徐中干

【摘 要】文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)和制冷設(shè)備技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套冷鏈物流信息追蹤與報(bào)警裝置。裝置通過(guò)ZigBee和GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)云端大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)冷鏈所涉及貨物在庫(kù)在途溫度、濕度等信息的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控及貨物定位，同時(shí)提供了重要信息的多通道報(bào)警功能。文章設(shè)計(jì)的裝置對(duì)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(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);冷鏈物流;ZigBee;報(bào)警裝置

【中圖分類號(hào)】TN915.5-34 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】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(yùn)輸?shù)较M(fèi)前的各個(gè)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(xiàng)系統(tǒng)工程。近年來(lái)，隨著冷鏈物流市場(chǎng)快速地?cái)U(kuò)大，隨之產(chǎn)生了不少問(wèn)題。國(guó)內(nèi)許多大型商貿(mào)公司雖然設(shè)有冷鏈物流部，但都沒(méi)有統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)，在軟件與硬件設(shè)施上存在一些嚴(yán)重的問(wèn)題[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(guò)程溫度監(jiān)控不到位。藥品行業(yè)的貨物運(yùn)輸也是冷鏈的一個(gè)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(yùn)輸與存儲(chǔ)等方面未達(dá)到冷鏈規(guī)范要求，導(dǎo)致藥品嚴(yán)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(kù)與在途溫度、濕度監(jiān)控兩個(gè)方面。在冷庫(kù)中只要配備了自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常就能實(shí)現(xiàn)在冷藏冷凍庫(kù)的溫度與濕度的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，但對(duì)于在途運(yùn)輸中溫度、濕度的監(jiān)控，由于技術(shù)上存在一定的困難，只能在貨物到達(dá)目的地驗(yàn)收時(shí)才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理。在庫(kù)和在途溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以規(guī)范冷鏈產(chǎn)品的出入庫(kù)，使運(yùn)輸操作標(biāo)準(zhǔn)流程化，防止人為原因?qū)е碌睦滏溫浧愤^(guò)長(zhǎng)時(shí)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(duì)現(xiàn)有冷鏈信息采集的不足和時(shí)常出現(xiàn)的“斷鏈”現(xiàn)象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種冷鏈信息追蹤及報(bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)冷鏈所涉及貨物的在庫(kù)和在途信息的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)能對(duì)冷鏈中偏離設(shè)定值的信息和安全信息實(shí)施多通道報(bào)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(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為3層，如圖1所示。

第一層：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層。主要實(shí)現(xiàn)在途和在庫(kù)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(gòu)建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，把各種傳感器采集到的技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總至主控ARM芯片，然后通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸匯報(bào)給云端的服務(wù)器。

第二層：云服務(wù)層。主要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、去除噪音，然后入庫(kù)、提取和分析等。結(jié)合各種設(shè)定的規(guī)則，對(duì)需要監(jiān)控的冷鏈信息出現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)偏移時(shí)進(jìn)行告警，然后通過(guò)各種手段，包括短信、郵件、電話等，通知相應(yīng)的管理負(fù)責(zé)人。這一層主要是構(gòu)建一個(gè)信息分析、存儲(chǔ)和告警的系統(tǒng)。

第三層：用戶訪問(wèn)層。主要提供了對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的展示、歷史告警信息及用戶自定義的規(guī)則設(shè)置，用戶通過(guò)手機(jī)App或者PC端的瀏覽器，通過(guò)一定的登錄校驗(yàn)，就可以進(jìn)入系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行相應(yīng)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(dāng)前，比較常見的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有802.11b、ZigBee與藍(lán)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(diǎn)見表1。

冷鏈相關(guān)信息的追蹤與監(jiān)測(cè)具有低速率、小范圍、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。本文采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)冷鏈現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控。

1.3 數(shù)據(jù)上報(bào)和告警通信協(xié)議

目前，手機(jī)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(chǔ)上的一種更為安全的HTTPS協(xié)議。本系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，系統(tǒng)提供的用戶訪問(wèn)服務(wù)都基于HTTPS協(xié)議。

2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

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(cè)節(jié)點(diǎn)主要是實(shí)時(shí)采集在途或在庫(kù)的冷鏈信息，包括溫度、壓力、濕度等方面的技術(shù)數(shù)據(jù)[5]。因此，ARM芯片、ZigBee模塊、傳感器和電源是構(gòu)成監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的必要構(gòu)成部分。由傳感器采集到的技術(shù)數(shù)據(jù)快速地輸入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送技術(shù)數(shù)據(jù)至主控節(jié)點(diǎn)，根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)定睡眠與定時(shí)喚醒功能。傳感器技術(shù)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(luò)協(xié)調(diào)器的主要作用為建立與維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，快速轉(zhuǎn)發(fā)主控節(jié)點(diǎn)下發(fā)的網(wǎng)絡(luò)配置命令，并向主控節(jié)點(diǎn)傳遞冷鏈各個(gè)環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)的各種實(shí)時(shí)技術(shù)數(shù)據(jù)信息[6]。因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要由微處理器、上位機(jī)的通信接口、ZigBee射頻模塊與電源模塊構(gòu)成。

協(xié)調(diào)器初始化時(shí)，重置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，然后接收由傳感器檢測(cè)的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)，以及時(shí)轉(zhuǎn)送至網(wǎng)絡(luò)并分配節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確無(wú)誤地接收技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)的設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)的最主要功能是接收來(lái)自采集節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、氣體壓力等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳給云端的監(jiān)控中心[7]，其硬件設(shè)計(jì)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(diǎn)中的ZigBee模塊與處理器STM32F107之間采用串口方式進(jìn)行通信。主控節(jié)點(diǎn)硬件組成方框圖如圖4所示。

2.2.1 GPRS模塊的設(shè)計(jì)

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(jià)比較高，可以滿足客戶的多種需求。該模塊的主要特點(diǎn)及性能見表2。

2.2.2 GPS模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是采用飛凌嵌入式技術(shù)有限公司的VK1613 GPS集成模塊用以運(yùn)輸定位識(shí)別，此模塊是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)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(yīng)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(jié)合、山高低洼等信號(hào)較弱的公路小道上，都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的定位功能;可以廣泛應(yīng)用于多種GPS終端產(chǎn)品的開發(fā)。該模塊的主要特點(diǎn)和性能見表3。

3 云端系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

云服務(wù)器總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。云端系統(tǒng)總體上采用B/S的架構(gòu)，對(duì)采集到的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與告警等。系統(tǒng)處理分為4個(gè)部分：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)展示及即時(shí)告警，構(gòu)建了一個(gè)完善的控制體系。

（1）數(shù)據(jù)分析。包括設(shè)備管理、組織管理、權(quán)限管理等。設(shè)備管理是對(duì)各個(gè)在途和在庫(kù)的無(wú)線采集設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的登記管理、版本控制和開關(guān)機(jī)及啟停等操作。用戶管理、組織管理和權(quán)限管理主要是把告警和監(jiān)控的數(shù)據(jù)授權(quán)給不同的組織和用戶訪問(wèn)，滿足不同組織和用戶的個(gè)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(shè)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(chǔ)。提供各種不同數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，實(shí)時(shí)圖片的攝取、上傳后保存到云服務(wù)器便于后期追溯和觀察分析，還有諸多日志信息可以存儲(chǔ)到NoSQL的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）動(dòng)態(tài)展示。提供Dashboard的大屏實(shí)時(shí)監(jiān)控，分區(qū)域和各種場(chǎng)景監(jiān)控等，為了滿足各個(gè)不同地區(qū)用戶訪問(wèn)的性能要求，需要提供CDN、負(fù)載均衡等手段，同時(shí)為了保障線上的應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全，需構(gòu)建相應(yīng)的防火墻與入侵檢測(cè)等設(shè)備進(jìn)行防護(hù)保障。

（4）即時(shí)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(shí)時(shí)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(guān)的管理負(fù)責(zé)人。

4 結(jié)語(yǔ)

在冷鏈物流中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使冷鏈在運(yùn)輸與保存過(guò)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?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)與制冷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)了一套冷鏈信息追蹤與報(bào)警裝置，主要包括基于ZigBee和GPRS的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及告警的云端服務(wù)器。項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為控制集成模塊化、不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行導(dǎo)致貨物損壞危險(xiǎn)報(bào)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(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]