于 蒙，周 密，李文鋒，宋金龍

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063）

食品保鮮作為食品安全中的一個重要組成部分，已經(jīng)受到各行業(yè)的高度關(guān)注，在這樣的情況下，冷鏈物流的監(jiān)控尤為重要，目前冷鏈監(jiān)控以視頻監(jiān)控和路徑導(dǎo)航居多[1-2]，監(jiān)控系統(tǒng)的功能比較單一，不少冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過RFID 和WSN技術(shù)的結(jié)合設(shè)計出冷鏈監(jiān)測平臺，但這種監(jiān)測系統(tǒng)無法實時監(jiān)控物品信息[3-4]。 本設(shè)計融合了傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GPS 定位技術(shù)，結(jié)合安卓開發(fā)技術(shù)開發(fā)冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)， 對系統(tǒng)進行一系列的測試，驗證了系統(tǒng)可運行性，通過安卓手機作為定位、溫濕度查詢終端，實時靈活地監(jiān)測冷藏車的行駛路徑和溫濕度變化，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量的安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)需要進行相關(guān)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，還需要對車輛的實時位置進行監(jiān)測，針對冷鏈車載運輸環(huán)節(jié)進行設(shè)計，系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 冷鏈運輸監(jiān)測環(huán)節(jié)架構(gòu)Fig.1 Cold chain transportation monitoring link structure

對冷鏈物流運輸環(huán)節(jié)的監(jiān)控分為車載終端和監(jiān)控中心兩個模塊。 車載終端模塊就是監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊，溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11、CO2傳 感 器MG811 和HM06 藍(lán) 牙 集 成 于ATMEGA328P 單片機上，組成環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳輸裝置，通過溫、濕度傳感器、CO2濃度傳感器定時采集（約10 s 一次）冷藏廂內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，主控芯片對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行解析、打包并發(fā)送給藍(lán)牙完成數(shù)據(jù)處理。 監(jiān)控中心硬件僅為一部裝載有冷鏈物流監(jiān)控APP 的智能手機構(gòu)成，監(jiān)控中心模塊就是監(jiān)控系統(tǒng)的軟件模塊，硬件裝置與手機APP 通過藍(lán)牙通信完成數(shù)據(jù)傳輸， 蜂鳴器連接主控芯片的串口，當(dāng)手機接收到數(shù)據(jù)時會對數(shù)據(jù)綜合判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)超過參數(shù)范圍時便會進行預(yù)警，同時將接收到的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳云端服務(wù)器進行保存， 便于日后的管理。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 傳感器模塊設(shè)計

環(huán)境信息監(jiān)測模塊的設(shè)計主要是對相關(guān)傳感器的電路進行設(shè)計，在硬件選型時選擇濕度傳感器型號為DHT11， 它具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性，DHT11 有4 個管腳，傳感器的Pin2 端口為數(shù)據(jù)發(fā)送串口， 傳感器的Pin1 接通5 V 電源，Pin4 端口連接GND，Pin3 端口懸浮放置， 電路中放置一個二極管用于指示傳感器是否正常通電工作。 選用溫度傳感器為DS18B20， 其測量范圍為-55 ℃～+125 ℃，能夠很好地滿足冷鏈車載監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控需求，同時可在1 s 內(nèi)就把溫度數(shù)據(jù)變換成數(shù)字信息， 能很好地滿足實時性及精度要求。 該傳感器有3 個引腳，引腳1 接電源，引腳2 為數(shù)據(jù)輸出接口，引腳3接GND。 選用MG811 型CO2傳感器， 其測量精度高、功耗小、體積小、測量范圍廣，對二氧化碳具有很高的檢測靈敏度。 電路設(shè)計時，其引腳1 接電源，引腳2 為GND 接地，3、4 引腳為傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送串口。

2.2 無線通信模塊設(shè)計

無線通信模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器獲取的環(huán)境信息轉(zhuǎn)發(fā)到手機移動終端，作為對系統(tǒng)進行監(jiān)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)設(shè)計采用HM-06 藍(lán)牙模塊，它共有16 個引腳， 工作時有5 個引腳被接通，2、4 引腳分別為TX、RX 串口，與處理器進行通信，引腳9 連接穩(wěn)壓電路提供3.3 V 工作電壓， 引腳12 為GND接地，15 引腳接通LED 用于指示藍(lán)牙是否正常工作。 圖2 為HM-06 的電路圖。

圖2 HM-06 藍(lán)牙原理圖Fig.2 HM-06 bluetooth schematic

2.3 處理器模塊設(shè)計

處理器是系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)，直接影響系統(tǒng)精度和處理性能， 本文采用ATMEGA328 為主控芯片，該型單片機具備高速、節(jié)能等特點，同時滿足系統(tǒng)在功能、尺寸及成本方面的要求。 藍(lán)牙模塊通過ATMEGA328 單片機的輸入輸出口連接主控芯片，完成數(shù)據(jù)的傳輸，CO2傳感器和溫濕度傳感器通過RX、TX 串口與單片機之間進行串口數(shù)據(jù)通信，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙， 蜂鳴器接主控芯片的D5串口，當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超標(biāo)時，發(fā)出警報。 硬件模塊實物連接圖如圖3 所示。

圖3 硬件模塊實物連接圖Fig.3 Hardware physical connection diagram

3 Android 客戶端主要功能模塊設(shè)計

3.1 冷鏈數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

系統(tǒng)啟動后，硬件設(shè)備開始監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙串口發(fā)送給手機端，系統(tǒng)啟用AmarinoService藍(lán)牙監(jiān)聽服務(wù)，開啟新線程，建立socket 連接，通過getInputStream（）接收冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)輸入流。 調(diào)用forwardDataToOtherAPPs（String msg）函數(shù)將接收到的msg 環(huán)境信息以廣播的形式發(fā)布出去，數(shù)據(jù)接收Activity 根據(jù)注冊的廣播接收者ArduinoReceiver 對消息進行過濾，重寫接收者的onReceive 函數(shù)，提取參數(shù)類型關(guān)鍵字，判斷接收的數(shù)據(jù)屬于溫濕度、CO2濃度中的哪一種。調(diào)用receive.substring（1，3）獲取數(shù)據(jù)類型關(guān)鍵字，調(diào)用receive.substring（12，17）獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)值。 接收完數(shù)據(jù)之后對數(shù)據(jù)進行計算處理， 當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過閾值時做出提醒和報警響應(yīng)；分別計算出10 次環(huán)境參數(shù)的均值，最大值及實時值，并將所求結(jié)果利用textView.setText（）直觀顯示在視圖區(qū)域，直觀了解相關(guān)參數(shù)值。 調(diào)用insert-Data（）函數(shù)將數(shù)據(jù)保存入數(shù)據(jù)庫。調(diào)用addDataPoint（）方法將實時獲取的數(shù)據(jù)在畫布上進行描點，調(diào)用drawLine 將所有點進行連線繪制數(shù)據(jù)變化趨勢圖，直觀看出變化趨勢，不斷調(diào)用invalidate 進行視圖更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形的動態(tài)顯示，圖4 是系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的流程。

3.2 藍(lán)牙通訊模塊

圖4 冷鏈數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊的流程圖Fig.4 Flow chart of cold chain data monitoring

用戶進入系統(tǒng)后開啟新線程，根據(jù)isEnabled（）判斷是否開啟藍(lán)牙服務(wù)，若isEnabled（）==false 則調(diào)用enable（）打開藍(lán)牙設(shè)備。 若isEnabled（）==true 則證明已開啟本地藍(lán)牙設(shè)備，單擊藍(lán)牙連接模塊添加設(shè)備按鈕進入AmarinoActivity 藍(lán)牙查詢搜索類，在該類中進行的操作有藍(lán)牙設(shè)備搜索、 設(shè)備名稱與MAC 地址的獲取與保存， 將搜索到的BTDevice 添加進設(shè)備DB， 查詢數(shù)據(jù)庫并將結(jié)果作為ListView適配器的數(shù)據(jù)源，單擊ListView 的item，將設(shè)備添加至藍(lán)牙Activity 的UI 界面中，選擇相應(yīng)藍(lán)牙設(shè)備完成連接。 開啟ReceiveThread 線程進行socket 通訊，調(diào)用socket 的getInputStream（）函數(shù)獲取硬件設(shè)備傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，每接收一個數(shù)據(jù)都通過send-Broadcast 廣播出去， 其他Activity 通過廣播接收者接收數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)的響應(yīng)處理。 藍(lán)牙無線通訊模塊工作流程如圖5 所示。

圖5 藍(lán)牙無線通訊模塊工作流程Fig.5 Bluetooth wireless communication module work flow chart

3.3 車輛定位模塊

車輛定位功能由手機應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，調(diào)用手機自帶的GPS 功能，通過手機GPS 獲取運輸車輛的經(jīng)緯度信息，再調(diào)用高德地圖接口，在地圖上顯示車輛的實時位置。 當(dāng)運輸車輛位置發(fā)生改變，onLocationChanged 方法被觸發(fā)，通過location.getLatitude（）和location.getLongitude（）方法可以獲取當(dāng)前所處位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，調(diào)用APP.setmLatitude、APP.setm-Longitude 方法將經(jīng)緯度信息放入全局變量APP.mLatitude 和APP.mLongitude，上述獲取的是車輛的經(jīng)緯度信息， 通過調(diào)用locBundle.getString（"desc"）可以獲取車輛的具體地理位置，接著將位置信息存入數(shù)據(jù)庫。 車輛定位模塊運行效果如圖6 所示。

圖6 車輛定位模塊運行效果Fig.6 Vehicle positioning module operation effect

3.4 反饋報警模塊

反饋報警模塊主要實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的處理，打開APP 與硬件設(shè)備建立連接之后，即開始數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收過程在藍(lán)牙服務(wù)AmarinoService 類中進行，ReceiveThread 線程接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行判斷，當(dāng)Integer.valueOf（msg）.intValue（）超過閾值時會觸發(fā)報警服務(wù)startService，開啟線程進行報警。

4 系統(tǒng)驗證與測試

在完成系統(tǒng)的軟硬件模塊設(shè)計之后，還需要對硬件裝置測試和軟件APP 測試。硬件設(shè)備測試主要測試其數(shù)據(jù)采集與傳輸功能，APP 測試主要是測試其數(shù)據(jù)接收、顯示功能、及預(yù)警功能。

4.1 數(shù)據(jù)采集、傳輸功能

系統(tǒng)啟動后，環(huán)境感知裝置每隔一段時間會讀取一次溫度、濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)，傳感器只需單向通訊。 經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，將傳感器輸出的模擬值轉(zhuǎn)換為單片機可以識別處理的數(shù)字值。 單片機處理之后，定義數(shù)據(jù)傳輸格式，通過UART 異步通訊串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙模塊，接收數(shù)據(jù)后藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙通訊協(xié)議與冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)APP 通訊，進行數(shù)據(jù)傳輸。 監(jiān)控過程如圖7 所示。

圖7 硬件數(shù)據(jù)采集流程Fig.7 Hardware data collection flow chart

4.2 移動端數(shù)據(jù)接收、顯示功能測試

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與顯示功能是在系統(tǒng)手機軟件端實現(xiàn)的，打開手機APP 系統(tǒng)進行工作，首先進行藍(lán)牙搜索查詢，找出硬件藍(lán)牙設(shè)備進行配對，配對完成后，AmarinoService 藍(lán)牙服務(wù)即在后臺開啟服務(wù)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以廣播形式發(fā)送出去，不同的activity 根據(jù)數(shù)據(jù)類型做出相應(yīng)的動作響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的顯示，如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)圖形化顯示Fig.8 Graphical display of data

4.3 報警功能測試

選取溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)作為預(yù)警模型判定指標(biāo)，對系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控，當(dāng)超過預(yù)警值時，APP 發(fā)出報警。 每種環(huán)境參數(shù)超出范圍時都會觸發(fā)警報服務(wù)， 具體預(yù)警值處理是AmarinoService 服務(wù)接收數(shù)據(jù)后在手機程序中進行。 為了方便試驗，我們先用傳感器測定實驗室環(huán)境參數(shù)，選定的預(yù)警值接近真實環(huán)境，取值如表1 所示，同時表中列出了系統(tǒng)的預(yù)警結(jié)果。

表1 環(huán)境參數(shù)預(yù)警值Tab.1 Environmental parameter warning value

通過實驗室環(huán)境下的測試，系統(tǒng)報警服務(wù)能正常工作，判斷效果如圖9 所示。

5 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與主流的Android 系統(tǒng)相結(jié)合， 設(shè)計一種基于Android 平臺的冷鏈物流車載監(jiān)控系統(tǒng)，完成了軟硬件模塊的設(shè)計，車載終端與監(jiān)控中心的結(jié)合， 最終實現(xiàn)了Android 手機端對冷鏈車輛環(huán)境信息的采集監(jiān)控，以及冷藏車輛運輸位置的實時跟蹤定位， 實時監(jiān)控冷鏈運輸過程中的環(huán)境，確保每時每刻冷鏈環(huán)境參數(shù)都在產(chǎn)品要求范圍內(nèi)，當(dāng)參數(shù)超過閡值時，可發(fā)出警報，從而有效的對冷鏈環(huán)境加以調(diào)節(jié)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 基于安卓平臺的開發(fā)更具有移動性，監(jiān)督更方便。

圖9 系統(tǒng)報警功能Fig.9 System alarm function