高原農牧產品收購數據采集系統的設計

鄒朋君 劉韜

摘? 要：高原農牧產品收購數據采集系統能在高原地區發揮較大的商業用途。以川西高原為例，移動通信網絡只覆蓋村莊及主要交通道路。在高原企業向牧民收購農牧產品時，本系統利用車輛移動解決了部分地區無移動通信網絡所造成的數據無法傳輸問題。運輸車輛返回工廠前，數據已經上傳至云端，企業可查看到運輸車輛的收購信息，做好進廠驗收準備和產量預估等工作。本系統在偏遠高原地區極具應用價值，必將能提升高原企業的信息化程度。

關鍵詞：高原農牧產品收購;收購數據采集系統;非即時車載傳輸

中圖分類號：TP274.2? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

川西高原指四川省西部與青海、西藏交界的高海拔地區，平均海拔4000米以上，總面積約23.6萬平方公里。該地區草地物種豐富、氣候寒冷，畜牧業成為了當地居民的主要經濟來源。四川阿壩州紅原縣是川西高原4個典型發展畜牧業的縣之一，當地天然草場面積達1158.03萬畝，牦牛存欄63萬余頭。近年來紅原奶粉廠不斷發展壯大，現年產量超過10萬噸，但是企業在鮮奶都收購環節信息化程度較低，制約了企業的發展。

本次研究以紅原奶粉廠鮮奶收購為背景。研究目的是解決紅原奶粉廠鮮奶收購過程中，由于川西高原移動通信網絡覆蓋不全面，導致部分區域收購鮮奶時數據無法傳輸的痛點。研究過程中嘗試過利用車載無線電臺或北斗衛星短報文功能來解決這一問題，利用無線電進行傳輸開發難度大不易實現，北斗衛星短報文傳輸長期使用費用高昂，因此最終設計了高原農牧產品收購數據采集系統。

本系統利用收購運輸車輛收購過程中一直在運動的特點，在無移動通信網絡區域將收購數據臨時保存在車載終端，當運輸車輛運行到有移動通信網絡區域將自動發送數據。本系統可以在運輸車輛回到企業之前就將收購數據先行傳回，企業可以提前做好進廠驗收的準備。從長期來看，本系統實現了數據的自動化處理，為未來企業產品向溯源方向發展也奠定了基礎。

1 整體方案設計

高原農牧產品收購數據采集系統的總體架構分為三層，即數據采集層、傳輸層和網絡層，如圖1所示。

數據采集層需實現收購信息的錄入。工作人員將手持終端連接上車載終端發射的WiFi信號后，打開收購專用APP進行收購信息的錄入。以紅原奶粉廠為例，收購信息包括牧民信息、收購鮮奶重量、初檢是否通過、收購工作人員工號，以及運輸車輛編號。牧民信息的錄入，可以在奶粉廠統一配發的收奶桶上粘貼身份信息二維碼，收購時APP掃描二維碼識別錄入;亦或者收購現場讀取牧民的身份證，身份證閱讀器可通過藍牙無線連接手持終端，也可通過數據線連接手持終端。其他收購信息手動輸入即可。由于紅原奶粉廠收購價格透明且長期穩定，因此收購信息傳到云端后，牧民應得收益會再根據每千克收購價格乘以收購重量在云端計算，減少傳輸不必要的數據，提升傳輸速度并降低成本。

數據采集層還需實現運輸農牧產品途中儲存環境溫度數據的獲取，工作原理是通過溫度傳感器定時監測運輸車輛儲存區域溫度數據傳輸給車載終端。溫度傳感器的選型需考慮高原寒冷氣候，紅原縣歷史最高溫度為28℃，歷史最低溫度為-30℃，因此傳感器工作溫度和測量范圍均需大于-30℃至28℃這個溫度區間。此外，溫度傳感器的選型還需考慮運輸物品、企業運輸需求、靈敏度、誤差范圍、部署位置及數量。

傳輸層主控部分為車載終端。數據輸入有兩個部分，其一為感知層溫度傳感器的定時監測，監測結果保存到車載終端;其二為車載終端發射WiFi信號，建立與收購工作人員手持終端的連接，人機交互錄入收購數據。車載終端除了收集和保存數據外，還需要對數據進行切分打包處理，具體內容將在本文下一節詳細介紹。

網絡層是本次研究的關鍵。川西高原尚未全面覆蓋移動通信網絡，因此企業在部分無移動信號地區收購時只能由工作人員手寫記錄統計，導致企業工作效率低、信息化程度低，并且錯誤率無法降低。研究過程中發現，企業收購時數據的傳輸量小、企業對數據實時性需求并非很高，因此本系統利用運輸車輛的位置變化，連接移動通信網絡傳輸可解決無移動通信網絡區域數據傳輸問題。

運輸車輛在每個站點收購時，只是部分站點沒有移動通信信號的覆蓋。因此，運輸車輛停在無信號的站點收購時，數據會保存在車載終端中;當運輸車運行到有信號的站點，或運輸途中有信號時，由于數據量不大，可將數據快速發送至云端。由于移動通信網絡是利用電磁波進行遠距離無線通信，電磁波傳輸速度非常快，甚至被運用到了地震預警中，因此運輸車回到企業之前數據可全部傳輸完畢。收購運輸車回到企業后，企業將車輛車牌號與云端數據進行匹配，就可以進行入廠檢驗等工作，整個過程綠色無紙化，并且避免了人工統計時計算錯誤等問題。

2 系統車載終端

2.1 車載終端的結構

車載終端是系統中非常重要的部分，作為傳輸層的主控部分部署在收購運輸車上，隨車輛移動而移動。車載終端分為四個模塊，分別是無線通信模塊、數據處理模塊、數據采集模塊和人機交互模塊。車載終端的結構如圖2所示：

無線通信模塊可分為兩個部分。向外傳輸數據部分，用于建立車載終端與移動通信網絡之間的連接，向云端傳輸數據。該部分采用雙模通信的方式，支持GPRS/GSM和TD-SCDMA，GPRS/GSM為第二代通訊技術（2G），支持中國移動和中國聯通兩家運營商;TD-SCDMA為第三代通訊技術（3G），是中國移動自主研發的3G網絡。由于傳輸的數據量不大，2G與3G雙模通訊的方式足以在川西高原地區完成數據傳輸任務。之所以不使用4G進行通信，是因為首先4G費用稍貴，設計系統時需考慮企業長期使用的成本問題;其次3G發展比較早，信號穩定且覆蓋范圍廣。

無線通信模塊的WiFi部分用于人機交互，通過發射WiFi信號連接收購工作人員的手持終端進行收購數據的錄入。無線通信技術中常用WiFi、ZigBee和藍牙三種，從傳輸距離上比較，是WiFi>藍牙>ZigBee，WiFi的傳輸距離在100-300米，意味著運輸車輛停靠稍遠時，不影響農牧產品收購工作的進行;從傳輸速度上比較，是WiFi>藍牙>ZigBee，WiFi傳輸速度能達到300Mbps，藍牙傳輸速度為1Mbps，因此WiFi在傳輸速度上有很大的優勢，雖然傳輸數據量不大，但縮短傳輸時間能提升工作人員的操作體驗;由于WiFi傳輸距離遠且傳輸速度快，因此WiFi的功耗也是三者中最大的，但該模塊安裝在運輸車輛上，由汽車蓄電池進行供電，WiFi稍高的功耗在本系統中影響不大。

數據處理模塊即車載終端主控模塊，可使用樹莓派（Raspberry Pi）或工控機，內置Windows 10操作系統對數據進行處理。首先數據處理模塊需要接收來自溫度傳感器和手持終端的數據，每條數據記錄時會有與之對應的時間戳。數據處理模塊接收到數據后，需要對數據進分類和打包處理，分類即溫度數據和收購數據是兩個文件不做合并，只在傳輸時將兩個文件打包傳輸;打包則是根據時間戳將記錄的數據切分為多段數據，再將兩個文件的同一時間段數據進行打包傳輸。最后數據處理模塊控制無線通信模塊，嘗試連接移動通信網絡，若連接成功則將打包數據發送出去，若連接不成功則在后續運輸途中，記錄數據的同時不斷嘗試發送數據。

數據傳感器模塊目前只設置了溫度傳感器，用于監控運輸途中貨物的儲存環境溫度，實際應用可根據企業所需額外增加傳感器設備。由于采用WiFi連接手持終端，因此人機交互模塊可使用智能手機、平板電腦、筆記本電腦等支持WiFi連接的設備。

2.2 數據傳輸流程

本系統的數據傳輸流程由車載終端的數據處理模塊控制，數據具體傳輸流程如圖3所示：

運輸車輛啟動后，車載終端通電啟動并復位初始化。運輸車輛駛離企業直至收購結束返回企業，溫度傳感器在整個過程中都會定時讀取運輸車貨物儲存區域的溫度數據，并將讀取時間和數據一條一條保存在車載終端。收購時手持終端錄入得數據不會與溫度監測數據合并在一起，分為兩個文件進行保存。

在連接移動通信網絡發送數據之前，本系統增加了一個本地數據存儲情況的判斷，即無法發送數據時，判斷本地數據存儲空間是否占用超過90%。數據存儲空間若已經使用了90%及以上則暫停收購工作，剩余的10%數據存儲空間用于運輸車輛返回企業途中溫度監控數據的保存;反之則可以繼續收購工作。雖然紅原縣不會存在多區域無移動通信網絡的狀況，但企業如若在實際使用中出現了極端情況，該措施可避免給企業造成數據缺失所帶來的麻煩。

此外，整個傳輸過程中如何切分數據打包發送是關鍵點。本系統設定收購工作人員在每個站點收購完成后點擊提交的時間，作為切分時間點。假設，收購路線為從企業出發，依次途經A、B、C三個收購站點，再返回企業。運輸車輛在A點收購完成后，數據切分時間段為運輸車輛從企業出發到A點收購收購完成，該時間段的兩個文件進入打包待發送狀態，車載終端繼續記錄后續數據。若A點沒有移動通信網絡，在運輸車輛前往B點途中則會不斷嘗試連接網絡，直至完成數據的傳輸。

當運輸車輛在B點完成收購，數據切分時間段為從上一次數據切分時間點到B點收購完成，即A到B路程和在B點收購停留時間段內的溫度監控數據，以及在B點的收購數據。這是系統的第二次數據打包，在C收購完成的第三次數據打包同理。最后，運輸車輛在C點收購完成后返回企業，到達企業后收購工作人員點擊收購完成，由于返程途中沒有了收購信息，只會向云端傳輸返程的溫度監控數據。

3 結論

本系統的研究針對高原地區農牧產品收購工作中，數據無法實時傳輸這一痛點所展開，利用運輸車輛移動這一特點設計了非即時傳輸的高原農牧產品收購數據采集系統，不僅解決了收購工作中數據無法傳輸的問題，還提升了高原企業的信息化程度。未來還將對本系統進一步研究和調試，使其能夠落地到企業的實際生產中。

參考文獻

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收稿日期：2019-11-16

*基金項目：西南民族大學研究生創新型科研基金項目“無信號高原地區數據傳輸可行性研究”（CX2019SP131）。

作者簡介：鄒朋君（1995—），男，云南紅河人，碩士研究生，研究方向：物聯網。郵箱：zou2018@vip.qq.com。

通訊作者：劉韜（1978—），男，四川達州人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：無線傳感器網絡。郵箱：21700053@swun.cn。