文/李愈娜

在食品冷藏及物流運輸領(lǐng)域，食品的品質(zhì)一直是食品生產(chǎn)及物流運輸企業(yè)持續(xù)關(guān)注的問題。為提高食品在冷藏運輸過程中保鮮的穩(wěn)定性，確保不會因為偶發(fā)因素對食品的新鮮產(chǎn)生影響，本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、GPS技術(shù)、4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建一個閉環(huán)的食品監(jiān)控系統(tǒng)，確保食品從出廠到消費者中的各個環(huán)節(jié)環(huán)境閉環(huán)監(jiān)控。系統(tǒng)具備食品環(huán)境異常預(yù)警，食品保鮮失效提醒等功能。該系統(tǒng)能夠解決食品儲運領(lǐng)域的溫度閉環(huán)控制問題，有效降低因儲運環(huán)境的改變而導(dǎo)致食品變質(zhì)問題，從而降低企業(yè)的損失。冷鏈（Cold Chain)是指食品在從生產(chǎn)到消費者的各個環(huán)節(jié)的低溫環(huán)境，是保證食品質(zhì)量的一項系統(tǒng)工程。我國當(dāng)前的冷鏈物流發(fā)展時機已經(jīng)成熟，它的存在為企業(yè)在生產(chǎn)食品時減少了損失和浪費，確保了食品的品質(zhì)，是食品流通行業(yè)不可或缺的一環(huán)。由于食品的流通環(huán)節(jié)由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運輸及配送、冷凍銷售等環(huán)節(jié)構(gòu)成，各個環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將導(dǎo)致食品質(zhì)量出現(xiàn)問題。因此，對冷鏈的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控，是保證食品質(zhì)量的有效措施。當(dāng)前的冷鏈環(huán)節(jié)仍然由各節(jié)點自己控制，物流公司或者生產(chǎn)企業(yè)仍然無法做到對流通環(huán)節(jié)的閉環(huán)監(jiān)控。徐向麗[1]設(shè)計了一種用于在線肉類分解氣體檢測的電子鼻系統(tǒng)，通過GPRS/SIM 模塊自動上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。梁琨[2]等設(shè)計了一種冷鏈運輸中的溫濕度信息采集系統(tǒng)，馮賀平[3]基于Zigbee協(xié)議開發(fā)了果蔬物流實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，陳偉炯[4]利用GeNIe軟件建立醫(yī)藥冷鏈物流環(huán)節(jié)的動態(tài)風(fēng)險評估，在冷鏈物流環(huán)節(jié)的監(jiān)控領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的機構(gòu)及個人在開展研究，對于冷鏈環(huán)節(jié)的風(fēng)險評估也有所涉及，而冷鏈物流環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制，則有待繼續(xù)研究。閉環(huán)監(jiān)控，是指對儲運環(huán)境溫度能夠執(zhí)行在線監(jiān)控，實時控制，失溫預(yù)警等功能。本文將著重探討在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下構(gòu)建食品冷鏈閉環(huán)監(jiān)控及控制系統(tǒng)，采用PLC、物聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)，實現(xiàn)對人、車、物的信息物聯(lián)，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IOT）是通過各類傳感器將物與物、物與人進(jìn)行交換的載體；可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是一種在工業(yè)上廣泛運用的工業(yè)控制裝置；無線射頻識別即射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）是一種自動識別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式識別物體；全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），用于為物體提供地理位置信息。本文所設(shè)計的方案如圖1所示，物聯(lián)通訊終端設(shè)備安裝于物流終端（冷庫車上），每個終端有一個唯一的身份RFID卡，對應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)的接收設(shè)備，PLC采用RS232C串口與物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備進(jìn)行通訊，溫度和濕度通過模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量模塊（A/D模塊）上傳到PLC，并通過PLC使用PID控制技術(shù)保持冷庫的恒溫和恒濕，從而根據(jù)食品的儲運條件控制冷庫的溫濕度，PLC的數(shù)據(jù)實時上傳到遠(yuǎn)程管理服務(wù)器（IOTService），管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。RFID系統(tǒng)采集操作員的一卡通，進(jìn)行出入庫人員確認(rèn)操作。冷庫的各種信息通過本地的物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備上傳至物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器（IOTService），通過服務(wù)器與管理系統(tǒng)相連。物聯(lián)網(wǎng)搭建分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層[5]，感知層是根據(jù)系統(tǒng)的需求采集和感知外部的物理世界狀態(tài)，本文中采用的數(shù)據(jù)包括溫濕度、空氣質(zhì)量、操作人員的信息等數(shù)據(jù)，感知的環(huán)境中，每一個傳感器都將分配有一個獨立的網(wǎng)關(guān)和地址；網(wǎng)絡(luò)層，將采集的數(shù)據(jù)按需通過窄帶互聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）、GSM/GPRS、以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等方式以訪問網(wǎng)關(guān)的方式接入到核心網(wǎng)（即互聯(lián)網(wǎng)中）；服務(wù)層，是指對采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理，云計算、以及發(fā)出指令等操作，服務(wù)層可以將信息發(fā)送到設(shè)備控制器（PLC、Arduino），實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.儲藏和運輸設(shè)備環(huán)境監(jiān)視與控制

冷鏈物流中儲藏與運輸?shù)脑O(shè)備，由于食品與環(huán)境[6-7]有關(guān)的主要因素有（1）環(huán)境氣體因素：醛酸類和醛類氣體，（2）胺類氣體（3）溫度（4）濕度等。PLC是工業(yè)上運用非常廣泛的工業(yè)控制器，它可以實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的采集，并進(jìn)行實時控制冷庫的溫度。溫度及濕度控制采用PLC作為控制器，以A/D模塊作為溫度及濕度采集，PLC作為數(shù)據(jù)采集及控制環(huán)境溫度的主控制器，溫度的采集方法可以采用通訊采集或者模擬量電流4-20mA輸入到PLC，同時，PLC對環(huán)境的溫度進(jìn)行PID控制，PLC的所有數(shù)據(jù)通過RS-232C數(shù)據(jù)接口提交到本地的IOT通信設(shè)備中，IOT通信通過4G信號上傳至遠(yuǎn)端的IOT服務(wù)器中，并儲存在云服務(wù)器，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)實時生成報表。

圖2 儲運環(huán)境監(jiān)視與控制技術(shù)框圖

3.閉環(huán)控制系統(tǒng)報警方法研究

長時間的環(huán)境不達(dá)標(biāo)是造成食品變質(zhì)的主要因素，為此，對儲運環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)的失溫時，系統(tǒng)能夠第一時間通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警示信息給儲運員，這是一項非常有效地預(yù)警方式。預(yù)警的方式可以提醒管理員采取緊急措施進(jìn)行補救。對于儲運設(shè)備中的環(huán)境數(shù)據(jù)，由于位置及傳輸信號的變化，其采集的數(shù)據(jù)不完全同步，也會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，如果采用實時數(shù)據(jù)報警則會存在誤報及多報現(xiàn)象，針對冷鏈儲存的環(huán)境因素，如何降低誤報率是閉環(huán)控制的關(guān)鍵難點之一。變化趨勢[8]報警將某一時間段的信號值進(jìn)行提取并進(jìn)行最優(yōu)擬合，針對擬合的結(jié)果進(jìn)行定性趨勢分析，針對趨勢與閾值進(jìn)行比較從而給出報警信息，能夠有效地降低誤報率。本文采用數(shù)據(jù)分析的方法，將環(huán)境因素進(jìn)行分析，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。假設(shè)溫度離散點值為y=ψ（a，b），溫度離散值定期進(jìn)行采集，保存到數(shù)據(jù)中，通過云計算，系統(tǒng)計算期間內(nèi)溫度的變化情況，從而判斷出冷庫的儲存環(huán)境情況。

4.冷鏈物流溫度閉環(huán)控制

冷藏車的溫度由本地的控制器根據(jù)設(shè)置的溫度進(jìn)行控制，采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)搭建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，將設(shè)備的信息通過物聯(lián)網(wǎng)IOT上傳到云服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)不同的食品種類，進(jìn)行實時監(jiān)控及反饋。對各個物理點進(jìn)行有效控制。冷藏控制系統(tǒng)主要是對冷庫溫度和制冷壓縮機功率進(jìn)行控制。兩者形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過控制電源的輸出功率和壓縮機工作時間來控制儲藏環(huán)節(jié)的溫度，溫度又會影響電源輸出功率的調(diào)節(jié)[9]。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。在冷庫的周圍安裝溫度傳感器，通過溫度采集裝置將采集到的實時溫度數(shù)據(jù)通過變送器轉(zhuǎn)換為模擬電流信號（4～20 mA）。模擬電流信號經(jīng)PLC的AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，輸入到PLC的基本單元中，與設(shè)定溫度比較后進(jìn)行PID溫度控制運算輸出控制信號。PLC控制器把控制信號通過485總線傳輸?shù)紻SP控制器中形成閉環(huán)控制，由制冷電源控制端來決定是否繼續(xù)制冷。使溫度與壓縮機工作形成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，閉環(huán)控制接收云端的溫度設(shè)定。為防止出現(xiàn)過溫和欠溫的情況，引入溫度PID控制[10]，溫度閉環(huán)可根據(jù)傳感器的反饋值與測試設(shè)定值的差為不斷優(yōu)化基礎(chǔ)訓(xùn)練輸出的電流值，達(dá)到均勻制冷的目的。

圖4 基于PLC的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

5.結(jié)語

本文提到的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的儲運環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)，對儲運過程的制冷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)要求進(jìn)行閉環(huán)控制，能夠?qū)\的溫度根據(jù)食品的不同而實時進(jìn)行控制，既可以節(jié)省能源，又可以保證食品的品質(zhì)，對于冷鏈物流企業(yè)提升效益和管理的水平非常有幫助，通過云端系統(tǒng)的控制可以使用企業(yè)對各個儲運環(huán)節(jié)的環(huán)境溫度進(jìn)行控制，系統(tǒng)值得推廣與使用。