張紅賓，程如岐,*，高 藝，趙二剛，陳紹慧

（1.南開大學(xué)電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300071；2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津 300192）

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們的消費(fèi)習(xí)慣也發(fā)生了相應(yīng)的變化，特別是對(duì)各種生鮮果蔬的需求量明顯增加，對(duì)生鮮果蔬的品質(zhì)及保鮮效果有更高的要求。同時(shí)隨著現(xiàn)代果蔬等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量果蔬等農(nóng)產(chǎn)品尤其是高檔優(yōu)質(zhì)果蔬的生產(chǎn)將集中于有利氣候、土壤及有適當(dāng)灌溉的地區(qū)，因此要實(shí)現(xiàn)果蔬等農(nóng)產(chǎn)品周年均衡供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并出口，參與國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大流通，就離不開配套的冷鏈流通貯運(yùn)技術(shù)的支撐和保證[1-5]。

移動(dòng)冷庫(kù)是一種小型化、可移動(dòng)式的冷庫(kù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的冷庫(kù)，具有占地面積小、可靈活移動(dòng)、成本低等優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)冷庫(kù)的運(yùn)用是當(dāng)前冷鏈建設(shè)的重要方向，它能夠?qū)⑥r(nóng)產(chǎn)品的冷藏處理環(huán)節(jié)提前至“最初一公里”的田間地頭，可有效提升農(nóng)產(chǎn)品出品質(zhì)量和保存期限，從而達(dá)到延長(zhǎng)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)周期，增加農(nóng)產(chǎn)品收益的目的[6-7]。移動(dòng)冷庫(kù)的研究重點(diǎn)在于全時(shí)空在線監(jiān)控，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)冷庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究方案主要采用C/S和B/S架構(gòu)：冷庫(kù)與服務(wù)器之間采用C/S架構(gòu)，上傳冷庫(kù)運(yùn)行數(shù)據(jù)；客戶端同服務(wù)器之間采用B/S架構(gòu)，通過(guò)超文本傳輸協(xié)議（HTTP）請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。這種方案的缺點(diǎn)在于服務(wù)器端比較復(fù)雜，冷庫(kù)和客戶端之間無(wú)法建立直接的聯(lián)系，通信的實(shí)時(shí)性和可靠性較差[8-11]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的移動(dòng)冷庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，對(duì)冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，同時(shí)通過(guò)4G技術(shù)與MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)智能冷庫(kù)與監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，借助專用監(jiān)控網(wǎng)站以及手機(jī)APP就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保冷庫(kù)的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能移動(dòng)冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、云服務(wù)器和客戶端Web/APP組成。冷庫(kù)監(jiān)控的關(guān)鍵在于運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，指令傳遞的及時(shí)準(zhǔn)確，為保證監(jiān)控主機(jī)同客戶端之間的通信可靠，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中廣泛采用的MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者之間的消息推送。MQTT協(xié)議是IBM開發(fā)的一種基于TCP/IP的應(yīng)用層通信協(xié)議，專門針對(duì)低帶寬和不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，MQTT的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接的遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[12-15]。MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，發(fā)布/訂閱消息模式就是發(fā)布者和訂閱者兩個(gè)客戶端不直接交互數(shù)據(jù)，而是通過(guò)MQTT協(xié)議與MQTT消息代理者通信來(lái)實(shí)現(xiàn)間接交互消息，其協(xié)議框架如圖1所示。

圖1 MQTT協(xié)議框架Fig.1 MQTTprotocol framework

智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)符合物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)（感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）[16]。監(jiān)控主機(jī)是冷庫(kù)的控制核心，對(duì)用戶而言，可實(shí)時(shí)感知并發(fā)布冷庫(kù)運(yùn)行數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，接收并執(zhí)行客戶端下發(fā)的控制命令；對(duì)機(jī)組而言，通過(guò)對(duì)多種傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定的溫度控制壓縮機(jī)等設(shè)備對(duì)庫(kù)溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中若溫度或壓力等參數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值，則及時(shí)停機(jī)并上報(bào)故障信息?？蛻舳丝赏ㄟ^(guò)訂閱監(jiān)控冷庫(kù)的信息，查看冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，并根據(jù)需要發(fā)布命令控制冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到對(duì)冷庫(kù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的監(jiān)控。感知控制層與應(yīng)用層之間通過(guò)4G/NB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the system

2 感知控制層設(shè)計(jì)

感知控制層是智能移動(dòng)冷庫(kù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)感知冷庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)、控制冷庫(kù)的工作模式及與服務(wù)器的通信，感知控制層結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該層采用STM32高性能嵌入式處理器作為主控芯片，將嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、GPS技術(shù)等綜合應(yīng)用于智慧冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)。除了監(jiān)測(cè)冷庫(kù)的基本運(yùn)行參數(shù)，感知控制層還具備GPS定位功能和電源電力監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)上傳冷庫(kù)的最新位置信息和電力運(yùn)行參數(shù)，確保對(duì)冷庫(kù)狀態(tài)的全方位監(jiān)控。

圖3 感知控制層結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagramof perception control layer

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層是連接監(jiān)控主機(jī)與用戶監(jiān)控端的紐帶，是數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備交互、信息共享的重要渠道。物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)種類眾多，包括ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、Z-Wave等短距離通信技術(shù)和長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)。由于移動(dòng)冷庫(kù)使用場(chǎng)所不固定，為保證用戶與設(shè)備之間高質(zhì)量、低延時(shí)的通信的同時(shí)不受地點(diǎn)環(huán)境的限制，智能監(jiān)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層上選擇4G無(wú)線接入技術(shù)，監(jiān)控主機(jī)通過(guò)4G通信模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)層的組成框圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)層組成結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Network layer structure

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

4.1 應(yīng)用層中間件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用層中間件即應(yīng)用服務(wù)器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。中間件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和訪問(wèn)的控制，為監(jiān)控主機(jī)和用戶提供數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用層中間件接收冷庫(kù)上報(bào)的數(shù)據(jù)，并向冷庫(kù)轉(zhuǎn)發(fā)用戶控制命令，從用戶角度來(lái)看，中間件控制用戶訪問(wèn)權(quán)限，向用戶轉(zhuǎn)發(fā)冷庫(kù)運(yùn)行參數(shù)。中間件主要有MQTT服務(wù)和Web接口服務(wù)等功能，中間件功能框圖如圖5所示。

圖5 中間件功能框圖Fig.5 Middleware function block diagram

MQTT服務(wù)是中間件最主要的功能，可以通過(guò)阿里云MQTT服務(wù)器提供，也可以通過(guò)開源MQTT服務(wù)器服務(wù)。常用的MQTT服務(wù)中間件有：EMQX（Erlang/Enterprise/Elastic MQTTBroker）、Mosquitto、Apollo等。本系統(tǒng)中采用的是EMQX，它是基于Erlang/OTP平臺(tái)開發(fā)的開源物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器。將EMQ安裝部署在阿里云服務(wù)器上，運(yùn)行Emqttd start命令，開啟MQTT服務(wù)。MQTT服務(wù)開啟后，監(jiān)控主機(jī)和用戶連接MQTT監(jiān)聽端口，進(jìn)行消息發(fā)布/訂閱，監(jiān)控主機(jī)發(fā)布包含狀態(tài)數(shù)據(jù)的MQTT報(bào)文并訂閱包含命令消息的MQTT報(bào)文，客戶端發(fā)布命令消息并訂閱被監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò)EMQ提供的Web管理控制臺(tái)查看服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、客戶 端（Client）、會(huì) 話（Session）、主 題（Topic）、訂 閱（Subscription）等信息，如圖6所示。

圖6 EMQ管理控制臺(tái)Fig.6 EMQmanagement console

為滿足用戶查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄的需求，服務(wù)器提供Restful風(fēng)格的Web接口，實(shí)現(xiàn)前端和后端的分離，用戶按照接口格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

數(shù)據(jù)解析服務(wù)訂閱冷庫(kù)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀，按照通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將結(jié)果保存在MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。若接收到的數(shù)據(jù)幀為報(bào)警幀，則生成一條報(bào)警記錄，并通過(guò)短信服務(wù)向冷庫(kù)負(fù)責(zé)人推送報(bào)警短信。

4.2 用戶應(yīng)用設(shè)計(jì)

用戶應(yīng)用是冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的最上層，是冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)最直接的展示。根據(jù)用戶終端類型不同，應(yīng)用層提供電腦終端和手機(jī)終端兩種不同的服務(wù)。為更直觀地展示冷庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)，電腦終端提供了大屏監(jiān)控和管理兩種界面。

大屏監(jiān)控界面基于百度地圖和Echarts實(shí)現(xiàn)可視化的大屏展示，實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)控冷庫(kù)的位置信息及運(yùn)行數(shù)據(jù)[17-18]，數(shù)據(jù)通過(guò)圖表的形式進(jìn)行展示，更加直觀形象，如圖7所示。管理界面的功能更豐富，除冷庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)控外還可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢及信息修改，如圖8所示。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)大屏展示圖Fig.7 Large screen display of monitoring system

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)管理界面Fig.8 Management interface of monitoring system

為了適應(yīng)越來(lái)越多的手機(jī)與平板電腦等智能終端的需求，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了專門移動(dòng)端APP，該APP具有同電腦端Web應(yīng)用相同的功能，能夠保證對(duì)冷庫(kù)系統(tǒng)隨時(shí)隨地監(jiān)控而不受時(shí)間及地域的限制，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)的全時(shí)空在線監(jiān)控。移動(dòng)端APP界面如圖9所示。

圖9 移動(dòng)端APP界面Fig.9 Interfaceof mobile APP

冷庫(kù)上報(bào)的數(shù)據(jù)經(jīng)服務(wù)器解析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可通過(guò)APP查看庫(kù)溫曲線及報(bào)警信息，掌握冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)庫(kù)溫曲線和報(bào)警信息，用戶可準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)報(bào)警原因，區(qū)分庫(kù)溫異常原因（由開關(guān)門或是系統(tǒng)故障引起）。庫(kù)溫曲線及報(bào)警記錄如圖10所示。

圖10 庫(kù)溫曲線及報(bào)警記錄圖Fig.10 Temperaturecurveand alarmrecord

5 總結(jié)

移動(dòng)冷庫(kù)作為新型的冷鏈物流設(shè)備，有助于緩解當(dāng)前高速發(fā)展的冷鏈物流需求與冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)落后的矛盾。完善可靠的監(jiān)控有助于推動(dòng)移動(dòng)冷庫(kù)的應(yīng)用，在對(duì)國(guó)內(nèi)外冷庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合移動(dòng)冷庫(kù)監(jiān)控實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，設(shè)計(jì)了基于MQTT協(xié)議的移動(dòng)冷庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)，在保證冷庫(kù)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)上報(bào)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的可靠控制。通過(guò)在天津、哈爾濱等地的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)及時(shí)、安全可靠，大大提高了冷庫(kù)運(yùn)行控制的智能化和信息化水平，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。