基于物聯網技術的冷鏈信息追蹤與報警裝置研究

徐中干

【摘 要】文章基于物聯網技術、數據檢測技術和制冷設備技術，設計了一套冷鏈物流信息追蹤與報警裝置。裝置通過ZigBee和GPRS模塊進行數據采集，通過云端大數據進行統計和分析。裝置不僅可以實現冷鏈所涉及貨物在庫在途溫度、濕度等信息的全程實時監控及貨物定位，同時提供了重要信息的多通道報警功能。文章設計的裝置對于解決冷鏈系統控制存在的不足和提高冷鏈系統信息的透明度和可控性具有重要的現實意義。

【關鍵詞】物聯網;冷鏈物流;ZigBee;報警裝置

【中圖分類號】TN915.5-34 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0044-03

0 引言

冷鏈物流泛指冷藏冷凍類物品在生產、貯藏、運輸到消費前的各個環節中始終處于規定的低溫環境下，以保證質量、減少損耗及變質的一項系統工程。近年來，隨著冷鏈物流市場快速地擴大，隨之產生了不少問題。國內許多大型商貿公司雖然設有冷鏈物流部，但都沒有統一的管理標準，在軟件與硬件設施上存在一些嚴重的問題[1]。據不完全統計，農產品、海產品、奶制品損失率大約占到2.5%，主要原因是過程溫度監控不到位。藥品行業的貨物運輸也是冷鏈的一個大客戶群體。在之前查處的藥品質量變質案件中，大約有30%的案件是因冷藏冷凍藥品在運輸與存儲等方面未達到冷鏈規范要求，導致藥品嚴重變質等，造成不必要的醫療事故[2]。

冷鏈的監控主要涉及在庫與在途溫度、濕度監控兩個方面。在冷庫中只要配備了自動控制系統，通常就能實現在冷藏冷凍庫的溫度與濕度的實時自動監控，但對于在途運輸中溫度、濕度的監控，由于技術上存在一定的困難，只能在貨物到達目的地驗收時才能發現問題并進行處理。在庫和在途溫度、濕度監控系統的應用，可以規范冷鏈產品的出入庫，使運輸操作標準流程化，防止人為原因導致的冷鏈貨品過長時間暴露在不符合要求的溫度、濕度環境中造成不可估量的損失[3]。

本文針對現有冷鏈信息采集的不足和時常出現的“斷鏈”現象，利用物聯網技術設計一種冷鏈信息追蹤及報警系統，可以實現冷鏈所涉及貨物的在庫和在途信息的全程實時監控，同時能對冷鏈中偏離設定值的信息和安全信息實施多通道報警功能，從而大幅提高冷鏈系統信息的透明度和可控性，具有廣闊的應用價值。

1 系統總體設計方案

1.1 系統總體架構

系統的總體架構分為3層，如圖1所示。

第一層：現場數據采集層。主要實現在途和在庫監控中的信息數據采集，包括溫度采集、濕度采集、壓力采集等。該層主要基于ZigBee構建的無線網絡，把各種傳感器采集到的技術數據統一匯總至主控ARM芯片，然后通過GPRS無線傳輸匯報給云端的服務器。

第二層：云服務層。主要對采集到的數據進行過濾、去除噪音，然后入庫、提取和分析等。結合各種設定的規則，對需要監控的冷鏈信息出現技術數據偏移時進行告警，然后通過各種手段，包括短信、郵件、電話等，通知相應的管理負責人。這一層主要是構建一個信息分析、存儲和告警的系統。

第三層：用戶訪問層。主要提供了對實時監控數據的展示、歷史告警信息及用戶自定義的規則設置，用戶通過手機App或者PC端的瀏覽器，通過一定的登錄校驗，就可以進入系統當中進行相應的數據查看、操作和規則上傳、下載等。

1.2 數據采集通信協議

當前，比較常見的無線網絡協議有802.11b、ZigBee與藍牙等[4]，這幾種通信協議的通信范圍與數據速率等的主要特點見表1。

冷鏈相關信息的追蹤與監測具有低速率、小范圍、無線傳輸等特點。本文采用ZigBee協議實現冷鏈現場參數的實時采集與監控。

1.3 數據上報和告警通信協議

目前，手機App軟件與PC瀏覽器等的數據傳輸方式最常用的是HTTP協議，以及在該協議基礎上的一種更為安全的HTTPS協議。本系統中的現場實時數據傳輸到云端，系統提供的用戶訪問服務都基于HTTPS協議。

2 數據采集部分設計

2.1 ZigBee數據采集

2.1.1 傳感器數據采集

傳感器監測節點主要是實時采集在途或在庫的冷鏈信息，包括溫度、壓力、濕度等方面的技術數據[5]。因此，ARM芯片、ZigBee模塊、傳感器和電源是構成監測節點的必要構成部分。由傳感器采集到的技術數據快速地輸入到ZigBee網絡，然后發送技術數據至主控節點，根據時鐘信號，設定睡眠與定時喚醒功能。傳感器技術數據采集流程圖如圖2所示。

2.1.2 協調器處理流程

網絡協調器的主要作用為建立與維護ZigBee網絡，快速轉發主控節點下發的網絡配置命令，并向主控節點傳遞冷鏈各個環節監測的各種實時技術數據信息[6]。因此，網絡協調器需要由微處理器、上位機的通信接口、ZigBee射頻模塊與電源模塊構成。

協調器初始化時，重置網絡協議棧，然后接收由傳感器檢測的各項技術數據，以及時轉送至網絡并分配節點，準確無誤地接收技術數據進行通信。協調器處理流程圖如圖3所示。

2.2 主控節點的設計

主控節點的最主要功能是接收來自采集節點的溫度、濕度、氣體壓力等數據，并將這些數據通過GPRS傳給云端的監控中心[7]，其硬件設計主要包括處理器及其外圍接口電路如GPRS通信、ZigBee通信等。主控節點中的ZigBee模塊與處理器STM32F107之間采用串口方式進行通信。主控節點硬件組成方框圖如圖4所示。

2.2.1 GPRS模塊的設計

選用SIM800 GPRS模塊，其是一種四頻GSM/GPRS模塊，SMT封裝，其性能穩定，性價比較高，可以滿足客戶的多種需求。該模塊的主要特點及性能見表2。

2.2.2 GPS模塊的設計

該系統是采用飛凌嵌入式技術有限公司的VK1613 GPS集成模塊用以運輸定位識別，此模塊是一個完整的衛星定位接收設備，具有全方位功能，可以滿足專業定位的較高要求;并且體積小、功耗低，可以適應用戶的各種需要。該產品采用了新一代SIRFIII功耗低芯片，靈敏度超高，在城鄉結合、山高低洼等信號較弱的公路小道上，都能實現準確、快速的定位功能;可以廣泛應用于多種GPS終端產品的開發。該模塊的主要特點和性能見表3。

3 云端系統總體設計

云服務器總體架構設計如圖5所示。云端系統總體上采用B/S的架構，對采集到的技術數據進行存儲、分析與告警等。系統處理分為4個部分：數據分析、數據存儲、動態展示及即時告警，構建了一個完善的控制體系。

（1）數據分析。包括設備管理、組織管理、權限管理等。設備管理是對各個在途和在庫的無線采集設備進行統一的登記管理、版本控制和開關機及啟停等操作。用戶管理、組織管理和權限管理主要是把告警和監控的數據授權給不同的組織和用戶訪問，滿足不同組織和用戶的個性化需求。規則引擎主要提供各種告警的引擎規則配置，便于在不同的環境、設備條件下，全方位地追蹤和監控告警信息。

（2）數據存儲。提供各種不同數據的存儲，包括關系型數據庫MySQL，實時圖片的攝取、上傳后保存到云服務器便于后期追溯和觀察分析，還有諸多日志信息可以存儲到NoSQL的數據庫。

（3）動態展示。提供Dashboard的大屏實時監控，分區域和各種場景監控等，為了滿足各個不同地區用戶訪問的性能要求，需要提供CDN、負載均衡等手段，同時為了保障線上的應用安全和數據安全，需構建相應的防火墻與入侵檢測等設備進行防護保障。

（4）即時告警。提供了多樣化的告警手段，包括短信、郵件、電話及IM的實時通知，例如連接釘釘的告警API，目的是為了讓告警信息盡可能快速、全面地通知到相關的管理負責人。

4 結語

在冷鏈物流中引入了物聯網技術，使冷鏈在運輸與保存過程中得到穩定的監控并加以合理處理，使冷鏈物流的品質得到有效的保障。基于物聯網技術、檢測技術與制冷技術研究的基礎上，自主設計了一套冷鏈信息追蹤與報警裝置，主要包括基于ZigBee和GPRS的數據采集設備和進行數據分析及告警的云端服務器。項目的主要創新點為控制集成模塊化、不間斷的實時監控、設備運行導致貨物損壞危險報警及定位、數據傳輸多樣化及安全、節能、環保等。

參 考 文 獻

[1]蔡依平，李映煉.物聯網在新鮮食品冷鏈物流中的應用[J].上海電力學院學報，2015（11）：55-59.

[2]白璐.農產品冷鏈物流中物聯網應用體系的構建[J].現代經濟信息，2018（4）：336.

[3]吳冬燕，石瑞華.基于物聯網的食品冷鏈安全監控系統研究[J].食品工業，2016（9）：174-176.

[4]劉亮.基于ZigBee和GPRS的冷鏈監測系統的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005.

[5]趙鵬.基于ZigBee技術的冷鏈無線監測系統的研制[D].北京：中國人民解放軍軍事醫學科學院，2009.

[6]孫卓.基于WSN和ZigBee的水質監測系統設計[J].電子設計工程，2017（24）：96-100.

[7]齊林，韓玉冰，張小栓，等.基于WSN的水產品冷鏈物流實時監測系統[J].農業機械學報，2012（8）：134-140.

[責任編輯：鐘聲賢]