基于NBIOT的冷鏈運輸溫濕度監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 偉

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

0 引言

2020年中國生鮮電商行業(yè)規(guī)模超4千億元，較2019年增長64.0%。其中網(wǎng)絡(luò)零售交易規(guī)模3 641.3億元，同比增長42.5%。相較于商業(yè)規(guī)模快速發(fā)展，我國冷鏈產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，規(guī)模化、系統(tǒng)化的冷鏈物流體系尚未形成，冷鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)之間仍各自為戰(zhàn)，無法實現(xiàn)信息共享，冷鏈?zhǔn)袌鋈匀淮嬖诰薮笕蔽弧?/p>

目前國內(nèi)有不少研究人員對冷鏈運輸產(chǎn)業(yè)的方案解決進行了不懈的努力探索。姜蕾等人提出了一套基于RS-485和Modbus通信協(xié)議的智能溫濕度檢測系統(tǒng)的解決方案[1]。李培江等人研究了基于iButton-Ds1923的冷鏈溫濕度檢測系統(tǒng)，通過1-wire協(xié)議與處理器通信,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強[2]。潘凌凌等人采用RFID技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實現(xiàn)了醫(yī)用血液的冷鏈運輸和存儲運行狀況監(jiān)控[3]。賈進科等人對冷鏈運輸檢測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點進行設(shè)計，采用低功耗單片機對采集的數(shù)據(jù)進行處理然后用無線方式進行通信，解決系統(tǒng)功耗問題[4]。文獻5中將冷鏈信息平臺與智慧城市體系相結(jié)合,利用智慧城市體系中的信息優(yōu)勢更加便利的采集冷鏈信息[5]。

基于此行業(yè)困境，筆者根據(jù)區(qū)域制冷產(chǎn)業(yè)鏈的完整布局優(yōu)勢，實現(xiàn)貫穿冷庫、冷藏車、商超設(shè)備、電動保溫車、生鮮自提的全冷鏈產(chǎn)品線覆蓋，設(shè)計實現(xiàn)了該基于NB-IOT的便攜式冷鏈監(jiān)控模塊系統(tǒng)。該系統(tǒng)將原本分散的冷鏈各環(huán)節(jié)整合在一條價值鏈上，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)制冷產(chǎn)品的完美結(jié)合，實現(xiàn)了對冷鏈設(shè)備的無縫全程監(jiān)控。

1 冷鏈運輸監(jiān)控管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計實現(xiàn)的冷鏈運輸監(jiān)控管理系統(tǒng)的具體功能包含：冷鏈運輸設(shè)備溫濕度與位置等信息采集、采集數(shù)據(jù)實時上傳、運輸任務(wù)監(jiān)控管理等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集傳輸模塊采用超低功耗、穩(wěn)定可靠的NB/2G無線通信模組，搭配超低功耗芯片，實現(xiàn)對物品存儲環(huán)境實時不間斷測量與監(jiān)控，保證物品儲存條件始終處于安全范圍內(nèi)。模塊實現(xiàn)的具體功能如下：

1.1.1 無線傳感數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊可在低溫、深低溫環(huán)境下獲取冷鏈數(shù)據(jù)全程不插電,采集數(shù)據(jù)包含冷鏈設(shè)備運行期間的溫度、濕度、設(shè)備電池電量、貨物識別碼等。模塊配備GPS模塊和移動通信模塊，可實現(xiàn)衛(wèi)星定位和LBS基站定位功能,模塊支持自由設(shè)定傳感器采集間隔，實時采集數(shù)據(jù)，同步上傳云端服務(wù)器，可選2G版和NB版本。

1.1.2 超長距離強抗干擾的數(shù)據(jù)傳輸

模塊可實現(xiàn)公里級的無線傳輸距離，給全局監(jiān)控更少的空間限制。傳輸信號穿透能力強，采用NB/2G無線數(shù)據(jù)傳輸，定位數(shù)據(jù)可上傳管理平臺，信號傳輸穿透能力強，冷藏箱、冷庫等密閉空間能正常傳輸工作。

1.1.3 報警功能

模塊支持報警功能，檢測到自身運行狀況異常，可實現(xiàn)聲光報警信息顯示。

1.2 冷鏈運輸數(shù)據(jù)監(jiān)控管理平臺

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理平臺的設(shè)計采用B/S架構(gòu)，用戶可以在任意電腦或者移動終端設(shè)備上登錄平臺對冷鏈運輸過程進行監(jiān)控和管理。平臺管理的數(shù)據(jù)主要分為兩大類，第一類是數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊設(shè)備管理，可實現(xiàn)設(shè)備信息的增刪改查功能。第二類是依托具體設(shè)備開展的運輸任務(wù)及相關(guān)數(shù)據(jù)進行的管理，用戶可在平臺上給具體設(shè)備分配和結(jié)束運輸任務(wù)，并在任務(wù)運行期間監(jiān)控到冷鏈監(jiān)控模塊實時上傳的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運行的溫度、濕度和位置信息等。

2 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

模塊硬件設(shè)計采用無專門MCU方案設(shè)計，以降低硬件功耗，設(shè)計以廣和通ADP-L610系列芯片為主，輔助以AIR530采集GPS數(shù)據(jù)。

2.1 主芯片的設(shè)計

L610系列模塊是一款適用于TDD-LTE/FDDLTE/GSM多種網(wǎng)絡(luò)制式、多頻段的寬帶無線終端產(chǎn)品，選擇其作為硬件模塊的主模塊，首先是因為其睡眠模式下功耗只有1.8mA,能滿足系統(tǒng)設(shè)計的低功耗需求。該集成電路模塊可以在Talk/Data模式下實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)傳輸，也可以在AirPlane模式下作為普通MCU使用。

硬件設(shè)計中，傳感器、GPS、SIM卡模塊和LCD等均作為外部設(shè)備通過接口接入主芯片。主芯片的部分硬件原理設(shè)計如圖2所示。

2.2 GPS數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

考慮到模塊在某些應(yīng)用下需要更加精準(zhǔn)的定位，設(shè)計中采用了更加成熟的GPS定位模塊AIR530，AIR530是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，具有體積小功耗低的特點，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS，美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，并實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合定位。GPS數(shù)據(jù)采集模塊部分硬件電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 GPS模塊部分硬件原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

整個系統(tǒng)的軟件主要包含兩部分，分別為數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的嵌入式軟件和基于B/S架構(gòu)的上位機軟件。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊嵌入式軟件的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集傳輸模塊嵌入式軟件主要用于模塊控制系統(tǒng)的初始化、與上位機通信、根據(jù)模塊屬性設(shè)置完成各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲等功能。

模塊采用的L610芯片在AirPlane模式下可作為MCU使用，嵌入式軟件即運行在該芯片上，軟件接收用戶對系統(tǒng)的屬性設(shè)置，存在于模塊的FLASH里面，根據(jù)用戶設(shè)置的時間間隔定時采集溫度、濕度和定位信息，并實現(xiàn)把重要信息在LCD上顯示，根據(jù)用戶設(shè)定的報警值，在采集數(shù)據(jù)異常時觸發(fā)報警信號。

3.2 上位機軟件的設(shè)計

上位機軟件主要用于實現(xiàn)對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的設(shè)備管理，運輸任務(wù)的管理和任務(wù)運行期間實時采集數(shù)據(jù)的查看等。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫中對任務(wù)實體、采集信息實體、設(shè)備實體等分別設(shè)計表進行數(shù)據(jù)管理，核心表的設(shè)計如下：

（1）任務(wù)表設(shè)計，該表用于存儲系統(tǒng)正在執(zhí)行任務(wù)的情況，見表1。

表1 任務(wù)表設(shè)計

（2）采集信息表，該表用于存儲正在執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備實時上傳的設(shè)備采集信息，見表2。

表2 采集信息表

3.2.2 上位機應(yīng)用程序設(shè)計

上位機軟件采用JavaWeb技術(shù)開發(fā)，系統(tǒng)功能相對簡單，開發(fā)人員也選擇了相對簡單的Sprint MVC框架，用戶從電腦端登錄后可以進行三項功能。

（1）設(shè)備管理功能模塊下，用戶可以對系統(tǒng)維護的設(shè)備進行增加、刪除等操作。

（2）任務(wù)管理功能模塊下，系統(tǒng)會查詢現(xiàn)有空閑的設(shè)備，供用戶選擇來分配其執(zhí)行任務(wù)，用戶需要錄入任務(wù)的基本情況。

（3）信息查看功能模塊下，系統(tǒng)查詢目前正在運行的任務(wù)，用戶選擇后查看任務(wù)執(zhí)行詳細(xì)情況，列出自任務(wù)開始執(zhí)行后實時采集的設(shè)備溫濕度等運行情況，并在地圖組件上顯示設(shè)備的運行軌跡。

4 結(jié)語

本控制系統(tǒng)設(shè)計了一種基于NBIOT技術(shù)的冷鏈運輸管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全冷鏈設(shè)備在運行中溫濕度、故障、位置等信息的實時監(jiān)控及綜合信息管理。破解傳統(tǒng)生鮮產(chǎn)品在產(chǎn)地預(yù)冷、冷鏈長途運輸、零售終端存儲、冷鏈最后一公里配送、生鮮自提、家庭冷藏保鮮等各環(huán)節(jié)因配送斷鏈、信息斷流而造成的物品損毀，為用戶提供一個從產(chǎn)地到餐桌、從工廠到家庭的完美配送鏈條，大大推動了制冷產(chǎn)業(yè)的智能化水平。