樹莓派（Raspberry Pi）在冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的探討

葉飛 李莉 江濤 曹彥

[摘 要] 筆者以浙江省疾病預(yù)防控制中心冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)例，分析傳統(tǒng)RS-485總線架構(gòu)的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)的不足，探討冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合樹莓派后在硬件成本控制、系統(tǒng)維護(hù)管理和報(bào)警機(jī)制完善等方面帶來的改變。

[關(guān)鍵詞] 溫濕度監(jiān)控；樹莓派；RS-485

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 18. 029

[中圖分類號] TP391.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）18- 0043- 02

冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)是針對冰箱、冷庫、冷柜、冷鏈車等冷鏈設(shè)備的儲存溫度進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并定向報(bào)警通知技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)無人值守的主要解決方案。借助于該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對物理位置分散的冷鏈設(shè)備進(jìn)行集中管理，尤其是在疫苗運(yùn)輸過程中冷鏈車內(nèi)溫度和具體位置信息的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 實(shí)例分析

浙江省疾病預(yù)防控制中心于2010年就開始冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對分散在2幢實(shí)驗(yàn)樓不同樓層的各類冰箱、冷庫等冷鏈設(shè)備的實(shí)時溫度監(jiān)控和自動報(bào)警功能。該系統(tǒng)由冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)軟件、短信發(fā)送器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀組成，以RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在不同的大樓之間通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)利用原大樓弱電工程預(yù)留的多模光纖，達(dá)到減少布線工程量的目的。

在各個樓層各設(shè)備間部署的溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)時采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并通過RS-485總線將各冷鏈設(shè)備溫濕度數(shù)據(jù)上傳至中心服務(wù)器。中心服務(wù)器提供各冷鏈設(shè)備溫濕度信息統(tǒng)一查詢、展示功能，方便各管理員直觀地觀察其負(fù)責(zé)冷鏈設(shè)備的實(shí)時溫濕度信息。同時，中心服務(wù)器具有自動監(jiān)控和短信報(bào)警功能，能夠自動發(fā)現(xiàn)異常的溫度信息，并向設(shè)備責(zé)任人發(fā)送報(bào)警短信。采用溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀外接溫度傳感器的方案，可以借助溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀自身具有一定的存儲空間的設(shè)計(jì)，使溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀可以緩存一定時間量的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中也發(fā)現(xiàn)基于RS-485串行總線架構(gòu)的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)，在管理和維護(hù)方面帶來的一些不便。

1.1 溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀存在較多的限制，不利于擴(kuò)展

單個溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀能夠外接的傳感器的數(shù)量有限（一般為1～4個）且支持的傳感器品牌比較單一。對于冷鏈設(shè)備數(shù)量較多，物理位置不集中的情況下，則需要安裝多個溫濕度記錄儀。同樣，即使多個冷鏈設(shè)備集中在一個房間，但是數(shù)量超過溫濕度記錄儀支持的外接傳感器數(shù)量，也需要安裝多個溫濕度記錄儀。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸總線不靈活，無法利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)

由于整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485串行總線的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)需要增加一個冷鏈設(shè)備間時，無法直接利用該房間已有的以太網(wǎng)端口，還是需要鋪設(shè)RS-485串行總線所使用的線纜。即使只是某個冷鏈設(shè)備從一個冷鏈設(shè)備間搬至另外一個冷鏈設(shè)備間的情況發(fā)生時，仍可能需要對原有的RS-485串行總線線路走向進(jìn)行調(diào)整。

1.3 集中告警機(jī)制存在管理漏洞

中心服務(wù)器負(fù)責(zé)集中存儲和管理溫濕度記錄數(shù)據(jù)，同時提供對冷鏈設(shè)備的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生異常時便向預(yù)設(shè)好的設(shè)備責(zé)任人發(fā)送告警短信的功能。如RS-485串行總線發(fā)生故障，各冷鏈設(shè)備的溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)就無法及時傳送到中心服務(wù)器。假如在故障期間某冷鏈設(shè)備溫濕度發(fā)生異常，異常的溫濕度信息雖然已經(jīng)被溫濕度記錄儀所記錄，但無法上傳至中心服務(wù)器，中心服務(wù)器也就無法發(fā)出報(bào)警短信。雖然總線故障修復(fù)后，數(shù)據(jù)仍會上傳，中心服務(wù)器屆時也會發(fā)出報(bào)警短信，但已經(jīng)錯過了溫濕度發(fā)生異常的第一時間。同樣，總線上任何一個設(shè)備發(fā)生故障，必將影響總線數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致其他正常設(shè)備監(jiān)控的數(shù)據(jù)也無法上傳至中心服務(wù)器。

2 樹莓派介紹

樹莓派（英文名為：Raspberry Pi，簡寫為RPi，或者RasPi/RPi）是一款只有一張信用卡大小，搭載ARM架構(gòu)處理器的單板計(jì)算機(jī)。樹莓派作為一款極其廉價的單板計(jì)算機(jī)不僅具有USB接口、快速以太網(wǎng)接口、SD卡擴(kuò)展接口及HDMI高清視頻輸出接口這類常規(guī)接口，還具有一個26Pin的插座，該插座集合了GPIO，I2C，SPI接口。通過該插座可以連接光線、溫度、濕度、灰塵等等各類傳感器。

樹莓派可以搭載Linux操作系統(tǒng)，使用C語言或者python語言編寫簡單的程序代碼，可輕松連接各類支持GPIO或者I2C接口的溫濕度傳感器，將獲取溫濕度數(shù)據(jù)存儲于標(biāo)準(zhǔn)格式的文本文件，也可以支持江溫濕度數(shù)據(jù)存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫中。

3 樹莓派應(yīng)用探討

3.1 突破外接設(shè)備數(shù)量、品牌限制

一個標(biāo)準(zhǔn)的樹莓派具有8個GPIO外部接口，1個I2C總線接口。連接到I2C總線的電子器件之間通過串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時鐘（SCL）線傳遞信息。因此，支持I2C接口的任何品牌溫濕度傳感器，只要設(shè)備地址不同即可同時接入。對于部分設(shè)備地址相同的溫濕度傳感器，則可以在單個樹莓派上級聯(lián)IO拓展板，實(shí)現(xiàn)相同設(shè)備地址的多個溫濕度傳感器同時在線。因此單個樹莓派足以替代溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀，通過I2C總線直接連接溫濕度傳感器，且支持同時連接的溫濕度傳感器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀。

3.2 拋棄RS-485總線，改用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)

樹莓派具有標(biāo)準(zhǔn)的RJ45以太網(wǎng)接口，可以通過冷鏈設(shè)備間墻面有線網(wǎng)絡(luò)端口輕松接入內(nèi)部局域網(wǎng)向中心服務(wù)器傳送各冷鏈設(shè)備的溫濕度數(shù)據(jù)。即使冷鏈設(shè)備間沒有預(yù)留有線網(wǎng)絡(luò)端口，也可以通過外接USB接口的無線網(wǎng)卡，通過無線熱點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，這就減少了RS-485總線布線的工程量，在簡化布線工程量的同時最大程度地減少了對外立面美觀性的破壞。采用了以太網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu)也避免了總線型結(jié)構(gòu)時常發(fā)生的單一設(shè)備故障導(dǎo)致其他設(shè)備無法數(shù)據(jù)上傳的問題發(fā)生。

3.3 完善報(bào)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多重報(bào)警防護(hù)體系

通過將單一中心服務(wù)器集中發(fā)送報(bào)警短信的模式改為各冷鏈設(shè)備間安裝的樹莓派直接發(fā)送報(bào)警的模式，可以使各設(shè)備間安裝的樹莓派按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，實(shí)時判斷從溫濕度傳感器獲取溫濕度信息，及時發(fā)送報(bào)警短信。采用短信服務(wù)商提供的WebService接口的方式可以使各樹莓派獨(dú)自發(fā)送報(bào)警短信，并且相互之間無不干擾。同時通過樹莓派自帶的GPIO接口可以連接聲光報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)在冷鏈設(shè)備間現(xiàn)場提供聲光報(bào)警提醒值班人員。

樹莓派豐富的外部接口不僅能連接溫濕度傳感器、聲光報(bào)警器等設(shè)備，也可以連接各種攝像頭，甚至機(jī)械臂等外部設(shè)備，提升安保監(jiān)控等級，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作等各種功能。因此，在非極端的環(huán)境下，將樹莓派應(yīng)用于冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)之中，不僅在大幅度降低冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)費(fèi)的同時，可以提供更完善的監(jiān)控機(jī)制和更加智能的控制功能。

主要參考文獻(xiàn)

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