基于物聯網的冷藏庫監控系統*

文亦驍 萬勇

四川省農業機械研究設計院，四川成都

1 物聯網冷藏庫系統構架

1.1 物聯網的概念

物聯網是通信網和互聯網的網絡延伸。它利用傳感器與智能設備對物體信息進行感知，并通過專用傳輸網絡實現數據互通，從而達到對物理世界的精確感知與科學管理，最終實現信息采集的自動化，對目標的智能化識別、定位、追蹤以及監控管理等。

1.2 物聯網冷藏庫監控系統構架

物聯網冷藏庫監控系統主要由冷藏庫PLC控制系統、物聯網監控終端以及手機APP三個層次構建而成。基于物聯網的冷藏庫遠程智能化監控系統是通過傳感器、無線通訊、信息融合與處理等關鍵技術，采集冷藏庫溫濕度參數，通過物聯網控制終端，實現遠程監控。該系統主要由感知層、網絡層、應用層組成。

感知層是冷藏庫物聯網的底層，也是基礎層。主要用來獲取冷藏庫的實時環境監測數據。感知層是由傳感器節點單元組成，它通過傳感器獲取實時數據并通過4G網絡傳送到云服務器。感知層主要采集環境溫度、濕度等重要環境參數，數據采集時間短、精度較高。感知層由單片機、溫濕度傳感器、通信模塊以及其他控制模塊構成。該系統采用modbus-rtu通信端口協議與支持modbus-rtu協議的RS485接口傳感器搭建了物聯網冷藏庫底層數據采集系統。

網絡層也叫傳輸層，處于該系統的中間層。網絡層是以ZigBee、RFID、4G、LoRa、NB-IoT無線通信技術為核心。網絡層負責傳送感知層采集的溫濕度數據到云端，再由應用層進行處理，同時又將應用層發出的命令信息送達PLC控制系統，進行環境調節。此外，數據還可通過傳輸層送至政府監管部門，方便隨時調用。

應用層位于該系統頂層，是對事件決策起重要作用的系統“神經中樞”，負責冷藏庫數據顯示、報警，感知層采集到的數據通過應用層傳遞給管理者，便于實時查看，實現了冷藏庫數據遠程監控。應用層主要是由服務器、軟件客戶端（PC監控軟件以及手機端APP）組成。管理者還可以通過手機或電腦遠程控制PLC的I/O端口，以控制壓縮機、風機以及加濕器運行狀態，實現冷藏庫遠程監管。

2 物聯網冷藏庫監控系統功能

2.1 科學管理功能

冷藏庫科學管理，即根據貯藏農產品品種、數量、貯藏天數以及用戶需求出發進行冷藏庫運行管理。而目前冷藏庫管理依靠的是人工模式，所有參數設定都是根據管理者經驗進行，貯藏品質參差不齊，難以滿足現代社會需求。

基于物聯網冷藏庫監控系統由感知層采集數據，傳輸層傳送數據再由應用層進行管控。農產品從入庫到最后出庫，全過程都處于監控貯藏狀態。不僅記錄傳感器采集到的數據，同時還要對冷藏庫中的設備運行狀態及環境數據進行實時顯示。最后，管理者根據這些數據對參數進行設置或對設備進行控制，進而完成冷藏庫科學管理。管理者不再依靠自身水平進行管理，而是依據數據進行科學管理。

2.2 智能監控功能

物聯網冷藏庫監控系統能夠監測庫內環境情況以及設備運行情況。同時，還能夠對貯藏農產品品種、數量等詳細信息進行監控、記錄。管理者可以在PC端或是移動終端實時監測冷藏庫溫濕度以及制冷設備運行情況。

管理者可以在一個用戶界面對多個冷藏庫內的數據進行實時監測，確保冷藏庫運行穩定，縮短事故發生時的反應時間。同時，可以對最近一年內冷藏庫的數據進行存儲，包括環境、運行情況、貯藏狀況等數據，供管理者或者政府監管部門進行數據分析、監管。

2.3 報警、預警、設備控制功能

冷藏庫特別是農產品冷藏庫，其貯藏物對溫度范圍有極高的要求。當溫度波動過大時，會對貯藏品質造成極大的影響。傳統的冷藏庫只有當管理人員發現溫度出現波動才能采取補救措施，這樣往往已經造成損失。基于物聯網的冷藏庫監控系統，當溫度高于事先設定的閾值時，系統會自動向管理者發送報警短信或在APP里發出報警通知，同時，在客戶端的監測畫面上對管理者發出警報。緊接著，系統會向PLC控制系統發送設備控制信號，調整制冷設備運行狀態。還可以根據數據波動結合庫內貯藏環境，對可能存在的影響因子進行預警，提前通知管理者，并進行自診斷。

3 物聯網冷藏庫的發展趨勢

物聯網在現代冷藏庫的應用，使得冷藏庫貯藏品質在智能化的促進下大大提升，貯藏產品貯藏損失問題也得到了很好的解決，可以延長產品的貯藏時間，節約人力物力，實現自動控制和自動管理，推動現代農業的發展。隨著5G通信技術以及無線傳感器網絡的發展，物聯網冷藏庫將朝著認知型、經驗型以及自適應性發展。

3.1 模糊控制系統

冷藏庫環境影響因素較多，建立精確數學模型較困難，模糊控制可以在不建立數學模型的基礎上，參考管理者運行經驗對系統進行實時控制。基于STM32的模糊控制冷庫智能控制系統是1種庫內環境綜合控制器，在自動監測冷庫內環境的同時，計算分析溫度、濕度、氣體成分間的相互影響度，最后，再結合被貯藏農產品實時品質在模糊控制系統控制下綜合多因子考慮，及時調整環境控制策略，完全擺脫了人工監測、控制的模式，克服了傳統冷庫控制方式中環境設定不準確、調整不及時的弊端，大大提高了冷庫控制系統的智能程度，從根本上改善了冷庫的控制模式。系統不僅組態簡單、設計靈活、操作方便，而且提高了被控參數的精度，保證了貯藏產品的質量。

3.2 數據融合與智能決策

農產品在貯藏過程中會發生一系列生物特性變化，例如，水分變化、重量變化、氣體成分變化等。在這些過程中產生的數據對于農產品貯藏是非常重要的。通過檢測其數據變化量，可以改變后期的冷藏方案。大量多類型傳感器的布置是收集數據的必要條件。傳感器采集到的數據再通過計算機進行匯集處理、融合，以圖表的形式呈現給管理者，能夠讓管理者對于冷藏庫貯藏的農產品情況一目了然。

智能決策是根據前期建立的系統模型庫、方法庫、知識庫、數據庫、接口以及推理機，采取神經網絡、貝葉斯網或灰色系統理論，以冷藏庫環境要求采用合適的智能方法。管理者利用智能決策模型可以得到關于冷藏庫的貯藏信息，進行環境因子分析以及對冷藏庫溫濕度等方面的專家智能決策，獲得對貯藏過程更為精細化的管理方案。

3.3 智能出入庫管理

在冷藏庫貯藏管理方面，還沒有1款自動貨架能夠適用于小型農產品冷藏庫。人工搬運仍是此類小型冷藏庫進出庫的主要方式。以后，專用的出入庫裝置能夠自動完成入庫、出庫，管理者只需在庫外操作即可。出入庫勞動強度可大幅減少，且對冷藏庫高效運營產生有力的推動作用。

4 存在的問題

近年來，隨著農業農村部農產品產地初加工項目的實施，各地冷藏庫特別是產地型小型農產品冷藏庫數量劇增。但是在實際操作過程中也發現了一些問題，例如重監視輕控制、數據缺乏記錄等。雖然有的冷藏庫安裝了物聯網設備，但是沒有成網，無法實現信息互享，造成設備浪費。政府部門也沒有享受到物聯網的紅利。

同時，物聯網關鍵技術不成熟、產業化程度低、物聯網標準規范缺失以及相關政策不到位依然是制約物聯網冷藏庫發展的因素。

5 小結

隨著物聯網技術在農業領域的不斷進步，對于農產品貯藏保鮮質量和過程的掌控及管理將越來越方便，物聯網監控系統成本低廉、使用方便，具有良好的應用前景，且后期可從多節點無線傳感器監測、模糊控制、神經網絡以及專家系統、視覺圖像處理輔助決策以及智能出入庫管理等方面進行改進和擴展，為提高農產品品質、增加經濟效益提供更好的支撐。同時，物聯網也是實現傳統農業向現代農業轉變的助推器和加速器，將為冷鏈物流行業提供無限商機。