基于物聯網超市生鮮冷鏈設備監控系統設計

摘" 要： 大型超市在生鮮產品的儲藏、售賣期，為防止設備故障對食品品質和安全造成影響，需對設備進行即時管理。針對超市冷凍設備和冷藏設備，文中為其定制了一套基于物聯網的生鮮冷鏈設備監控解決方案。該系統通過對不同設備參數進行監測，并利用無線通信模塊與云平臺相結合，實現對超市冷鏈設備遠程實時監測和管理。監控平臺采用Node.js開發，包括MySQL數據庫和Web服務器，能夠實現數據可視化，為用戶提供直觀的監控界面和數據分析功能。通過該系統，超市管理人員能夠有效監測冷鏈設備運行狀態，及時發現異常并采取措施，從而保障食品品質和安全，提高運營效率。

關鍵詞： 冷鏈設備； 監控系統； 4G通信； 數據傳輸； 數據交互； 云平臺； 數據庫

中圖分類號： TN919?34； TP277" " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）03?0119?05

Design of supermarket fresh and cold chain equipment monitoring system

based on the Internet of Things

ZHANG Wanting， SUN Yunqiang， YAO Aiqin， YANG Xiao

（School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： It is required to implement immediate management of equipment to prevent equipment failures from affecting food quality and safety during the period of storage and sales of fresh products in large supermarkets. This system has customized a set of IoT?based fresh and cold chain equipment monitoring solutions for supermarket freezing and refrigeration equipment. In the system， different equipment parameters are monitored， and the wireless communication modules are combined with cloud platforms， so as to achieve remote real?time monitoring and management of supermarket cold chain equipment. The monitoring platform is developed by Node.js， including MySQL database and Web server， and the platform can achieve data visualization and provide users with an intuitive monitoring interface and the function of data analysis. By this system， the supermarket managers can monitor the operation status of cold chain equipment effectively， detect abnormalities timely and take proper measures， so as to ensure food quality and safety， and improve operational efficiency.

Keywords： cold chain equipment; monitoring system; 4G communication; data transmission; data interaction; cloud platform; database

0" 引" 言

隨著社會經濟的持續發展，人民生活水平的不斷提高，人們對食物質量與安全性的要求也在不斷增長。在食品零售領域，特別是在大型超市中，生鮮冷鏈設備的運行狀態直接影響著食品的新鮮度和安全性[1]。這些設備通常包括冷凍設備和冷藏設備。冷凍設備用于存放需要在極低溫環境下保存的食品，如冷凍肉類、速凍食品、冷凍半成品食品等。

溫度通常低于-18 ℃，該設備包括冷凍柜、冷凍庫和冷凍展示柜。冷藏設備用于存放需要保持在低溫環境下的食品，如新鮮肉類、新鮮蔬菜、新鮮水果、奶制品等，一般溫度控制在0～4 ℃之間，冷藏設備通常包括冰箱、冷藏柜、冷藏庫等。

然而，這些設備往往無時間限制，可以自動運行，如果需要人工進行值守，則人工成本大大提高；如果不配備人工，設備就會自行運轉，若出現故障就無法進行及時的預警和處理，小故障可能會轉變為大故障，進而容易產生較大的安全隱患和對設備的永久性損害。

因此，急需一種能夠取代人工進行實時值守的報警設備，對設備的運行狀態、溫度和濕度等進行實時監控，及時發現異常狀況并采取相應的措施。為了解決這些問題，本文設計并實現了一套基于物聯網技術的超市生鮮冷鏈設備監控系統，該系統通過搭建生鮮冷鏈設備物聯網云服務平臺，實現對生鮮冷鏈設備的管理、實時監測控制、預警。

1" 系統總體結構設計

在物聯網的標準體系結構中，一般分為感知層、傳輸層和應用層[2]。其中：感知層的主要任務是數據的采集和感知，該層通過使用各類傳感器來監測冷凍設備和冷藏設備的溫度、濕度、電壓、電流等參數，并將獲取的數據進行整合和處理；傳輸層主要由4G無線傳輸模塊和服務器端接收器構成；應用層由數據庫和監控平臺組成。

該架構中，4G無線傳輸模塊負責將4G網絡從設備采集的數據傳送給云端服務器[3]，完成對數據的遠距離傳輸和實時監控。服務器端接收器則承擔著接收并解析傳輸模塊發送數據的任務，將數據存儲于數據庫中，并提供給監控平臺進行展示和分析。這兩個部分的協同工作確保了數據的穩定傳輸和高效處理，為整個系統的正常運行提供了可靠的支持。

系統整體結構如圖1所示。

2" 數據傳輸系統設計

2.1" 4G通信模塊

A600?CAT1?TTL是一款高穩定性的工業級全網通無線通信模塊，適用于移動、聯通、電信等多種4G網絡[3]制式。該模塊支持各種類型的數據傳送協議，如TCP/IP、UDP、MQTT等，以適應各種應用場景的需求，實現可靠的數據傳輸與遠程監控。此外，該模塊擁有豐富的通信接口，包括UART、USB、GPIO、ADC等，方便與其他設備連接和數據交換。內置SIM卡槽，支持2G/3G/4G等各種類型的SIM卡，提供更大的靈活性和兼容性。該模塊可以用AT指令進行配置與控制，并具備較好的可編程與可擴展性，使用者可以方便地進行操作，并能滿足用戶的定制化需求。4G通信模塊和SIM卡連接原理如圖2所示。

2.2" 服務端通信程序

當冷鏈設備開始執行其工作流程時，4G通信模塊便會被喚醒進入到主循環中，在這個階段，模塊開始接收來自設備的數據，然后啟動程序初始化操作，接下來，模塊需要嘗試與位于云端的服務端進行Socket通信。創建一個Socket對象，并為它設置通信參數，比如指定服務端程序的IP地址以及端口號等，這些參數配置完成后，模塊可以嘗試建立Socket連接，如果連接沒有成功建立，則重新設置所有的通信參數繼續循環并累計次數，如果連續3次建立Socket連接失敗，那么模塊不得不重新上電進入循環，直到成功與服務端建立穩定的Socket通信。當模塊成功地與服務端建立連接后，便執行一個關鍵的操作流程——發送注冊包。隨后，程序進入了自動化的通信監測階段，本文系統設定的通信時間間隔為1 min，檢測是否達到設置的通信時間間隔，如果在當前時刻沒有達到預設的通信間隔，那么系統會進入休眠狀態，在3 s之后，系統重新進行一次監測，以確認是否已經達到1 min的時間間隔。若達到，則將獲取到的冷鏈設備的實時運行參數發送至服務端程序，這些參數包括設備的狀態、使能狀態、可能存在的故障或報警信息以及當前的溫度等信息。模塊還需要向服務端程序發送心跳包，發送之后檢測是否發送成功，如果成功，則進入時間間隔檢測循環，反之，則重新獲取設備數據并再次發送心跳包。設備與服務器的通信流程圖如圖3所示。

2.3" MQTT通信協議

服務端程序需要將數據傳輸到監控中心，通過MQTT協議[4]進行傳輸。MQTT是一個輕量級、采用發布/訂閱方式的通信協議[5]，一般用來在低寬帶以及不穩定網絡環境下，實現更有效的信息傳輸。首先需要服務端程序與MQTT代理服務器進行連接，再對監控中心相關主題進行訂閱。當數據準備好后，服務端程序會向所訂閱的話題發布數據，隨后MQTT代理服務器將數據實時傳輸到監控中心，從而保證了數據的可靠性和真實性。圖4是服務端與監測中心之間的通信流程圖。

3" 云平臺管理

3.1" 系統功能設計

系統首頁顯示了設備在線總數、報警設備數量和普通用戶個數。監控中心的左側列表顯示設備名稱，右側顯示設備的在線狀態、設備號和設備實時環境數據。用戶可以點擊每一個環境參數，以折線圖的形式查看數據。報警管理功能用于監控設備數據異常情況。用戶可以選擇不同設備和參數，查看每個報警數據的具體信息、報警級別和時間。這樣能及時提醒用戶對設備進行處理，防止物聯網設備發生故障。數據管理功能用于存儲設備環境參數的歷史記錄，用戶可以選擇不同設備、不同參數和不同時間段來查詢數據。用戶信息模塊用于系統對用戶權限的管理，包括普通用戶和管理員的資料信息。系統功能框圖如圖5所示。

3.2" 監控平臺設計

本文采用前后端分離的方式設計監控平臺，可以提高系統的靈活性和可維護性，并實現前端與后端的解耦。前端使用Vue[4]框架快速構建用戶界面，Axios庫簡化HTTP請求處理。后端使用Express框架高效構建API接口和處理請求。在監控客戶端界面設計中包括系統首頁、系統設置、監控中心、報警管理、數據管理、用戶信息和設備管理等功能模塊[5]。這些模塊覆蓋了監控平臺的主要功能需求，提供全面的監控和管理功能。界面設計采用HTML5、CSS3和JavaScript[6?7]，實現美觀友好的頁面，提升用戶體驗。前端頁面的動態特性通過JavaScript完成，可以增加頁面的交互性和實時性，使用戶操作更加便捷。

3.3" 云數據庫設計

本文系統選擇MySQL數據庫，因為它既具有高性能的磁盤存儲功能，又具有分布式文件系統的優勢，適用于處理大規模數據，而且保密性很強。MySQL能夠與各種數據庫類型兼容，為用戶提供了在線數據存儲、數據更新和修改、數據檢索、數據查詢等功能，從而降低了數據庫的操作復雜性。在MySQL數據庫中，數據均以數據表的形式進行組織和存儲[8]。針對超市冷鏈設備不同類型的數據，設計了很多數據表單，詳細記錄存儲設備的注冊信息、運行狀態、故障和報警記錄、設備溫度、設備濕度歷史記錄、電壓和電流歷史記錄、用戶信息和系統日志等內容。具體的數據信息如表1所示。

4" 系統功能實現

在經過了軟硬件調試工作，確保每一項功能都符合設計要求后，便開始進行測試。測試過程中嚴格遵循既定的通信協議，通過4G網絡將收集到的終端傳感器產生的數據信息迅速上傳到位于數據中心的服務器上。隨后，通過專門的網頁訪問權限，用戶可以登錄到云平臺系統，這樣就能夠利用云端強大的數據處理能力實現對設備狀態的實時監控。

1） 用戶進入登錄界面，輸入用戶名和密碼。登錄界面如圖6所示。

2） 用戶的權限分為管理員和普通用戶。管理員指的是超市的店長，而普通用戶指的是超市的店員。店長可以實時查看生鮮冷鏈設備的工作狀態、溫度、濕度等信息，并且具有處理報警的權限。此外，店長還能夠查看歷史數據、生成報表以及分析冷鏈設備的性能。普通店員則可以查看設備的基本工作狀態，如溫度和濕度，但不具備修改參數或處理報警的權限。用戶管理界面如圖7所示。

3） 冷鏈設備主要分為冷藏設備和冷凍設備，以確保食品的新鮮度和質量。冷藏設備細分為冷藏柜、冷藏庫和冷藏貨架，用于存放需要保持在較低溫度的食品；而冷凍設備則包括冷凍柜、冷凍庫和冷凍貨架，專門用于冷凍保存食品以延長其保質期。在監控中心，操作人員可以實時監測每個設備的環境數據，如溫度、濕度、電壓、電流以及開關狀態，以確保設備正常運行并保持食品在適宜的存儲條件下。冷藏設備中的冷藏柜的實時數據如圖8所示。

4） 用戶可以在設備歷史界面靈活選擇不同的設備和不同的環境參數進行查看，同時還能自定義需要查看的時間范圍，從而更全面、詳細地了解設備在不同條件下的運行情況和歷史數據。冷藏柜的溫度歷史數據如圖9所示。

5） 超市的冷藏設備通常需監控溫度、濕度、電壓和電流范圍，確保食品安全存儲。冷藏設備溫度應在0～10 ℃之間，避免食品變質或口感受損。相對濕度應保持在60%～80%之間，有助于保持食品新鮮度，避免過干或過濕。電壓應在220～240 V范圍內，穩定電壓有助于設備正常運行，避免損壞。冷藏設備額定電流一般在1～10 A之間。冷凍設備溫度需保持在-18 ℃以下，相對濕度在20%～60%范圍內。冷凍設備電壓通常為220 V或380 V交流電，電流大小取決于功率和設計要求。設備若超出監控范圍將觸發報警，用戶可通過報警信息查詢歷史記錄和統計數據，根據數據值判斷報警等級（一般、緊急或嚴重）。冷藏設備冷藏柜的報警數據如圖10所示。

5" 結" 語

本文通過設計和實施基于物聯網技術的超市生鮮冷鏈設備監控系統，旨在解決傳統冷鏈管理中存在的問題并提升食品安全和質量管理水平。通過物聯網技術和云平臺技術[9?10]的結合，該系統實現了對冷藏和冷凍設備的實時監控和控制，有效管理環境參數，并通過遠程監控功能實現了對設備運行狀態的實時監測和及時干預，從而保障食品的新鮮度和安全性。這一監控系統設計具有廣泛的應用前景和市場潛力，在推動物聯網技術在食品行業的應用方面發揮著重要作用。經過系統測試驗證，證明該系統能夠滿足設計的功能需求，為食品行業提供了可靠的生鮮冷鏈設備監控解決方案。

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