能，以满足性能要求。整个系统的功能是通过各个元件独立正常运行来完成工作的，其中最关键和复杂的是如何进行温湿度、光照强度、农产品信息的采集并自动显示，这就需要依靠一个强大的“大脑”来处理。 STC89C52 系列单片机因为其高速、低功耗、抗干扰强、价格低廉被广大用户青睐和使用；它拥有简单的外围电路，并且具有强大的运算功能，灵活度大，不存在方向寄存器的说法，所以 STC89C52 是最佳的选择。编程简单，利用 Keil 软件编程可以实现相关算法和数字逻辑控制，在生活中我们发现它体积小，占用空间小，“麻雀虽小，五脏俱全”，STC89C52 单片机中包含中央处理器（ CPU）,程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时 / 计数器、通用异步收发收发传输器串口、可多次擦除编程等模块。在蔬菜质量追溯的过程中，单片机上电工作后，使用 STC89C52 单片机作为核心控制模块对蔬菜种植环境当前的温湿度值和光照值进行实时测量，取得数据后直接在液晶显 基金项目：山西省教育科学“十二五”规划课题“教师远程培训移动学习与管理系统的开发”（课题编号 GH-11078）；山西大同大学校级青年研究项目“基于 IEEE802.15.4 的无线自组网的研究与设计”（项目编号 2011Q 7）。图 1：系统总体方案设计框图图 2：采集系统硬件结构框图Software Development 软件开发Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程 61 下转 62 页示屏 LCD1602 上显示给用户；同时硬件信息采集系统通过蓝牙这条桥梁把采集到的信息快速的发送到上位机移动终端，这样硬件信息采集部分和软件实时监测部分就能完美的连接。管理员可以通过上位机对蔬菜种植环境的温湿度和光照强度进行控制，从而达到远程监控的目的。继电器开关、测温单元和感湿单元等组成了温湿度传感器电路；继电器开关和发光电源组成了光敏传感器电路。温湿度传感器和光照强度传感器作为硬件采集系统的输入部分，STC89C52 单片机通过一系列驱动程序、继电开关以及光敏和温湿度传感元件从而进行远程智能化温湿度控制和人工补充光照。无线通信蓝牙技术把硬件系统采集的温湿度和光照强度信息发送给上位机移动终端，实现蔬菜种植环境的数据分析，从而得到温湿度和人工光照的最优控制。在进行蔬菜种植环境信息采集的过程中使用了 DHT11 传感器和光敏电阻 GL5516，DHT11 数字温湿度传感器集合温度和湿度采集复合功能且有精准的数字信号输出，很适合温湿度的测量，这就是使用它的原因。 DHT数字温湿度传感器应用了先进的技术，比如温湿度传感技术和数字模块采集技术，正是先进优良技术的应用使传感器可靠性高。它不仅体积小巧精致、技术先进、价格低廉，还能直接集成测量温度和湿度的功能。电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件组成了 DHT11 温湿度传感器，另外， DHT11 数字温湿度传感器有校准功能是因为有存放校准系数的地方，一块一次性可编程 OTP 内存。在对种植环境光照强度采集的过程中，我们使用的是 GL5516 光敏电阻，它适用于高照度的光照采集，只有光敏电阻是无法进行的，还需要用到继电开关，可以对传感器的灵敏度进行调节。这样光敏传感器就可以把光信号转换为电信号。总的来说，这款光敏传感器测量相对来说还是比较精准的。用热固性环氧树脂封装可靠性高，外形小巧玲珑，灵敏度高、反应快测量光照精准。在本系统，我们需要将硬件电路采集到的蔬菜种植环境的温湿度、光照强度数据以及农产品详细信息发送到上位机移动终端以图形化的界面显示，方便管理员和用户进行农产品相关数据查询，同时达到远程监控的目的，所以我选择了稳定、可靠、价格低廉、低功耗、易调试的蓝牙模块 HC-05。3 上位机软件设计及实现系统软件把蔬菜种植环境温湿度、光照强度数据以及农产品详细信息发送到上位机，以便管理员和顾客进行农产品追溯。主要由数据采集、数据传输、上位机 APP 监测三大部分组成。蔬菜生长环境信息采集系统是整个系统的核心设计，蔬菜农产品受季节性的影响，农产品价格也会随之波动，而且容易变质，所以在对蔬菜质量进行追溯的过程中采集与质量安全相关的信息非常重要。采集的信息包括培育、种植、用药、加工、储运、以及销售各环节信息。如果不能采集到蔬菜质量追溯系统的整个环节信息，就不能了解蔬菜质量追溯的整个过程，一旦蔬菜质量出现问题就不能进行有效的的查询，也就不能保障蔬菜质量的安全，构建这样的蔬菜质量追溯系统也就没有实际意义了，所以蔬菜质量追溯系统要对蔬菜的详细信息进行采集，信息采集的过程如图 3 所示。图 4：蔬菜质量追溯系统智能终端 APP 功能结构框图图 3：信息采集结构框图图 5：上位机 APP 界面截图62 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering软件开发 nullSoftware Development【关键词】 铁路 气象服务 系统设计 功能实现1 引言陇南市位于甘肃省东南部，区域内地形地质构造复杂，生态环境脆弱，滑坡、泥石流地质灾害分布广泛，危害严重，是我国四大滑坡、泥石流集中高发区之一。由于地理环境因兰渝铁路陇南段气象信息服务系统设计与开发文/张燕 魏邦宪 刘丽陇南市是我国四大滑坡、泥石流集中高发区之一，境内铁路交通经常受到暴雨（洪涝）、冰雹、大风、雷电等灾害性天气影响。兰渝铁路陇南段气象信息服务系统实现了陇南段铁路沿线天气实时监测、信息共享、气象预报预警等专业气象服务，为陇南市铁路部门积极应对灾害性天气事件，合理制定运营安全策略提供了有效的气象服务。摘要素，陇南市境内铁路经常受暴雨、冰雹、雷电、大风等气象灾害以及由此而引发的次生灾害如山洪、泥石流、滑坡、崩塌等影响，铁路的连续安全运营受到严重威胁。为了提前预防气象灾害及其次生灾害对铁路运营的影响，确保铁路系统的安全运营，2017 年陇南市气象局与陇南市铁路部门合作开展了气象专业服务工作。通过调研其他地区铁路交通气象服务方式，陇南市气象局设计开发了兰渝铁路陇南段气象信息服务系统，实现了兰渝铁路陇南段沿线天气实况监测、信息共享、气象预报预警等专业气象服务，为陇南市铁路部门积极应对灾害性天气事件，合理制定运营安全策略提供了有效的气象服务。2 系统结构设计兰渝铁路陇南段气象信息服务系统基于GIS 技术，应用数据库和网络技术，采用 B/S架构，软件使用 Silverlight、C# 设计开发。在陇南市气象局建立了系统服务器，铁路部门通过浏览器能够方便快捷的查询、统计、分析兰渝铁路陇南段沿线相关站点雨量、温度、大风等实时监测资料和各类天气预报、预警信息。系统服务器端由数据存储服务器、 Web 服务器和数据交换系统组成。2.1 数据存储服务器数据存储服务器采用 Oracle建立数据库，作为兰渝铁路陇南段气象信息服务系统的数据来源。根据数据结构和类别的不同分别建立了基本信息数据库、实时监测数据库、预报预警数据库和历史数据库四类数据库。基本信息数据库建立了兰渝铁路陇南段沿线监测站点信息、应急管理人员信息、地质灾害隐患点信息 ( 滑坡、泥石流、坍塌等 ) 及GIS 信息等基本信息数据库；实时监测数据库运用整合后统一的标准和格式存储兰渝铁路陇南段沿线自动气象站和雨量站实时监测数据及卫星云图、天气雷达等监测数据。并由数据交换系统对实时监测数据进行自动整理，形成日、旬、月、年统计数据后存入历史数据库并长期储存，以便于开展气象灾害防御研究时使用；预报预警数据库用于存储兰渝铁路陇南段沿线乡镇预报、数值格点预报、中长期预报、灾害性天气预警、专题服务材料等信息。2.2 Web服务器Web 服务器使用 IIS（Internet 信息服务器）建立系统发布平台。陇南铁路部门使用浏览器通过公网 IP 访问兰渝铁路陇南段气象信息服务系统。为了 Web 服务器的运行安全，采取了设置安全策略、增加防火墙设备、划分虚拟局域网等方式，加强 Web 服务器的安全防护。为方便管理员和顾客对农产品生长过程进行追溯，上位机选择使用已经普及并且较之于电脑更加便捷的智能手机，移动终端 APP开发基于 Android 进行设计实现。为方便管理移动终端设计有两种权限，分管理员和顾客两种登录方式，管理员可以用电子标签扫描读写器也可以手动修改产品的种类、价格、品种等信息。顾客扫描电子标签后可以看到产品详细信息，只能查看，不能修改，来实现蔬菜质量的追溯，来达到本系统的设计要求。移动终端APP 结构功能框图如图 4 所示。管理员和顾客登录系统可以对实时采集蔬菜种植环境的数据以及农产品详细信息进行查看，管理员拥有更高的权限，通过射频卡扫描读写器进行跳转后对农产品的产地、品种、价格进行修改并发布；而顾客只能查看发布的农产品详细信息，同时也保障了蔬菜农产品的质量。登录后，就可以看到农产品信息，在 APP 的顶端可以看到实时变化的的蔬菜种植环境的温湿度、光照强度信息。用射频卡扫描读写器后进行跳转，可以以图片的形式看到蔬菜种植环境，还可以对农产品的名称、品种、价格、保质期信息进行修改，修改完信息后点击 APP 界面右上角的“确定”，这样农产品信息更新。顾客登陆后，读写器扫描射频卡后，只能查看蔬菜种植环境的温湿度、光照强度，农产品的生产基地，名称、品种、保质期、价格，顾客的权限有限，只能查看，而不能修改。上位机 APP 界面截图如图 5 所示。4 结束语本次设计使用 STC89C52 作为蔬菜质量追溯硬件系统的控制核心，采用温湿度传感器传感器、光敏传感器和 AD 模块组成的电路实现蔬菜种植环境数据信息的采集；实时显示蔬菜种植环境的温湿度、光照强度以及射频卡ID；蓝牙无线通信技术作为硬件采集系统与软件实时监测系统的桥梁，把单片机主控模块与移动终端 APP 相连，APP 程序将硬件系统采集的信息清晰、明了的展现该用户，充分的实现了人机交互。实现了对蔬菜种植过程环境的全程监测，大大提高了对蔬菜质量的监督和管理。参考文献1 许博明 . 基于物联网的蔬菜质量追溯系统设计与实现 D. 北京交通大学 ,2017.2 李友水 . 基于物联网的蔬菜质量安全追溯系统设计与实现 D. 河南师范大学 ,20163卢磊,张峰.基于物联网的蔬菜可追溯系统的设计与实现J.电子设计工程 ,2011,19(07):19-22.4 姚荣 . 基于物联网技术的西安市蔬菜供应链追溯系统研究 D. 长安大学 ,2013.5 于军 , 隋韧峰 . 基于单片机 STC89C52 温湿度测控系统的设计 J. 吉林化工学院学 ,2014.6 刁海亭 , 聂宜民 . 蔬菜安全可追溯系统的研究进展J.山东农业大学学报(自然科学版 ),2014,45(02):316-320.7许世卫.我国农业物联网发展现状及对策分析J.中国科学院院刊 ,2013,28(06):686.8李长有,王文华.基于DHT11传感器的温湿度采集系统J.计算机与现代化 ,2013(11):133-135.作者简介张凤英（1980-），女，山西省大同市人。硕士学位。山西大同大学教育科学与技术学院讲师。主要研究方向为物联网技术和计算机教育。作者单位1. 山西大同大学教育科学与技术学院 山西省大同市 0370092. 中北大学朔州校区电气与计算机教学研究室 山西省朔州市 036000 上接 61 页