鮮活農產品物流實時監控系統設計

李建廷

摘 要：針對鮮活農產品物流過程，開發成型的物流過程實時監控系統，以便實時地跟蹤管理鮮活農產品的物流過程，從而提高農產品運輸效率。物流過程實時監控系統包括鮮活農產品溫濕度檢測、車輛速度路線信息采集、無線數據傳輸、物流過程監控中心數據處理四個子系統，利用GPS、ZigBee技術、GPRS網絡及Internet實現對農副產品整個物流過程的監控和管理，以及提高農副產品運輸效率，為農產品的市場準入制度與溯源機制服務。

關鍵詞：鮮活農產品; 農產品物流; 物流管理; 物流過程監控; 數據采集處理

中圖分類號：TN87-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0038-04

Design of Real-time Monitoring System of Fresh Agricultural Products Logistics

LI Jian-ting

(School of Computer Science, Xian University of Finance and Economics, Xian 710100, China)

Abstract： Developing the logistics process of real-time monitoring management system for real-time management of fresh agricultural products to enhance the efficiency of agricultural products transport. The real-time monitoring system of the logistics is designed with four subsystems: testing the temperature and humidity of fresh agricultural products, collecting the speed and line of vehicles, transmitting wireless data, and processing the data in the control center. Using GPS, ZigBee technology, GPRS network and Internet to monitor and manage the fresh agricultural products and the logistics process.

Keywords： fresh agricultural products; agricultural products logistics; logistics management; logistics process monitoring; data collecting and processing

“新鮮”是農產品的生命和價值所在，由于鮮活農產品的含水量高、保鮮期短極易腐爛變質，大大限制了運輸途徑和交易時間，因此對運輸效率和保鮮條件有很高要求?！磅r活農產品物流過程實時監控系統”項目對運輸鮮活農副產品的物流車輛進行跟蹤，包括車輛信息、當前位置、時速、農副產品的存儲溫度、濕度等信息。通過對從產地到全國各大批發市場運輸過程中產品的狀態進行監測，確保鮮活農副產品在運輸途中不受損害，降低運輸損耗。同時，以此為基礎，建立市場準入制度與溯源機制，禁止存在問題的鮮活農副產品進入市場銷售，如果出現問題也可以追本溯源。

1 物流過程的流程設計

農副產品的物流過程自農副產品的產地裝貨出發開始，經過運輸車輛行駛過程直至農副產品到達目的地，再將銷售情況反饋給產地，完成一次物流運輸過程。物流過程實時監控系統需要對整個物流過程進行實時地監控及跟蹤管理。

農副產品運輸車輛在空間上具有移動性，車輛散布范圍廣、數量多、距離遠、還有可能途經偏僻地段，不應該受地域限制；在時間上具有實時性，并要求長期連續運行。但農產品批發市場所在地的工作人員必須對各運輸車輛內的農產品的溫度和濕度信息和相關信息實現全程實時監測和監督，才能保障農副產品在運輸過程不會因溫濕度控制不當而變質，從而減少不必要的浪費，保證農副產品質量安全［1-2］。物流過程的流程設計如圖1所示。

根據以上分析，農副產品物流過程實時監控系統需要完成的主要功能可以分為鮮活農產品溫濕度檢測、車輛速度路線信息采集、無線數據傳輸、物流過程監控中心數據處理四部分。

2 系統總體框圖

鮮活農產品物流過程實時監控系統總體框架如圖2所示。

其中，環境參數采集模塊和車載終端子系統是安裝在運輸設備上的，環境采集模塊負責實時地檢測所運輸物品的溫度和濕度信息，定時將采集的信息通過ZigBee通信協議傳遞給車載終端。車載終端集成GPS模塊、ZigBee無線模塊和GPRS通信模塊，負責將GPS信息、接收的溫度濕度信息通過GPRS模塊傳遞給監控中心。無線通信子系統負責接收GPRS信息并將GPRS網絡的數據轉化為Internet網絡的格式傳遞給監控中心［3-4］。物流過程監控中心是整個系統的大腦，負責對所有物流過程進行監控和管理，發現并報告異常，同時定時將收集到的信息存儲到數據庫中。

圖1 物流過程流程圖

圖2 系統總體框架設計圖

2.1 環境參數采集子系統

該子系統主要安裝在運輸車內，實時地采集所運輸的鮮活農產品的溫度和濕度信息數據，并及時將這些數據傳輸到車載終端子系統，便于實時反饋給物流過程監控中心。環境參數采集子系統是整個鮮活農產品物流過程監控系統十分重要的部分，負責實時檢測鮮活農產品運輸過程的溫度和濕度，并通過ZigBee短距離無線通信網絡發送給車載終端。溫濕度檢測系統由溫濕度傳感器和ZigBee短距離無線模塊兩部分組成。溫濕度傳感器放置于封閉的運輸車廂內，溫濕度傳感器采集到溫度信息和濕度信息后，通過MCU實時傳給ZigBee無線通信模塊，ZigBee無線通信模塊將這些信息通過無線網絡發送給駕駛艙內的車載終端，車載終端將這些信息以及GPS模塊獲得的車輛狀態(車速、位置)信息打包后通過GPRS網絡直接傳輸到物流過程監控中心。

2.2 車載終端子系統

車載終端子系統實際上就是一個基于 ARM的嵌入式平臺，它包括ZigBee無線通信模塊，GPS模塊以及GPRS模塊。它的功能主要提供運輸鮮活農產品的運輸工具的各種狀態信息，包括車輛定位信息以及運輸工具的各種環境參數信息。其定位信息是通過GPS模塊獲得，通過GPRS模塊發送給服務器，同樣也可以通過TCP/IP套接字給服務器發送各種請求，來獲得相應的服務。同時，車載終端接收環境參數采集模塊通過ZigBee無線網絡傳輸來的環境參數信息，經過處理后通過GPRS發送到物流過程監控中心［5-6］。

本工程中，該子系統處理器使用的是Philips公司的ARM7 LPC2100系列，ARM嵌入式開發平臺的GPRS擴展模塊采用的GPRS模塊型號為SIM3000，并且GPS定位信息的接收采用的是Garmin公司生產的GPS15L/H 接收機。

2.3 無線通信子系統

無線通信子系統實際上是建立在運輸車和物流過程監控中心的數據傳輸通道，由于運輸車的移動性、分散性，同時考慮通信成本和可靠性，采用GPRS無線通信方式實現無線數據傳輸系統。無線通信子系統可以依托中國移動或者聯通提供的服務，但監控中心接入的是Internet網絡，數據從GPRS網絡到Internet網絡需要進行一定的處理轉換。

車載終端通過GPRS將分組報文從基站發送到GPRS服務支持節點(SGSN)，SGSN與GPRS網關支持節點(GGSN)進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如因特網或X.25網絡。來自因特網標識有移動臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉發到SGSN，繼而傳送到移動臺上。SGSN是GSM網絡結構中的一個節點，它與MSC處于網絡體系的同一層。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網絡結構與移動臺之間的接口。SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數據的發送和接收。GGSN通過基于IP協議的GPRS骨干網連接到SGSN，是連接GSM網絡和外部分組交換網的網關。通過GGSN將GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP/IP或X.25網絡［7-10］。

2.4 物流過程監控子系統

物流過程監控子系統作為整個系統的神經中樞，負責接收來自無線通信子系統發來的數據并進行實時的處理和顯示，形成直觀的操作界面便于對物流過程進行監控和管理。

該子系統完成和車載終端的實時無線通信、數據庫存儲、溫濕度曲線顯示和溫濕度實時報警等功能。首先物流過程監控中心可以對鮮活農產品實時溫濕度和相關信息數據包進行接收和發送；GPRS網絡通過GGSN將報文傳送到Internet網絡，物流中心的服務器只要有一個公網的IP地址就可以獲得這個信息。然后監控中心子系統把接收的所有信息進行相關處理并且實時存儲于后臺數據庫中；最后用戶通過監控中心子系統的軟件界面可以進行直觀的溫濕度曲線顯示、車輛位置信息的電子地圖顯示、數據庫查詢和遠程參數設置等操作。

3 物流過程監控子系統設計

根據以上分析，將整個監控中心系統主要分為3個模塊進行設計：數據包收發和處理模塊、數據庫管理模塊和可視化界面模塊。系統整體設計框架如圖3所示。

圖3 物流過程監控子系統框架

3.1 數據包收發和處理模塊

數據包收發和處理模塊主要負責從Internet上獲取來自無線終端的信息數據。設計時必須考慮的是車輛的移動性，以及如何能實時地將數據傳送到監控中心服務器等問題。

車載終端需要傳送數據時，首先將所收集到的信息數據進行基于TCP/IP的打包處理，打包過后的數據通過GSM網絡將數據傳送給最近的BSS(基站子系統)，BSS會和最近的SGSN通信，其后SGSN通過GPRS網絡將數據發送到GGSN，在GGSN對該數據包進行相關處理后，將該數據發送到Internet或X.25網絡。進入到Internet上的IP數據包可以很容易地傳輸到物流過程監控中心。因此，監控中心數據包的收發和處理模塊只需考慮接收和處理來自Intenet的IP數據包。

3.1.1 數據幀格式設計

本系統主要功能是記錄農副產品的狀態，每次傳輸的數據量小而且突發性強，因此采用UDP協議傳輸數據。同時，由于UDP協議為不可靠的傳輸協議，其并不提供數據傳送的保障機制，因此實現時必須添加保障信息傳輸可靠性的確認機制。在本系統中，當監控中心向終端發送數據時，要求終端返回接收正確或錯誤的確認信息，監控中心收到正確的確認信息后數據下傳進程才完畢。否則，監控中心將在規定的時間內重發，直到收到正確的確認信息或發送次數標志溢出才終止［11］。

在數據包收發和處理模塊設計實現過程中最主要的就是對數據包進行操作，車載終端和物流過程監控中心在交互通信過程中，所涉及的主要數據幀類型包括：

GPS數據包：GPS數據包是由車載終端上的GPS模塊獲得的GPS信息交給車載終端后，由車載終端上的程序進行封裝的。

車載終端注冊信息幀：車載終端開機后需要首先在監控中心進行注冊，只有注冊通過才能通過監控中心對車載終端進行實時地跟蹤和管理，車載注冊信息就是由車載終端發送給監控中心請求注冊的報文。

車載終端客戶登錄幀：車載終端登錄后，操作人員需要使用自己的用戶ID通過車載終端登錄到監控中心系統，監控中心根據這一信息來實現車載終端和客戶的關聯。

車載終端發送登記商品信息幀：在物流起點需要將運輸貨物的信息通過車載終端傳送到監控中心。這一信息主要是將運輸貨物和車載終端進行關聯。信息中會包含貨物運輸所需要的溫度和濕度限制，監控中心根據這一信息來判斷貨物的實時運輸條件是否滿足要求，如果越界則會發出警報。

車載終端發送地理位置幀：車載終端可以實時地查詢自己所在的位置信息，這一信息通過車載終端向監控中心上報GPS信息獲得，監控中心根據GPS信息查詢GIS地圖數據庫獲得車載終端所在位置的名稱，再傳遞給車載終端。這樣車載終端就可以知道運輸車輛當時所在地理位置的名稱。

各類數據幀設置的數據格式統一采用ASCII字符，同時在GPRS/CDMA網絡無信號的情況下使用短信方式傳輸，短信格式與數據幀的格式定義保持一致。數據幀定義示例如圖4所示。

3.1.2 數據包的收發

移動終端通過GPRS網絡向監控中心發送數據時，終端應用程序要先對數據封裝，再通過AT命令控制GPRS模塊發送。具體實現時的步驟如下：

(1) 對數據進行UDP封裝，將采集到的待發送的信息數據放到UDP格式的數據段中，對此幀UDP數據和8字節首部信息一起按規則計算，生成UDP校驗和，完成UDP數據封裝。

(2) 根據IP協議為此幀UDP建立20字節的IP頭，對IP頭進行校驗計算，得出IP頭的校驗值，完成IP封裝。

(3) 完成PPP封裝，PPP格式的標志字符為0x7E，在進行PPP封裝前先要檢查數據中是否有標志字符，當遇到字符0x7E時，連續傳送2個字符0x7D和0x5E，以實現標志字符的轉義，當遇到轉義字符0x7D時，連續傳送2個字符0x7D和0x5D，以實現轉義字符的轉義。

(4) 將數據放入PPP幀格式的信息段中，生成CRC校驗，完成PPP封裝。

(5) 終端通過AT命令控制GPRS模塊向網絡發PPP呼叫，建立PPP通信鏈路連接，并發送封裝好的數據。

圖4 數據幀格式定義示例

3.1.3 數據包的處理

在接收到數據包之后，根據數據包類型的不同，選取相應的處理流程。如ACK包是屬于接收方在自己正確無誤接收到發送方發的數據包后，所反饋回的一個確認數據包；而對于正常的數據包，將調用相關的解包過程函數。根據收到的包的類型轉而進入相關處理模塊，對于整個物流過程中所采集到的各項信息數據將實時存儲在數據庫當中。

如果有要發送的報文，可經過監控中心上層程序，按照幀格式封裝好后直接調用發送接口函數發送。當然監控中心也可以主動發出請求，這樣就可直接調用發送處理進行報文的封裝，然后調用發送函數進行發送。

3.2 數據存儲模塊

數據存儲模塊將讀取的數據包進行解析校驗，若校驗正確將實時存入后臺數據庫，并發送反饋信息給GPRS終端，可用于實時溫濕度曲線圖顯示、實時數據顯示和溫濕度報警指示。

3.3 軟件界面模塊

軟件界面模塊分為多個功能模塊，其中實時溫濕度曲線顯示、數據的統計分析、數據庫查詢與數據管理和用戶管理等人機操作是基于SQL Server數據庫事件觸發機制來完成的。軟件的通信啟動、關閉服務以及車載終端及溫濕度采集模塊參數設置等界面操作是調用通信動態鏈接庫的發送函數來完成的。

4 結 語

本系統依托國家發改委國債項目“全國大中型農產品批發市場信息化建設項目”擴展部分的關鍵系統研發，針對的主要對象是全國大中型農產品批發市場鮮活農產品物流過程，開發成型的監控系統，通過該信息系統對從產地到全國各大批發市場運輸過程中產品的狀態進行監測。

從系統測試及使用結果看，本系統基本滿足了設計需求。但是也存在一些不足，如無線數據傳輸時間延遲的存在，導致監控中心收到的車輛監控數據不能真實反映移動車輛的實時狀態；車輛定位的實時性與通信費用的矛盾；系統功能上，可進一步增強傳統車輛監控平臺的GIS功能，如規劃功能、緊急援助等。系統構架上，可進一步利用Web Service技術改良鮮活農副產品物流過程監控系統的架構模式。

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