溫濕度實時記錄儀及智能監控平臺

楊平 劉在英 張麗曉

摘要：論文實現了一個基于蜂窩網路的溫濕度實時記錄儀，硬件采用芯片級設計方案，在信號、功耗、續航、定位及穩定性等方面較同類產品有了很大的提升。智能監控平臺包括6個子系統：GIS地理信息系統、用戶管理系統、設備管理系統、數據處理系統、數據分析系統和實時報警系統，對冷鏈物流的全過程中的溫濕度、位置等信息進行實時監控與管理。該設備已經投入市場，收到用戶的一致好評。

關鍵詞：冷鏈物流;溫度控制;智能監控

中圖分類號：TP277.2

文獻標志碼：A

IntelligentMonitoringSystemforRealtime

RecorderofTemperatureandHumidity

YANGPing，LIUZaiying，ZHANGLixiao

（

SchoolofInformationScienceandTechnology，ShanghaiSandaUniversity，Shanghai201209，China

）

Abstract：Thepaperrealizesarealtimerecorderfortemperatureandhumiditypositioningbasedoncellularnetwork.Thehardwaredesignadoptschipleveldesignscheme，whichhasgreatlyimprovedtheperformanceofsignal，powerconsumption，batterylife，positioningandstability.Theintelligentmonitoringplatformhassixsubsystems：GISgeographicinformationsubsystem，usermanagementsubsystem，equipmentmanagementsubsystem，dataprocessingsubsystem，dataanalysissubsystemandrealtimealarmsubsystemtomonitorandmanagethetemperatureandhumidityofcoldchainlogisticsinrealtime.Theequipmenthasbeenputintothemarketandreceivedfavorablecommentsfromusers.

Keywords：coldchainlogistics;temperaturecontrol;intelligentmonitoring

0引言

隨著國民經濟的飛速發展和人民生活水平的日益提高，人們對于食品和藥品的安全也越來越重視。2019年6月29日通過《中華人民共和國疫苗管理法》中第三十七條“疾病預防控制機構、接種單位、疫苗上市許可持有人、疫苗配送單位應當遵守疫苗儲存、運輸管理規范，保證疫苗質量。疫苗在儲存、運輸全過程中應當處于規定的溫度環境，冷鏈儲存、運輸應當符合要求，并定時監測、記錄溫度。”[1]。冷鏈物流中，對物品存儲時間、溫度、濕度以及運輸時間等參數都需要進行實時監測。傳統人工采集和書面記錄方法已經不能滿足要求。從生產到銷售環節采用全過程低溫控制的冷鏈物流技術應運而生。冷鏈物流實時監控系統，實現了食品和藥品運輸過程的規范化、可控化、可視化[2]。

目前，冷鏈溫度的監測多為射頻識別技術（RFID）和安全數碼卡（SD）溫度記錄系統，使用RFID的局限性有：（1）RFID需要配備專門的讀取設備，不便于在移動物流過程中使用;（2）作用距離短（一般最長為幾十米）;（3）數據的安全隱私保護不足[3]。所以，本文方案采用移動式蜂窩網絡以及云平臺數據處理技術，實時對冷鏈物流的全過程監控，實現了冷鏈物流過程中貨物的地理位置信息和環境溫濕度的實時采集、數據遠程傳輸，監控中心的數據接收、存儲、查詢，地圖顯示及實時報警通知，對運輸過程實時遠程監控，保障了冷鏈運輸過程中物品的質量安全。

1系統總體設計

本系統包括硬件和軟件兩部分，硬件主要為無線溫濕度實時記錄儀，軟件為智能監控云平臺。通過記錄儀設備進行實時數據采集，將采集到的貨物或環境溫濕度、位置等數據通過移動蜂窩網絡傳輸到互聯網云平臺，在云平臺上對數據進行記錄、分析、報警和存儲等，從而實現對冷鏈物流全鏈條的實時監控[4]。智能監控平臺體系結構，如圖1所示。

實現云平臺的服務器有：網關服務器、數據庫服務器（MySQL/Mongo/Redis）、WEB/WAP服務器、日志服務器、災備服務器等。

2硬件設計

2.1終端設備的功能

硬件的設計分五個模塊：溫度顯示模塊、數據采集模塊、

本地報警模塊、網絡通訊模塊以及電源管理模塊。設備的外觀設計，如圖2所示。

設備的大液晶屏，用來實時顯示冷鏈設備內部的溫濕度。數據采集模塊，采用數字式溫濕度傳感芯片實時采集記錄數據，本地報警模塊，根據采集到的數據，實時監測貨物的溫濕度狀況，一旦出現異常值，本地報警模塊將自動觸發聲光報警，提醒人員盡快采取措施，同時將數據通過網絡通訊模塊上傳到云平臺。報警的機制可以根據客戶要求設置。網絡通訊模塊，是整個產品的通訊和數據傳輸的樞紐，設備的溫濕度、位置等數據采用私有協議，通過通訊模塊實時傳輸到云平臺，在云端進行進一步分析處理，并實時根據需要觸發平臺報警，從而實現冷鏈溫濕度的立體化實時監控。電源管理模塊則控制設備供電系統，盡可能為設備提供穩定持久的電力，并將低電、斷電、充電等特殊狀態實時上報云平臺，以便管理人員及時采取相應措施。

2.2芯片級設計方案

大多傳統物聯網產品的數據傳輸部分均采用單個無線通信模塊的設計方案，如圖3所示。

雖然設計簡單，但帶來的問題是：功耗大，信號一般，一致性差，抗電磁干擾性差。綜合多方面性能考慮，我們采用芯片級設計方案，如圖4所示。

與模塊級設計方案比較，芯片級設計方案的優勢有：

（1）信號更穩定：射頻芯片到天線之間的射頻信號通路轉接較少，信號損失也較小;

（2）體積更小，使用更方便：芯片級設計方案厚度更薄，設備可以做的更小巧。在更小的空間內做更優性能的產品;

（3）一致性好：無線溫度計批量生產射頻沒有校準，但是模塊與主板之間的連接，以及主板與天線連接方式的離散特性，導致整機的射頻性能無法保證;

（4）功耗更優：通信單元的功耗，占總功耗的90%，如果使用模塊設計方案，設計者無法從系統上對通信單元的功耗進行優化設計;

（5）數據更穩定：采用模塊設計時射頻信號與數字信號之間的電磁兼容設計考慮不足，導致通信單元工作時射頻信號干擾溫度數據采集單元的正常工作。

2.3測試結果

采用芯片級設計方案，在信號、功耗、續航、定位、穩定性方面性能有了很大的提升。

（1）信號

信號強度和接收靈敏度高于行業同類產品4個dB左右，等效于與基站的通信距離比采用模塊設計方案遠60%，有效工作范圍較同類產品增大150%。

（2）功耗

在-80dBm～-90dBm的接收信號強度條件下，實測24小時的平均工作電流，行業同類產品普遍6毫安以上（甚至還有15毫安以上的產品），本方案采用芯片級設計，平均工作電流僅為3毫安以內。

（3）續航

通過對通訊單元芯片電路、固件驅動自主設計和優化，達到設備整體功耗最低的狀態。測試采用內置3500mAH的電池，以每15分鐘上報一次數據，平均工作時間達到50天以上。

（4）定位

考慮到實際運輸過程中，車廂、貨物包裝內部是無法接收GPS信號的，本方案采用LBS定位方案。良好的接收靈敏度使本產品的定位盲區比行業同類產品減少60%左右。

（5）穩定性

在同樣弱信號的情況下，測試采用模塊化設計方案和采用芯片級設計方案的數據傳輸情況，如表1、表2所示。

測試結果表明采用芯片級設計方案傳輸數據，實時上報數據零丟失，性能更穩定。本方案在設計時，考慮了電磁兼容性設計和軟件模擬仿真，有效規避了電磁干擾，保證系統各單元互不干擾，產品擁有更好的電磁兼容性，數據采集、傳輸也更穩定。

3軟件設計

智能監控平臺包括6個子系統，分別為：GIS地理信息系統、用戶管理系統、設備管理系統、數據處理系統、實時報警系統、數據分析系統。云平臺的功能結構，如圖5所示。

3.1GIS地理信息系統

考慮到運輸行業的位置不確定性，平臺的GIS系統支持全球范圍的數據信息。采用了獨創的多種地圖資源混合使

用的方式，既可以在國內使用，也可以支持海外的地圖信息。自主研發的AI定位輔助功能，可自動糾偏，自主學習，提升定位的精度和速度。2019年6月設備在全球使用情況如圖6所示。

3.2用戶管理系統

平臺支持有多級用戶管理策略，分管理員、用戶、子管理員、子用戶多層級多種角色，根據用戶的層級擁有不同的使用權限，管理員可以添加、刪除子管理員和直屬用戶，并且給子管理員或直屬用戶分配、收回設備的使用及查看權限。子管理員可以建立直屬的子用戶，并對其權限進行調整分配。

3.3設備管理系統

使用者可以通過云平臺的設備管理系統，對于設備進行：添加、刪除、分配、回收等權限操作，也可以通過平臺對設備進行遠程參數設置，例如設置數據上報時間，數據采集時間，報警閾值，報警通知人，運輸輔助信息，位置通知設定等。

記錄間隔時間指的是設備每隔多少時間采集并記錄一次數據，存儲在設備本地。1分鐘～60分鐘可設置，根據設備類型不同而定，實際極限可以1秒采集一次。上報間隔時間指的是設備每隔多少時間，將本地數據同步到云服務器一次，并采集一次位置信息。此時間對設備續航時間有決定性影響，10～120分鐘可選，實際極限可達到1分鐘上報一次。

3.4數據處理系統

數據處理系統負責監控數據（溫度、濕度、震動、光線、氣壓等）的采集、解包、分析、存儲，設備狀態（時間、電量、位置等）獲取，以及設備數據的下發。

數據采用多節點分布式全備份方式存儲，保障了數據的穩定和安全。

3.5數據分析系統

在數據分析系統中，當記錄結束后，將自動生成PDF報表，設備端、平臺端都可以查看;也可以在平臺上查看更詳盡的數據分析;并可根據時間、用戶、設備等進行統計匯總，生成相關報告，便于后續的問題分析、追溯。

3.6實時報警系統

當設備端的監控數據超限時，將打破上傳間隔時間的規律，直接上報平臺。平臺收到數據后，將根據用戶預設的信息，通過短信、手機APP、電子郵件等方式通知相關人員及時處理。

位置通知功能，當設備抵達預設地點一定范圍內時，平臺可以通知設備或者相關人員，準備下一步工作。例如：抵達機場附近，通知設備進入飛行模式;或者抵達目的地，通知相關人員準備驗貨等。

3.7平臺實現

根據數據類型不同，采用了不同的數據庫存儲方式，有MySQL、Mongo和Redis數據庫，有效地提升了數據庫的操作效率。

平臺的Web前端采用Node.js進行設計開發;Web后端采用Java編寫，實現與后臺進行數據交互，為Web前端提供展示數據等功能;后臺管理采用Java開發，完成Gateway和CoreCenter模塊，實現對設備中數據的采集、解析，對數據庫增、刪、改、查等操作。

4總結

該實時記錄儀及智能監控云平臺適合冷鏈物流過程中各種場景使用：內投、外顯、倉儲、車載、空運、海運等;可以監測多種數據：溫度、濕度、氣壓、光線、震動、位置、軌跡、時間、電量等;還可以監測多溫度段：常溫、冷藏（2～8°C）、冷凍（-20°C）、干冰（-78.5°C）、液氮（-196°C）。

該產品數據傳輸穩定性好;結實耐用，安裝方便;信號強、接收靈敏度高;功耗低續航時間更長;產品無線性能穩定;設備、云平臺監控都能夠覆蓋全球物流運輸范圍。

監控平臺實現了對冷鏈物流過程的全程實時監控，能完全避免人為因素的違規操作，有效地降低了貨損。并且本系統可以與客戶的ERP系統對接，可自動化設置監控參數、運單信息等數據，提升了工作效率和保障了數據的正確性。該設備已經投入市場，收到各行用戶的一致好評。

參考文獻

[1]

王鈾.第三方疫苗冷鏈物流溫度檢測物聯網平臺設計[J].物聯網事，2016，8（4）：5558.

[2]繆彩兵，馬萬太.基于GPS/GPRS/GIS的冷鏈物流車載監控系統[J].機械制造與自動化，2016，45（6）：184186.

[3]阮偉卿.基于RFID生鮮農產品冷鏈供應鏈系統的構建[J].設計應用，2016（7）：5960.

[4]張秀萍，易金聰.基于GPS的冷鏈物流監控終端的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2018，35（4）：182186.

（收稿日期：2019.08.20）