基于物聯(lián)網(wǎng)技術的冷鏈信息追蹤與報警裝置研究

徐中干

【摘 要】文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)檢測技術和制冷設備技術，設計了一套冷鏈物流信息追蹤與報警裝置。裝置通過ZigBee和GPRS模塊進行數(shù)據(jù)采集，通過云端大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。裝置不僅可以實現(xiàn)冷鏈所涉及貨物在庫在途溫度、濕度等信息的全程實時監(jiān)控及貨物定位，同時提供了重要信息的多通道報警功能。文章設計的裝置對于解決冷鏈系統(tǒng)控制存在的不足和提高冷鏈系統(tǒng)信息的透明度和可控性具有重要的現(xiàn)實意義。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);冷鏈物流;ZigBee;報警裝置

【中圖分類號】TN915.5-34 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0044-03

0 引言

冷鏈物流泛指冷藏冷凍類物品在生產(chǎn)、貯藏、運輸?shù)较M前的各個環(huán)節(jié)中始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證質(zhì)量、減少損耗及變質(zhì)的一項系統(tǒng)工程。近年來，隨著冷鏈物流市場快速地擴大，隨之產(chǎn)生了不少問題。國內(nèi)許多大型商貿(mào)公司雖然設有冷鏈物流部，但都沒有統(tǒng)一的管理標準，在軟件與硬件設施上存在一些嚴重的問題[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，農(nóng)產(chǎn)品、海產(chǎn)品、奶制品損失率大約占到2.5%，主要原因是過程溫度監(jiān)控不到位。藥品行業(yè)的貨物運輸也是冷鏈的一個大客戶群體。在之前查處的藥品質(zhì)量變質(zhì)案件中，大約有30%的案件是因冷藏冷凍藥品在運輸與存儲等方面未達到冷鏈規(guī)范要求，導致藥品嚴重變質(zhì)等，造成不必要的醫(yī)療事故[2]。

冷鏈的監(jiān)控主要涉及在庫與在途溫度、濕度監(jiān)控兩個方面。在冷庫中只要配備了自動控制系統(tǒng)，通常就能實現(xiàn)在冷藏冷凍庫的溫度與濕度的實時自動監(jiān)控，但對于在途運輸中溫度、濕度的監(jiān)控，由于技術上存在一定的困難，只能在貨物到達目的地驗收時才能發(fā)現(xiàn)問題并進行處理。在庫和在途溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)的應用，可以規(guī)范冷鏈產(chǎn)品的出入庫，使運輸操作標準流程化，防止人為原因導致的冷鏈貨品過長時間暴露在不符合要求的溫度、濕度環(huán)境中造成不可估量的損失[3]。

本文針對現(xiàn)有冷鏈信息采集的不足和時常出現(xiàn)的“斷鏈”現(xiàn)象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術設計一種冷鏈信息追蹤及報警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)冷鏈所涉及貨物的在庫和在途信息的全程實時監(jiān)控，同時能對冷鏈中偏離設定值的信息和安全信息實施多通道報警功能，從而大幅提高冷鏈系統(tǒng)信息的透明度和可控性，具有廣闊的應用價值。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)的總體架構分為3層，如圖1所示。

第一層：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層。主要實現(xiàn)在途和在庫監(jiān)控中的信息數(shù)據(jù)采集，包括溫度采集、濕度采集、壓力采集等。該層主要基于ZigBee構建的無線網(wǎng)絡，把各種傳感器采集到的技術數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總至主控ARM芯片，然后通過GPRS無線傳輸匯報給云端的服務器。

第二層：云服務層。主要對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾、去除噪音，然后入庫、提取和分析等。結合各種設定的規(guī)則，對需要監(jiān)控的冷鏈信息出現(xiàn)技術數(shù)據(jù)偏移時進行告警，然后通過各種手段，包括短信、郵件、電話等，通知相應的管理負責人。這一層主要是構建一個信息分析、存儲和告警的系統(tǒng)。

第三層：用戶訪問層。主要提供了對實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示、歷史告警信息及用戶自定義的規(guī)則設置，用戶通過手機App或者PC端的瀏覽器，通過一定的登錄校驗，就可以進入系統(tǒng)當中進行相應的數(shù)據(jù)查看、操作和規(guī)則上傳、下載等。

1.2 數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議

當前，比較常見的無線網(wǎng)絡協(xié)議有802.11b、ZigBee與藍牙等[4]，這幾種通信協(xié)議的通信范圍與數(shù)據(jù)速率等的主要特點見表1。

冷鏈相關信息的追蹤與監(jiān)測具有低速率、小范圍、無線傳輸?shù)忍攸c。本文采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)冷鏈現(xiàn)場參數(shù)的實時采集與監(jiān)控。

1.3 數(shù)據(jù)上報和告警通信協(xié)議

目前，手機App軟件與PC瀏覽器等的數(shù)據(jù)傳輸方式最常用的是HTTP協(xié)議，以及在該協(xié)議基礎上的一種更為安全的HTTPS協(xié)議。本系統(tǒng)中的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，系統(tǒng)提供的用戶訪問服務都基于HTTPS協(xié)議。

2 數(shù)據(jù)采集部分設計

2.1 ZigBee數(shù)據(jù)采集

2.1.1 傳感器數(shù)據(jù)采集

傳感器監(jiān)測節(jié)點主要是實時采集在途或在庫的冷鏈信息，包括溫度、壓力、濕度等方面的技術數(shù)據(jù)[5]。因此，ARM芯片、ZigBee模塊、傳感器和電源是構成監(jiān)測節(jié)點的必要構成部分。由傳感器采集到的技術數(shù)據(jù)快速地輸入到ZigBee網(wǎng)絡，然后發(fā)送技術數(shù)據(jù)至主控節(jié)點，根據(jù)時鐘信號，設定睡眠與定時喚醒功能。傳感器技術數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

2.1.2 協(xié)調(diào)器處理流程

網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的主要作用為建立與維護ZigBee網(wǎng)絡，快速轉發(fā)主控節(jié)點下發(fā)的網(wǎng)絡配置命令，并向主控節(jié)點傳遞冷鏈各個環(huán)節(jié)監(jiān)測的各種實時技術數(shù)據(jù)信息[6]。因此，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器需要由微處理器、上位機的通信接口、ZigBee射頻模塊與電源模塊構成。

協(xié)調(diào)器初始化時，重置網(wǎng)絡協(xié)議棧，然后接收由傳感器檢測的各項技術數(shù)據(jù)，以及時轉送至網(wǎng)絡并分配節(jié)點，準確無誤地接收技術數(shù)據(jù)進行通信。協(xié)調(diào)器處理流程圖如圖3所示。

2.2 主控節(jié)點的設計

主控節(jié)點的最主要功能是接收來自采集節(jié)點的溫度、濕度、氣體壓力等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS傳給云端的監(jiān)控中心[7]，其硬件設計主要包括處理器及其外圍接口電路如GPRS通信、ZigBee通信等。主控節(jié)點中的ZigBee模塊與處理器STM32F107之間采用串口方式進行通信。主控節(jié)點硬件組成方框圖如圖4所示。

2.2.1 GPRS模塊的設計

選用SIM800 GPRS模塊，其是一種四頻GSM/GPRS模塊，SMT封裝，其性能穩(wěn)定，性價比較高，可以滿足客戶的多種需求。該模塊的主要特點及性能見表2。

2.2.2 GPS模塊的設計

該系統(tǒng)是采用飛凌嵌入式技術有限公司的VK1613 GPS集成模塊用以運輸定位識別，此模塊是一個完整的衛(wèi)星定位接收設備，具有全方位功能，可以滿足專業(yè)定位的較高要求;并且體積小、功耗低，可以適應用戶的各種需要。該產(chǎn)品采用了新一代SIRFIII功耗低芯片，靈敏度超高，在城鄉(xiāng)結合、山高低洼等信號較弱的公路小道上，都能實現(xiàn)準確、快速的定位功能;可以廣泛應用于多種GPS終端產(chǎn)品的開發(fā)。該模塊的主要特點和性能見表3。

3 云端系統(tǒng)總體設計

云服務器總體架構設計如圖5所示。云端系統(tǒng)總體上采用B/S的架構，對采集到的技術數(shù)據(jù)進行存儲、分析與告警等。系統(tǒng)處理分為4個部分：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、動態(tài)展示及即時告警，構建了一個完善的控制體系。

（1）數(shù)據(jù)分析。包括設備管理、組織管理、權限管理等。設備管理是對各個在途和在庫的無線采集設備進行統(tǒng)一的登記管理、版本控制和開關機及啟停等操作。用戶管理、組織管理和權限管理主要是把告警和監(jiān)控的數(shù)據(jù)授權給不同的組織和用戶訪問，滿足不同組織和用戶的個性化需求。規(guī)則引擎主要提供各種告警的引擎規(guī)則配置，便于在不同的環(huán)境、設備條件下，全方位地追蹤和監(jiān)控告警信息。

（2）數(shù)據(jù)存儲。提供各種不同數(shù)據(jù)的存儲，包括關系型數(shù)據(jù)庫MySQL，實時圖片的攝取、上傳后保存到云服務器便于后期追溯和觀察分析，還有諸多日志信息可以存儲到NoSQL的數(shù)據(jù)庫。

（3）動態(tài)展示。提供Dashboard的大屏實時監(jiān)控，分區(qū)域和各種場景監(jiān)控等，為了滿足各個不同地區(qū)用戶訪問的性能要求，需要提供CDN、負載均衡等手段，同時為了保障線上的應用安全和數(shù)據(jù)安全，需構建相應的防火墻與入侵檢測等設備進行防護保障。

（4）即時告警。提供了多樣化的告警手段，包括短信、郵件、電話及IM的實時通知，例如連接釘釘?shù)母婢疉PI，目的是為了讓告警信息盡可能快速、全面地通知到相關的管理負責人。

4 結語

在冷鏈物流中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術，使冷鏈在運輸與保存過程中得到穩(wěn)定的監(jiān)控并加以合理處理，使冷鏈物流的品質(zhì)得到有效的保障。基于物聯(lián)網(wǎng)技術、檢測技術與制冷技術研究的基礎上，自主設計了一套冷鏈信息追蹤與報警裝置，主要包括基于ZigBee和GPRS的數(shù)據(jù)采集設備和進行數(shù)據(jù)分析及告警的云端服務器。項目的主要創(chuàng)新點為控制集成模塊化、不間斷的實時監(jiān)控、設備運行導致貨物損壞危險報警及定位、數(shù)據(jù)傳輸多樣化及安全、節(jié)能、環(huán)保等。

參 考 文 獻

[1]蔡依平，李映煉.物聯(lián)網(wǎng)在新鮮食品冷鏈物流中的應用[J].上海電力學院學報，2015（11）：55-59.

[2]白璐.農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中物聯(lián)網(wǎng)應用體系的構建[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息，2018（4）：336.

[3]吳冬燕，石瑞華.基于物聯(lián)網(wǎng)的食品冷鏈安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].食品工業(yè)，2016（9）：174-176.

[4]劉亮.基于ZigBee和GPRS的冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2005.

[5]趙鵬.基于ZigBee技術的冷鏈無線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].北京：中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院，2009.

[6]孫卓.基于WSN和ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2017（24）：96-100.

[7]齊林，韓玉冰，張小栓，等.基于WSN的水產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012（8）：134-140.

[責任編輯：鐘聲賢]