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LGWL-SP01型食品溯源物聯網實訓系統

一、系統簡介
LGWL-SP01型食品溯源物聯網實訓系統是針對近年來頻發的食品安全危機設計的覆蓋食品“產、加、運、儲、銷”各個環節的追溯系統。它綜合運用傳感器采集、RFID射頻識別、設備控制、無線傳感器網絡、嵌入式系統、網絡通信等物聯網技術以及多學科技術的交叉融合，依托部署在溯源沙盤中的各種傳感器節點、射頻識別裝置、控制節點、智能網關、服務器以及客戶端等，實現食品生產環節的智能感知與控制，加工環節的標簽自動識別讀寫，運輸環節的車輛智能定位與智能冷鏈感知，倉儲環節的貨架信息的智能感知，超市銷售環節的自助結算和食品溯源查詢等功能，為提供安全可靠的食品保駕護航。
二、系統構成
LGWL-SP01型食品溯源物聯網實訓系統主要分為農牧業生產區、加工廠、交通運輸、倉儲區、超市銷售結算區，分別實現智能農牧業系統、食品加工標簽智能識別系統、車輛運輸跟蹤管理系統、倉儲管理系統、智能超市結算系統等。
1、系統外觀

標準版外觀圖

升級版外觀圖

2、系統拓撲

系統拓撲圖

3、種植環節——智能農業大棚監控系統
智能農業大棚環境監控系統集成傳感器采集、設備控制、嵌入式實時處理以及無線通信等技術，利用各種傳感器實時采集農作物生長過程中的光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等參數，并通過無線傳感器網絡傳輸至智能網關的監控平臺，平臺軟件利用農業專家系統預設的農作物生長的各項指標要求，經過分析處理，及時精確地控制農用設備的自動開啟、關閉（如遠程控制節水系統、調整大棚內濕度、控制通風換氣的閥門等），調節大棚環境狀況使其更有利于農作物的生長，進而達到提高農作物產量和質量的目的。同時，大棚內安裝網絡攝像頭，可以通過監控平臺遠程監控農作物的長勢情況和大棚的安全狀況。

農業大棚外觀

4、養殖環節——智能養殖場系統
智能養殖場系統包括魚塘養殖場和牛羊養殖場兩種系統。
魚塘：通過中央控制系統可以遠程控制水循環換氣泵工作，改善魚塘水環境。

養魚塘外觀

牲畜養殖場：系統將超高頻電子標簽懸掛在牛羊模型上或者放在牛羊模型下模擬牛羊耳標，利用超高頻讀卡器多卡識別的特點動態讀取多張超高頻電子標簽，用于實現養殖場牛羊牲畜的自動盤點。

牛羊養殖場外觀

5、加工環節——食品智能識別系統
加工廠環節主要模擬對農產品（如蔬菜、牛羊肉、魚肉等）的加工，具體包括記錄運輸原材料的車輛進廠日期、時間等；實時采集工廠室內溫濕度等環境參數；控制換氣閥門調整加工環境；并為產品包裝打印RFID電子標簽（高頻和超高頻標簽），系統中記錄了加工單位、加工日期、加工過程所使用的添加劑、包裝重量、環境參數等；以及記錄運輸產品的車輛信息等，這些信息均通過無線傳感器網絡和以太網傳輸至服務器數據庫中進行保存。

車輛駛入加工廠

6、運輸環節——運輸車輛跟蹤系統
運輸環節主要模擬運輸車輛裝滿貨物，從種植區駛出、途徑加工廠，加油站、ETC公路、到達倉庫卸貨，*后進入超市的整個過程。
運輸車輛依靠RFID技術模擬GPS地理定位裝置，將車輛所處的地理信息、產品所處環境的溫濕度數據通過無線網絡及時傳輸給服務器數據庫，加工廠出貨人員和倉儲管理人員只需登錄到運輸車輛跟蹤客戶端系統，就可以查閱到當前車輛所處的地理位置，運行軌跡，監測運輸車輛是否安全到達目的地等。

對于不規則貨物，可采用機器臂控制系統裝卸貨。六自由度機械臂的臂部由大臂、小臂組成，一般具有兩個自由度，即伸縮、回轉、俯仰或升降，采用單片機控制運動軌跡。當小車到達裝卸貨指定地點時，通過無線向管理平臺發出命令，管理平臺接收到后，通過無線通信向機器臂控制器發送裝卸貨指令，控制器接收到命令后，就按照指定的取貨位置，操作機器臂經過回轉、伸縮、升降、俯仰等幾組動作組合，實現貨物的自動裝卸。貨物裝卸完成后，運輸車自動離開。

機械臂

機器臂搬運貨物

7、倉儲環節——倉儲物品自動感知系統
倉儲環節主要模擬產品出入倉庫、物品貨架庫位的自動識別、物品信息自動盤點等功能。該環節有兩種展示形式，一種是實際倉儲方式，一種在沙盤上模擬。
實際倉儲管理系統將物品信息綁定到超高頻電子標簽中，通過倉庫出入口處安裝的超高頻讀寫器對電子標簽進行識別，實現遠距離、準確地采集物品出入庫信息；同時采用鋁制貨架，貨架每一層的每一個庫位都安裝有高頻天線，通過多路選擇器連接到高頻讀卡器上，用于識別庫位上放置的物品，實現對庫位現有貨物的盤點以及貨物的定位功能。出入庫超高頻讀寫器以及盤點高頻讀寫器分別通過以太網和無線傳感器網絡接入中央控制系統，由中央控制系統統一管理。

模擬的立體倉庫的庫位是可伸縮移動的。它主要由電動絲杠滑臺、滑臺驅動器、滑臺控制器三部分組成，安裝在鋁合金框架內，形成一個至少4庫位的立體倉庫。

8、供銷環節——超市智能溯源與結算系統
供銷環節主要模擬超市的稱重功能、自動結算和商品溯源查詢等三個功能。
稱重功能首先通過RFID讀寫器讀出商品上RFID標簽信息，并將此商品在電子秤上稱出重量，同時輸入商品單價并結算出總價，*后將商品的名稱，價格信息通過標簽打印機打印出對應信息和用于溯源與結算的二維碼。
結算功能：系統可采用掃描槍掃描商品上的二維碼實現結算，語音播報當前結算總額。也可以使用設置的超高頻讀卡器完成貨物（帶有超高頻標簽）的自動結算功能。即將多件帶有超高頻標簽的貨物同時經過超高頻讀卡器，系統會自動將貨物名稱和單價以及總價顯示出來，并通過語音播放器播報商品總價。
溯源查詢功能：用戶可以將攜帶二維碼標簽的商品拿到溯源查詢一體機的識別區，通過二維碼識別系統讀取存儲的信息，在終端界面上顯示商品的原產地、加工廠狀況、運輸狀況以及單價等信息。

三、硬件組成
服務器、客戶端、鋁合金鋼架模型等組成。
1、感知設備：
主要由傳感器調理板、ZigBee無線通信模塊以及接口底板組成。傳感器涉及環境溫濕度、土壤溫濕度、光線強度、二氧化碳濃度等，可根據客戶需求定制不同類型的傳感器節點。它們通過ZigBee技術將采樣數據傳輸給中央控制系統的智能網關。
2、控制設備：
主要由執行設備、ZigBee無線通信模塊以及接口底板組成。控制設備主要分為直流供電型、以及交流供電型。直流供電型主要針對執行設備的供電是直流電源，如道閘控制器、加工廠模擬通風扇等，它們的供電電源均是DC12V。交流供電型主要針對執行設備的供電是交流市電電源，如滴灌、加濕器、換氣泵等，它們的供電電源均是AC220V。控制設備通過ZigBee通信技術向智能網關發送當前設備的控制狀態或接收智能網關的控制命令。
3、射頻識別裝置：
本系統中的射頻識別裝置主要包括兩種，一種是超高頻讀寫器裝置、一種是高頻讀寫器裝置，分別用在倉儲出入庫環節、以及倉儲貨架商品自動盤點環節。
4、視頻監控設備：
采用網絡攝像機，安裝在溫室大棚內部，用于溫室大棚環境遠程監控。
5、智能小車：
由核心控制板、ZigBee通信模塊、傳感器采集板、伺服電機、供電板、輪式底盤等組成，通過核心控制板固化的采樣控制程序，實現車輛的自動循跡、避障、紅燈擇路行駛、前進、后退、左右轉彎、到站停車、以及與智能網關的無線通信等功能。
6、智能網關：
安裝在中央控制系統區域的實驗桌上，整體封裝在模具內，操作方便，美觀大方。嵌入式主板集成ZigBee無線通信模塊，與系統傳感器節點、控制器節點進行ZigBee數據通信。主板集成了以太網接口，通過TCP/IP協議與PC服務器或客戶端進行數據通信。同時，主板集成了WiFi模塊，可直接連接無線路由器，替換以太網布線，降低了系統的復雜度。而且，主板留有3G模塊的接口，可實現智能網關直接接入移動互聯網的功能。
7、PC服務器：
它是整個應用系統的核心，主要運行食品溯源服務器應用程序，建立數據庫和Socket服務器，實時監聽客戶端的請求，存儲與客戶端的TCP/IP連接信息、以及雙方的通信數據。
8、客戶端：
它是整個應用系統的操作接口，主要運行食品溯源客戶端應用程序，建立數據庫和Socket客戶端，分別與PC服務器或智能網關進行TCP/IP數據通信，具有良好的人機交互界面，方便用戶操作，完成整個食品溯源的過程。
9、鋁合金鋼架模型：
支撐食品溯源系統的整個設施。內部鋪設供電線路，配有完善的供電設備，包括空氣開關、急停開關、電源指示燈等，安裝在底座框架上，為系統輸入安全穩定的交流220V總電源。除了提供標準食品溯源模型外，還可根據學校的要求定制模型的外觀，以及部署方式等。
四、軟件組成
系統軟件默認采用C/S結構，主要包括智能車軟件、無線傳感器網絡透明傳輸軟件、溯源系統智能網關節點管理軟件、溯源系統服務器軟件、溯源系統客戶端軟件。
1、智能車軟件：
主要利用STC系列51單片機的接口總線，驅動紅外反射傳感器采集信息，經過處理，驅動直流減速電機帶動萬向輪轉動，實現小車的自動循跡、避障、行駛方式的改變等功能。同時小車上的讀卡器自動識別道路上鋪設的射頻卡，實現小車定位。
2、無線傳感器網絡數據透明傳輸軟件：
主要實現ZigBee網絡的建立、節點的自動入網、節點之間數據的透明傳輸、傳感器節點的采樣與傳輸、執行節點驅動設備的功能。
3、溯源系統智能網關節點管理軟件：
智能網關采用嵌入式Linux操作系統，上電后運行基于QT的溯源系統ZigBee節點管理軟件。軟件系統集成了嵌入式數據庫，保存所有ZigBee節點的屬性信息（如網絡類型、傳感器類型、網絡短地址、MAC地址），用戶可以在網關上瀏覽傳感器節點當前采樣數據、以及手動控制所有ZigBee控制器。同時，網關可作為UDP客戶端，與PC服務器進行UDP通信；也可作為TCP服務器，與觸摸終端一體機進行TCP通信。
4、溯源系統服務器軟件
溯源系統服務器采用Windows操作系統，主要建立TCP、UDP服務器，并處于監聽狀態，等待客戶端的連接請求。一旦連接成功，就可以與TCP、UDP客戶端進行數據通信。*后，將接收到的所有信息存儲在建立的SQL Server數據庫中。
5、溯源系統客戶端軟件
采用Windows系統，運行溯源系統客戶端GUI應用程序，是溯源系統的人機交互界面。用戶可以通過客戶端軟件，查看溯源沙盤的所有環節，例如查看農業大棚的環境參數、控制農業大棚的所有設備，視頻瀏覽大棚環境，控制智能小車的運行狀態，查看小車的地理位置與運行軌跡，自動盤點倉儲貨架的物品，自動結算商品，以及商品溯源查詢等功能。
五、系統功能

系統主要功能

1 智能網關ZigBee節點管理功能

2. 溯源系統服務器管理功能

3．智能農業大棚主要功能
網關：大棚空氣質量監測	網關：大棚雨棚設備開、關
農業大棚主界面	農業大棚視頻監控功能
牛羊盤點功能	農業大棚環境監測與控制功能
加工環節主界面	加工廠通風扇控制
運輸環節主界面	智能小車定位跟蹤功能
倉儲環節主界面	物品自動盤點
貨物出庫功能	供銷環節主界面
自助結算功能	食品溯源功能

六、教學資源
食品溯源實訓系統覆蓋了ZigBee無線傳感器網絡、智能小車、Linux智能網關、PC服務器、PC客戶端四部分的軟硬件資源，因此系統提供了與這幾部分相關的課程實驗，從數據采集傳輸實驗，網關匯聚處理實驗，到PC服務器應用實驗，再到PC客戶端應用管理實驗，一條線貫穿，讓學生在實驗中逐步領悟物聯網的體系結構，關鍵技術以及實現方式，培養學生動手解決問題的能力，激發學生的創新潛力。
為方便用戶教學和實訓，系統還提供了一本使用手冊和一本實驗指導書。使用手冊主要介紹如何安全正確地操作這套系統，使其正常運轉，實現食品溯源的功能。實驗指導書詳細地介紹了系統的網絡結構，網絡參數，實驗目的，實驗原理，以及實驗步驟等。
1、基礎實驗能力

名稱	實驗
1. 無線傳感器網絡通信類實驗	IAR集成開發環境搭建實驗基于Z-Stack協議棧傳感節點透明傳輸程序的實驗
2. 智能小車采集控制實驗	Keil uvision開發環境搭建實驗智能小車紅外反射傳感器采樣實驗智能小車超聲波傳感器采樣實驗智能小車直流伺服電機控制實驗智能小車避障行駛實驗
3. Linux智能網關實驗	Qt開發環境搭建實驗大棚光線采集顯示實驗大棚溫濕度采集顯示實驗大棚土壤溫濕度檢測顯示實驗大棚內二氧化碳監測顯示實驗大棚外雨水監測顯示實驗大棚外風速檢測顯示實驗滴灌設備控制實驗植物補光燈控制實驗	通風扇控制實驗大棚卷簾控制實驗大棚地熱控制實驗加濕器控制實驗智能小車自動循跡實驗智能小車壁障實驗車載讀卡器讀卡實驗閘機開關控制實驗
4. PC服務器應用實驗	Visual Studio 2010開發環境搭建 SQL Server 數據庫開發環境搭建基于TCP的服務器客戶端通信實驗基于UDP的服務器客戶端通信實驗
5. PC客戶端應用實驗	基于C#的人機交互GUI界面實驗基于C#的農業大棚環境監測實驗（含空氣溫濕度采集、土壤溫濕度采集、光線采集、二氧化碳檢測等）基于C#的農業大棚設備控制實驗（含滴灌設備控制、補光燈開關控制、通風扇開關控制、卷簾開合控制、加濕器開關控制、地熱開關控制實驗等）

2、創新實驗能力

名稱	實驗
1. 基于QT的智能網關創新實驗	基于QT的倉儲物品自動盤點實驗基于QT的農業大棚環境聯動控制實驗
2. PC服務器實驗	基于C#的SQL Server數據庫操作實驗基于C#的采樣信息存儲實驗基于C#的TCP/UDP數據顯示與通信實驗
3. PC客戶端實驗	基于C#的倉儲物品入庫管理實驗基于C#的倉儲物品出庫管理實驗基于C#的車輛跟蹤定位管理實驗基于C#的稱重實驗基于C#的自主結算實驗基于C#的物品溯源查詢實驗

3、科研實驗能力
除了上述傳感控制設備、智能網關與智能終端的相關實驗外，系統還提供了開發類實驗。

名稱	實驗
1.智能網關開發實驗	嵌入式Linux開發環境建立實驗： Uboot啟動代碼配置編譯實驗； Linux內核配置編譯實驗； Linux內核驅動開發實驗； Linux驅動接口測試實驗； Yaffs根文件系統的制作實驗； Qtopia2.2.0圖形系統編譯實驗； Qt-4.7.3程序庫的編譯實驗；基于QT的無線傳感器節點管理實驗
2.客戶端應用開發實驗	基于C#的食品溯源綜合實驗

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LGWL-SP01型 食品溯源物聯網實訓系統

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