基于信息化的冷链仓储温控实训教学设备研究

食品安全已经成为我国一项重要民生问题, 食品加工和流通过程中的很多环节都离不开冷链物流。作为现代物流业的生力军[1,2,3], 冷链物流已经在我国逐步成长起来。从2008年起北京市就已经全面禁止了活禽交易, 近年来, 又有更多的城市加入了这一队伍[4,5]。面临现实的需求, 高职物流专业教育除了培养理论知识外, 更重要的是实践能力、操作技能。本文以教学能力标准为基础, 采用信息化技术手段[6,7,8], 以高仿真、重实践为设计原则, 通过实训设备研发培养学生的学习能力、思考能力、动手能力和创新能力[9,10,11]。

实训教学系统通过还原现场, 仿真了真实的冷链物流工作过程, 学生在仿真教学场景中进行实训项目的操作, 完成课程设置的知识与技能点。

系统设计思路分为两大部分:

(1) 实训教学部分设计: (1) 冷库项目实训设备认知, 了解冷库管理信息化系统、RFID设备、控制器、温度传感器等设备; (2) 能选择正确的硬件与软件; (3) 动手操作:将选择出来的正确硬件进行实物联接, 并实现数据的成功读写; (4) 进行软件系统操作, 完成对冷链仓库温度的管理、监控、决策, 并且能对仓库管理进行数据分析; (5) 教师可根据学生实际学习情况设置软硬件实训、考核等项目。

(2) 实训教学设备系统流程设计: (1) 采用集成温度传感器的RFID卡和有线温度传感器两种温度采集形式, RFID卡片可与物品绑定, 温度传感器测量物品所处环境温度; (2) 阅读器通过对RFID卡的读取, 得到当前环境温度信息[12]; (3) 通过网络将温度信息传输给冷链物流实训教学系统数据库和应用服务器; (4) 在系统内的温度调节与监控模块中, 设置当前环境所需要的温度区间, 根据设定的温度区间, 本系统通过VPN、控制元件对制冷设备进行开停机控制, 以实现对环境温度的调节; (5) 操作员或客户可通过IE等浏览器访问本实训系统, 进行相应操作, 完成人员管理、物品管理、温度查询、设置、监控与调节等功能。

冷链物流实训教学系统结构 (如图1所示) 主要由三大模块组成:数据采集模块;数据操作与分析模块;温度控制模块。数据采集模块主要有两种温度数据采集形式, 第一种是通过有线温度传感器采集温度样本;第二种是通过带温度传感器的RFID标签采集温度样本, 使用无线射频技术由RFID读写器和天线接收温度信息, 然后, 将信号转变成电信号和数字信号, 通过网络传输给数据库和应用服务器。

数据操作与分析模块由数据库服务器、应用服务器和计算机等组成。数据库选择最常用的SQL2005数据库, 应用服务器内安装实训教学系统软件, 数据库与应用软件也可以安装在同一服务器上。

温度控制模块由I/O控制器、温度报警装置和温度调节装置组成。

数据在实训教学系统中的流动过程如图2所示。首先读取数据, 检查数据值是否在设定范围内, 如果判断为“是”, 那么就结束这一次数据流, 如果判断为“否”, 则报警提醒, 对采集到的数据值进行二次判断, 是否高于设定范围, 如果为“是”, 则启动制冷设备, 如果为“否”, 则启动加热设备, 并在设置好的间隔时间后再次采集数据, 直到数据值在温度设定范围内后, 关闭所有温度调节设备。

硬件主要由有线温度传感器、带温度传感器的无线RFID设备 (包括有源温度标签型读卡器和有源温度标签) 、数字I/O控制器、服务器和PC机组成。硬件选型以有线温度传感器、带温度传感器的无线RFID设备和数字I/O控制器为例进行介绍:

(1) 有线温度传感器。主要参数:通讯协议为MODBUS RTU;测温传感器型号为18B20;测温范围为-55℃~+125℃;测温分辨率为0.1℃;供电方式为USB供电, 无需外接电源;通讯接口为USB接口 (USB转成的232接口) ;数据格式为9600, N, 8, 1;接口说明:V+为18B20正极, V-为18B20负极, DQ为18B20数据引脚。

(2) 带温度传感器的无线RFID设备。由有源温度标签型读卡器和有源温度标签 (或者有源温湿度标签) 组成, 二者是配套使用的, 通过该读卡器完成与900M有源标签的数据交换和参数配置等, 并对外提供标准的MODBUS-RTU协议, 可以直接接入组态软件, 无须额外驱动。

主要技术参数:温度采集范围为-15℃~+60℃;测量精度为±0.5℃;温度采集间隔时间设置在1秒~24小时范围内;电池使用寿命为1年;通讯频段为900M;通讯距离为30m内可调节。

(3) 数字I/O控制器。主要技术参数:主芯片为STC89C52单片机 (支持AT89S52) , 使用两组控制器来分别控制报警设备和温度调节设备的开停机;工作电压:直流12V。

为满足教学对实训设备的需求, 根据课程知识点的设置, 本系统设计以下七项主要功能: (1) 基础数据管理 (包括人员管理、仓库管理等) ; (2) 温度的采集与设置; (3) 温度报警; (4) 温度查询; (5) 决策系统; (6) 实训项目设计; (7) 实训考核。

实训系统采用B/S架构[13], 可在Windows 2000/xp环境下运行, 采用SQL2005数据库[14], 表单设计主要有人员表、仓库表、部门表、采集时间设置表、采集间隔时间设置表、采集点数表、温度设置表、温度调节设置表、温度查询表、报警设置表等。

软件系统在充分模拟现实生产活动场景外, 还考虑到如何来满足教学的需要, 为教学特别设计了实训项目设计和实训考核功能, 老师可以直接选用项目库中的实训或考核项目, 也可以由教师自主出题, 添加到项目库中, 根据学生学习情况进行差异化教学[15]。

软件系统的实现以基础数据中的仓库管理、部门管理和人员管理为例进行介绍:

(1) 仓库管理, 设置温度采集对应的仓库位置。输入仓库代号后按添加增加一个采集节点, 保存成功后系统提示“保存成功”。选择已有节点的复选框, 点击“删除”按钮后可删除该节点。

(2) 部门管理, 设置人员对应的部门。输入部门名称、部门编号后按添加增加一个部门信息, 保存成功后系统提示“保存成功”。选择已有部门的复选框, 点击“删除”按钮后可删除该节点。

(3) 人员管理, 设置人员信息。输入用户名、全名、密码、部门、权限后按添加增加一个人员信息, 保存成功后系统提示“保存成功”。选择已有部门的复选框, 点击“删除”按钮后可删除该节点。

经过软件和硬件调试后, 为了检测系统是否达到了设计要求, 项目组成员对其进行了实地测试, 现将系统温度查询、温度设置、报警设置及报警详细查询结果进行列举:

(1) 温度查询:查询显示某个时间段、节点的温度采集情况。选取测量时间段数据后点击查询, 系统会显示对应的温度曲线。

(2) 温度设置:设置温度控制区域, 输入温度的上、下限后, 点击确认。

(3) 报警设置:设置报警控制、温度控制类型, 并能选择报警控制是否为自动状态。

(4) 报警详细查询:选取时间段后查询显示超过报警温度的时间列表。

根据查询结果所示, 本系统能满足设计要求, 达到了教学的需要, 学生可以通过本系统, 学习到RFID技术、传感技术、网络技术及计算机技术等冷链物流中的实践应用知识, 实现了理论和实践一体化教学目的 (图3所示为教学设备样机) 。

依据高职物流专业的人才培训目标, 研发了基于RFID技术、传感器技术、网络技术和计算机技术的信息化冷链仓储温控实训教学设备, 营造了真实的工作场景, 通过设备认知、硬件选型、组装、联接、系统操作等环节的学习, 实现了教师对学生的差异化教学与考评, 从而提高了教学质量, 促进了教学改革的深化, 培养了学生的动手能力、实践能力和创新能力。