物聯網的低成本乳品品質鏈追溯平台設計

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0 引言

    隨著物聯網技術的飛速發展，乳品品質追溯資訊化備受矚目，應用於知名乳品企業的大型奶牛養殖場乳品追溯專用系統應運而生，但這種大型平台因價格昂貴、設計細節直接針對大型奶牛養殖場，很難推廣到養殖小區或者合作社中。而這種新興的集約型養殖模式在資訊化建設方面仍比較落後，其在奶牛養殖和生鮮乳收購等環節中存在的管理服務漏洞，嚴重影響了實現乳品品質鏈的整體追溯，一旦出現乳品品質問題不能迅速定位到某個環節，所以開發適用於中小型養殖場乳品品質鏈追溯的服務平台具有更普遍性的意義。

1 追溯平台總體設計

    目前移動互聯技術已經深入到人們的日常生活中，本文在分析國內外乳品品質鏈追溯系統設計的基礎上，認真分析了中小型養殖場使用者需求，採用Android技術完成移動前端主要功能設計，分別實現了奶牛養殖模組、生鮮乳收購模組和乳品生產模組的應用軟體開發，使用二維碼識別技術降低了裝置成本閉，並且在大量資料互動時其獨特的RAM自動回收機制提高了運行效率。採用了ZigBee無線感應器網路和C++builder上位機軟體設計了超市乳品銷售冷櫃溫濕度自動監測系統，通過互連網達到資訊共用。與現有追溯平台相比，，填補了乳品品質鏈最末端銷售環節的儲存環境溫濕度資訊監測與追溯。採用了具有先進性的富用戶端技術ExtJS4為消費者和品質監督部門設計了乳品溯源資訊的PC機瀏覽器功能介面。採用了成熟的Tomcat網路伺服器和S2SH(Struts2+Spring+Hibem ate)架構作為物聯網中介軟體，如此架構維護方便，擴充性強，非常適合中小型項目的開發。總體架構框圖如下所示：

圖1 系統總體框圖

    本平台較為完整的構建出一個乳品品質鏈追溯及服務的物聯網結構體系，2所示。圖2中包括感知層、網路傳輸層和應用程式層。

圖2 平台架構體系

    (1)感知層。主要使用二維碼識別技術，通過安卓手機對奶牛二維碼耳標的識別把個體引進整個網路中，這主要應用於奶牛精細化養殖和生鮮乳收購中，在乳品銷售部分中對於乳品冷櫃系統的監測使用SHTIO貼片式溫濕度感應器並串連ZigBee無線模組網路完成底層的資料資訊採集。

    (2)網路傳輸層。本部分在參考很多物聯網架構模型之後，在本課題中被分為兩層，底層為了保證資料轉送的可靠性和有效性，使用4G移動通訊網路或者WIFI區域網路把資訊高保真的傳輸到互連網中，較為靠上一層是物聯網的關鍵技術中介軟體，本平台中主要使用Tomcat伺服器和S2SH架構完成底層資料的校正、過濾以及事物的管理等等，為了靈活均衡各個層次的功能就沒有那麼嚴格區分。要進行精確的軟體架構搭建，Struts2，Hibernate和Spring在本文中的應用屬於核心技術。圖3為三大架構整合需要的jat包。

圖3 相關介面和輔助包

    圖3中，action層是屬於前端的使用者請求和伺服器響應的程式訪問入口；service層是作為具體的商務邏輯的操作如對前端傳遞的複雜資料進行分類處理和組合；DAO層的作用是封裝了對資料庫最原始的操作，串連底層的資料庫為前兩層提高資料支援。為了系統穩定所以有相關包都是手動加入然後通過設定path路徑引入工程中，其中src目錄下的設定檔主要是對於事物的處理還有Struts2的檔案，lib中的jar包就是三個架構全部依賴的。其中domain包中是實體類的具體設計，如養殖戶，奶牛個體和產奶量等，在設定完成它們對應的屬性值後再Hibernate的設定檔中設定消極式載入、id、參數變數和表之間的關係。

    (3)應用程式層。本層的應用功能主要是通過安卓手持終端和PC機的瀏覽器實現，主要包括乳品品質鏈及服務平台的奶牛養殖、生鮮乳收購、生鮮乳運輸、乳品生產和銷售五個環節組成，詳細的服務功能4所示。

圖4 應用程式層功能服務圖

2 乳品追溯環節分析

2．1奶牛的養殖環節和生鮮乳收購環節

    考慮到奶牛的日常活動量較大，採用成本較低的奶牛耳標印製二維碼，耳標採用國內統一編碼GSl規範，在相同的丟標率情況下比電子標籤更能節約養殖戶的成本，配合設計的不同功能的安卓用戶端軟體使移動採集低成本多功能。設計的養殖員使用安卓用戶端軟體，可在巡視和餵養奶牛工作中及時對奶牛每天的產奶量、飼料配方和健康情況記錄和更新，達到精細化養殖目的，同時把養殖資訊共用於伺服器中，來滿足追溯的需求。生鮮乳收購環節利用本文設計的安卓用戶端軟體使用移動終端掃描任意奶牛的二維碼耳標，識別養殖戶姓名和奶牛及乳品的相關資訊，還可以進行生鮮乳交易，安卓的APP程式成本較低比POSS機的專用程式更能推廣使用。在結算單功能中引入簡訊收發硬體裝置，完成一次交易後提交結算單到後台資料庫同時觸發相應的Action驅動GSM-SMModem簡訊收發裝置把交易詳情以簡訊的形式發送給養殖戶，同時提供交易資訊服務。流程簡圖5所示。

圖5 奶牛養殖和奶站端流程圖

    生鮮乳收購部分使用華為手機和模擬器進行主要功能的測試，通過對奶牛耳標的二維碼識別來確定交易的養殖戶資訊，這樣可以降低成本，適合規模較小的奶站使用，因為在實際調研中發現大型的奶站收購系統大多使用POSS機識別RFID進行交易，這樣的系統顯然會增加一些奶站開支，所以小型奶站可以考慮使用安卓手持終端平台，通過掃描耳標後取到奶牛編號發送到後台資料庫伺服器中查詢表中對應的養殖戶姓名等資訊，這就是典型的多對一資料表關係，通過Hibernate關聯關係映射較為簡單的維護好雙方資料資訊，與奶牛養殖的商務邏輯不同，本環節的提交地址是checkmilker．action中，任意奶牛編號都能查詢到養殖戶資訊，通過response把養殖戶的資訊以Json資料格式返回到手持終端，6所示。

圖6 生鮮乳收購功能介面

    圖6中，左上方顯示養殖戶李石姓名，這樣點擊其他功能模組都是針對的本養殖戶進行操作，當奶站員工點擊生鮮乳收購功能，進人交易訂單介面，其中自動顯示奶牛養殖戶姓名和手機號碼資訊，收購員再輸入本次交易的生鮮乳總量和今日單價，確認之後就提交到後台MilkOrder．action中，經過S2SH最後到達持久層，通過簡單計算後驅動伺服器端簡訊發送裝置，把本次記錄詳情以簡訊的形式發到養殖戶的手機中，同時通過印表機可以出具紙質交易憑據，以便出現錯誤容易核對。7所示。而對於奶牛的個體資訊登記是奶牛精細化養殖過程中所必須的服務功能，使用安卓手持終端運行專用程式，顯示出登記表單中需要填寫的奶牛編號、身高體重等詳細資料，同時由奶牛的外貌體型可以大體判斷出它的健康情況、產奶年限等相關情況。

圖7 生鮮乳收購與養殖表單

2．2生鮮乳的運輸和乳製品生產環節

    生鮮乳運輸部分和乳製品的生產部分，在奶站的生鮮乳採集罐裝滿後需要運輸車把乳罐運輸到乳製品加工廠，同時需要列印出一個印有二維碼的封條密封這乳罐，防止在途中生鮮乳遭受外來汙染，二維碼包含著生鮮乳運載量、裝運時間、地點和車牌照等資訊，到廠後工作人員使用安卓手持終端進行掃描核對後台資料庫資訊進行接收，同樣在乳製品生產部分，使用二維碼對產品封裝進行唯一識別噴印，便於跟蹤其中的資訊變動。目前二維碼識別功能二維碼識別功能在生活中使用逐漸頻繁，而識別技術也比較多樣，本平台中為了加快建設採用基於Java的二維碼識別技術，擷取耳標奶牛編號後可以直接發送到後台驗證。識別介面採用Apache License 2．0開源的ZXing項目提供的二維碼的識別開發包，在其官網下載ZX-ing-2．0．zip後解壓，開啟Eclipse匯入源碼中的Android項目，然後右擊項目選擇“Build path”-“AddExternal Archives”把核心庫core．jar檔案加入到項目中。通過閱讀其demo文檔，理解各個類的作用，CaptureActivity，這是啟動掃描器所需的類，CaptureActivityHandler，這是解碼處理類。運輸及乳品生產運行測試結果8所示。

圖8 運輸與生產表單

2．3乳製品銷售環節

    乳製品銷售環節的主要渠道就是大型超市，但目前大型超市的冷櫃溫度採集仍採用人工定時查看溫度計和手工記錄，目前提出和採用的乳品品質鏈追溯方案中缺少最後一環節的保證。本文通過設計ZigBee無線模組感測網路超市冷櫃溫度自動監測系統，對乳品品質鏈增加了最後一個環節的追溯和安全保障。可以實現曆史查詢和遠程登入資料庫查詢，銷售終端的安卓應用程式還可以完成產品抽檢、拼箱資訊的記錄。本部分設計的乳品銷售部分中的冷櫃溫度監測系統，基於SHTl0溫濕度感應器和CC2530組建ZigBee無線模組感應器網路，完成對超市內各冷櫃溫度的ZigBee資料擷取與傳輸，其系統結構9所示。

圖9 溫濕度監測系統結構

    終端溫度ZigBee資料擷取節點中SHTl0需要外接電源供電並直接輸出數字訊號，將測得的溫度資料傳遞給對應的CC2530數傳模組，各採集節點獨立工作，將ZigBee資料擷取到的資料通過無線傳輸到協調器節點進行緩衝，然後經由RS232串口線統一發送到上位機後台C++builder程式中，通過控制項的ODBC儲存各冷櫃溫濕度資訊於Oracle資料庫中，同時儲存ZigBee資料擷取的日期和時間，實現曆史資料查詢功能，方便日後分析使用。

    要實現對超市內多個冷櫃溫度監測系統的設計，首先需要對終端溫度ZigBee資料擷取節點進行設計，完成各個冷櫃溫度資料的採集工作。溫度採集電路採用的SHTIO單片式的數字溫濕度整合晶片，其中由單個能隙式的測溫感應器和單個電容式的彙總體測濕感應器構成，為了輸出高精度的數字訊號十四位的A／D轉換器和2-wire數字介面被應用在這個單晶片中。SHTl0和CC2530的ZigBee數傳模組串連電路10所示。

圖10 SHTl0和CC2530串連電路

    SHTl0所需要的電壓是2．4～5．5v，它被上電後，等待11 ms之後經過“休眠期”，在這個期間任何指令不用發送，之後一組測量性命令被發送出去，控制器等待測量結束，感應器進入空閑狀態表示測量結束，同時下拉DATA至低電平。只有這個“資料備妥”訊號被讀出資料之後，控制器才能第二次觸發SCK的時鐘訊號。首先及時把監測到的資料存放區起來，然後控制器可以並發的執行其他功能，如此按照需要讀取資料類似輪詢的效果。在所有的功能完成之後，感應器進入自動休眠狀態。

設計過程中，選用CC2530數傳模組實現無線傳輸，將溫度採集節點電路中得到的資料發送給協調器。CC2530支援IEEE 802．15．4規範，結合領先的RF收發器的優良效能，其不同的運行模式使它尤其適用於超低功耗要求的系統，抗幹擾能力強。IEEE802．15．4／紫峰規範中包含星型、樹形和網狀三種網路拓撲結構。根據超市冷櫃布局選擇使用合適的網路結構，在本設計中選擇使用星形網路，各終端溫度ZigBee資料擷取節點均獨立工作。布點工作完成之後，用軟體編程來實現無線傳輸操作。

3 結論

    由於時間和篇幅原因，本文雖然提出了較為完整的乳品品質鏈追溯，主要把物聯網和移動互聯理念滲透到乳品品質鏈追溯中，不僅能夠為消費者和監管部門擷取更加全面的乳品追溯資訊確保品質安全，還能為養殖戶、奶站和乳品企業提供關鍵區段的功能服務進而提高生產效率，但是沒有把各個部分詳細複雜的功能設計完整，因為實際生產中的功能對網路傳輸速度依賴較高，而目前4G建設還是試驗階段，WIFI的覆蓋也具有很大局限性，所以有些EXTJs4富用戶端的瀏覽器功能只是預留了介面功能，以後加以完善。冷櫃監測系統的設計使用了ZigBee無線模組，實現了溫度的ZigBee資料擷取。雖然調測試都較為順利，但是SHTl0貼片感應器仍不是最佳選擇，以後會研究直接從冷櫃內部固有的硬體溫控系統結合ZigBee數傳模組傳輸網路擷取溫度資料。最後希望更多的乳品追溯設計者做出更好的產品，讓中國乳業的資訊化水平儘快與世界接軌。

物聯網的低成本乳品品質鏈追溯平台設計