ZNWL-SP01型食品溯源物联网实训系统

一、系统简介
      ZNWL-SP01型食品溯源物联网实训系统是针对近年来频发的食品安全危机设计的覆盖食品“产、加、运、储、销”各个环节的追溯系统。它综合运用传感器采集、RFID射频识别、设备控制、无线传感器网络、嵌入式系统、网络通信等物联网技术以及多学科技术的交叉融合，依托部署在溯源沙盘中的各种传感器节点、射频识别装置、控制节点、智能网关、服务器以及客户端等，实现食品生产环节的智能感知与控制，加工环节的标签自动识别读写，运输环节的车辆智能定位与智能冷链感知，仓储环节的货架信息的智能感知，超市销售环节的自助结算和食品溯源查询等功能，为提供安全可靠的食品保驾护航。
二、系统构成
       ZNWL-SP01型食品溯源物联网实训系统主要分为农牧业生产区、加工厂、交通运输、仓储区、超市销售结算区，分别实现智能农牧业系统、食品加工标签智能识别系统、车辆运输跟踪管理系统、仓储管理系统、智能超市结算系统等。
1、系统外观

2、系统拓扑

系统拓扑图

3、种植环节——智能农业大棚监控系统
       智能农业大棚环境监控系统集成传感器采集、设备控制、嵌入式实时处理以及无线通信等技术，利用各种传感器实时采集农作物生长过程中的光照、空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度等参数，并通过无线传感器网络传输至智能网关的监控平台，平台软件利用农业专家系统预设的农作物生长的各项指标要求，经过分析处理，及时精确地控制农用设备的自动开启、关闭（如远程控制节水系统、调整大棚内湿度、控制通风换气的阀门等），调节大棚环境状况使其更有利于农作物的生长，进而达到提高农作物产量和质量的目的。同时，大棚内安装网络摄像头，可以通过监控平台远程监控农作物的长势情况和大棚的安全状况。
4、养殖环节——智能养殖场系统
       智能养殖场系统包括鱼塘养殖场和牛羊养殖场两种系统。
       鱼塘：通过中央控制系统可以远程控制水循环换气泵工作，改善鱼塘水环境。
       牲畜养殖场：系统将超高频电子标签悬挂在牛羊模型上或者放在牛羊模型下模拟牛羊耳标，利用超高频读卡器多卡识别的特点动态读取多张超高频电子标签，用于实现养殖场牛羊牲畜的自动盘点。
5、加工环节——食品智能识别系统
       加工厂环节主要模拟对农产品（如蔬菜、牛羊肉、鱼肉等）的加工，具体包括记录运输原材料的车辆进厂日期、时间等；实时采集工厂室内温湿度等环境参数；控制换气阀门调整加工环境；并为产品包装打印RFID电子标签（高频和超高频标签），系统中记录了加工单位、加工日期、加工过程所使用的添加剂、包装重量、环境参数等；以及记录运输产品的车辆信息等，这些信息均通过无线传感器网络和以太网传输至服务器数据库中进行保存。

车辆驶入加工厂

6、 运输环节——运输车辆跟踪系统
       运输环节主要模拟运输车辆装满货物，从种植区驶出、途径加工厂，加油站、ETC公路、到达仓库卸货，*后进入超市的整个过程。
       运输车辆依靠RFID技术模拟GPS地理定位装置，将车辆所处的地理信息、产品所处环境的温湿度数据通过无线网络及时传输给服务器数据库，加工厂出货人员和仓储管理人员只需登录到运输车辆跟踪客户端系统，就可以查阅到当前车辆所处的地理位置，运行轨迹，监测运输车辆是否安全到达目的地等。

       对于不规则货物，可采用机器臂控制系统装卸货。六自由度机械臂的臂部由大臂、小臂组成，一般具有两个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降，采用单片机控制运动轨迹。当小车到达装卸货指定地点时，通过无线向管理平台发出命令，管理平台接收到后，通过无线通信向机器臂控制器发送装卸货指令，控制器接收到命令后，就按照指定的取货位置，操作机器臂经过回转、伸缩、升降、俯仰等几组动作组合，实现货物的自动装卸。货物装卸完成后，运输车自动离开。

机械臂

机器臂搬运货物

7、 仓储环节——仓储物品自动感知系统
       仓储环节主要模拟产品出入仓库、物品货架库位的自动识别、物品信息自动盘点等功能。该环节有两种展示形式，一种是实际仓储方式，一种在沙盘上模拟。
       实际仓储管理系统将物品信息绑定到超高频电子标签中，通过仓库出入口处安装的超高频读写器对电子标签进行识别，实现远距离、准确地采集物品出入库信息；同时采用铝制货架，货架每一层的每一个库位都安装有高频天线，通过多路选择器连接到高频读卡器上，用于识别库位上放置的物品，实现对库位现有货物的盘点以及货物的定位功能。出入库超高频读写器以及盘点高频读写器分别通过以太网和无线传感器网络接入中央控制系统，由中央控制系统统一管理。

      模拟的立体仓库的库位是可伸缩移动的。它主要由电动丝杠滑台、滑台驱动器、滑台控制器三部分组成，安装在铝合金框架内，形成一个至少4库位的立体仓库。

8、供销环节——超市智能溯源与结算系统
       供销环节主要模拟超市的称重功能、自动结算和商品溯源查询等三个功能。
       称重功能首先通过RFID读写器读出商品上RFID标签信息，并将此商品在电子秤上称出重量，同时输入商品单价并结算出总价，*后将商品的名称，价格信息通过标签打印机打印出对应信息和用于溯源与结算的二维码。
       结算功能：系统可采用扫描枪扫描商品上的二维码实现结算，语音播报当前结算总额。也可以使用设置的超高频读卡器完成货物（带有超高频标签）的自动结算功能。即将多件带有超高频标签的货物同时经过超高频读卡器，系统会自动将货物名称和单价以及总价显示出来，并通过语音播放器播报商品总价。
       溯源查询功能：用户可以将携带二维码标签的商品拿到溯源查询一体机的识别区，通过二维码识别系统读取存储的信息，在终端界面上显示商品的原产地、加工厂状况、运输状况以及单价等信息。
三、硬件组成
       服务器、客户端、铝合金钢架模型等组成。
       感知设备：
       主要由传感器调理板、ZigBee无线通信模块以及接口底板组成。传感器涉及环境温湿度、土壤温湿度、光线强度、二氧化碳浓度等，可根据客户需求定制不同类型的传感器节点。它们通过ZigBee技术将采样数据传输给中央控制系统的智能网关。
       控制设备：
       主要由执行设备、ZigBee无线通信模块以及接口底板组成。控制设备主要分为直流供电型、以及交流供电型。直流供电型主要针对执行设备的供电是直流电源，如道闸控制器、加工厂模拟通风扇等，它们的供电电源均是DC12V。交流供电型主要针对执行设备的供电是交流市电电源，如滴灌、加湿器、换气泵等，它们的供电电源均是AC220V。控制设备通过ZigBee通信技术向智能网关发送当前设备的控制状态或接收智能网关的控制命令。
       射频识别装置：
       本系统中的射频识别装置主要包括两种，一种是超高频读写器装置、一种是高频读写器装置，分别用在仓储出入库环节、以及仓储货架商品自动盘点环节。
       视频监控设备：
       采用网络摄像机，安装在温室大棚内部，用于温室大棚环境远程监控。
       智能小车：
       由核心控制板、ZigBee通信模块、传感器采集板、伺服电机、供电板、轮式底盘等组成，通过核心控制板固化的采样控制程序，实现车辆的自动循迹、避障、红灯择路行驶、前进、后退、左右转弯、到站停车、以及与智能网关的无线通信等功能。
       智能网关：
       安装在中央控制系统区域的实验桌上，整体封装在模具内，操作方便，美观大方。嵌入式主板集成ZigBee无线通信模块，与系统传感器节点、控制器节点进行ZigBee数据通信。主板集成了以太网接口，通过TCP/IP协议与PC服务器或客户端进行数据通信。同时，主板集成了WiFi模块，可直接连接无线路由器，替换以太网布线，降低了系统的复杂度。而且，主板留有3G模块的接口，可实现智能网关直接接入移动互联网的功能。
       PC服务器：
       它是整个应用系统的核心，主要运行食品溯源服务器应用程序，建立数据库和Socket服务器，实时监听客户端的请求，存储与客户端的TCP/IP连接信息、以及双方的通信数据。
       客户端：
       它是整个应用系统的操作接口，主要运行食品溯源客户端应用程序，建立数据库和Socket客户端，分别与PC服务器或智能网关进行TCP/IP数据通信，具有良好的人机交互界面，方便用户操作，完成整个食品溯源的过程。
       铝合金钢架模型：
       支撑食品溯源系统的整个设施。内部铺设供电线路，配有完善的供电设备，包括空气开关、急停开关、电源指示灯等，安装在底座框架上，为系统输入安全稳定的交流220V总电源。除了提供标准食品溯源模型外，还可根据学校的要求定制模型的外观，以及部署方式等。
四、软件组成
       系统软件默认采用C/S结构，主要包括智能车软件、无线传感器网络透明传输软件、溯源系统智能网关节点管理软件、溯源系统服务器软件、溯源系统客户端软件。
       智能车软件：
       主要利用STC系列51单片机的接口总线，驱动红外反射传感器采集信息，经过处理，驱动直流减速电机带动万向轮转动，实现小车的自动循迹、避障、行驶方式的改变等功能。同时小车上的读卡器自动识别道路上铺设的射频卡，实现小车定位。
       无线传感器网络数据透明传输软件：
       主要实现ZigBee网络的建立、节点的自动入网、节点之间数据的透明传输、传感器节点的采样与传输、执行节点驱动设备的功能。
       溯源系统智能网关节点管理软件：
       智能网关采用嵌入式Linux操作系统，上电后运行基于QT的溯源系统ZigBee节点管理软件。软件系统集成了嵌入式数据库，保存所有ZigBee节点的属性信息（如网络类型、传感器类型、网络短地址、MAC地址），用户可以在网关上浏览传感器节点当前采样数据、以及手动控制所有ZigBee控制器。同时，网关可作为UDP客户端，与PC服务器进行UDP通信；也可作为TCP服务器，与触摸终端一体机进行TCP通信。
       溯源系统服务器软件
       溯源系统服务器采用Windows操作系统，主要建立TCP、UDP服务器，并处于监听状态，等待客户端的连接请求。一旦连接成功，就可以与TCP、UDP客户端进行数据通信。*后，将接收到的所有信息存储在建立的SQL Server数据库中。
       溯源系统客户端软件
       采用Windows系统，运行溯源系统客户端GUI应用程序，是溯源系统的人机交互界面。用户可以通过客户端软件，查看溯源沙盘的所有环节，例如查看农业大棚的环境参数、控制农业大棚的所有设备，视频浏览大棚环境，控制智能小车的运行状态，查看小车的地理位置与运行轨迹，自动盘点仓储货架的物品，自动结算商品，以及商品溯源查询等功能。