物聯(lián)網(wǎng)冷鏈監(jiān)控技術(shù)在食品源中的應(yīng)用設(shè)計

Application Design of Internet of Things Cold Chain Monitoring Technology in Food Traceability

CHEN Qiyu （Sichuan Institute of Industrial Technology， Deyang 6185oo， China）

Abstract： This article analyzes the requirements for a food traceability system based on Internet of Things cold chain monitoring technology，and elaborates on the overallsystemarchitecture design，hardware device selectionand layout design， network communication scheme design，food traceability information management platform design， and abnormal warning and handling mechanism design，in order to efectively improve the accuracy and efficiency of food traceability and ensure food quality and safety.

Keywords： Internet of Things cold chain monitoring technology; food traceability; system design; requirement analysis

當前，食品安全問題備受關(guān)注，消費者對食品質(zhì)量安全的訴求日益增長。食品溯源作為一種保障食品安全的重要手段，逐漸成為行業(yè)研究的熱點。食品溯源是指通過記錄食品從生產(chǎn)、加工、運輸?shù)戒N售等各個環(huán)節(jié)的信息，使消費者和監(jiān)管部門能夠追蹤食品的來源和流向，在出現(xiàn)食品安全問題時能夠迅速定位問題環(huán)節(jié)，及時采取有效措施。與此同時，冷鏈物流在食品運輸和儲存中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。將物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）冷鏈監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于食品溯源系統(tǒng)中，能為食品溯源提供更全面、準確的數(shù)據(jù)支持，提升食品溯源的可靠性和效率。

1基于物聯(lián)網(wǎng)冷鏈監(jiān)控技術(shù)的食品溯源系統(tǒng)需求分析

1.1功能性需求

1.1.1冷鏈環(huán)境實時監(jiān)測功能冷鏈環(huán)境實時監(jiān)測是食品溯源系統(tǒng)保障食品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)需具備實時采集并傳輸溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)的能力。溫度對食品的新鮮度和安全性影響極大。以肉類食品為例，若溫度過高，微生物會迅速繁殖，導(dǎo)致肉類腐敗變質(zhì)；溫度過低，又會影響肉類的口感和質(zhì)地。濕度同樣不容忽視，水果蔬菜在適宜的濕度下才能保持水潤，若濕度控制不當，極易出現(xiàn)干癟或腐爛現(xiàn)象。氣體（氧氣和二氧化碳）濃度變化會直接影響葡萄酒等食品的品質(zhì)。系統(tǒng)通過分布在冷鏈各環(huán)節(jié)的傳感器，精準捕捉這些環(huán)境參數(shù)，并及時傳輸至監(jiān)控中心，確保管理人員能隨時掌握冷鏈環(huán)境的動態(tài)。

1.1.2食品信息錄入與管理功能

食品信息錄入與管理功能是構(gòu)建食品溯源體系的基礎(chǔ)。系統(tǒng)應(yīng)支持食品基本信息、生產(chǎn)批次、保質(zhì)期等信息的錄人與更新。食品基本信息涵蓋食品名稱、規(guī)格、產(chǎn)地等，是消費者直接了解食品的基礎(chǔ)。通過食品生產(chǎn)批次可以追溯食品在生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)。保質(zhì)期則是食品安全的重要參考指標。在食品流通過程中，這些信息會發(fā)生變化，如保質(zhì)期因儲存條件改變而調(diào)整，系統(tǒng)需及時更新，為溯源提供堅實依據(jù)。

1.1.3 溯源信息查詢功能

溯源信息查詢功能是連接消費者、監(jiān)管部門與食品溯源系統(tǒng)的紐帶。消費者、監(jiān)管部門等可通過多種渠道查詢食品溯源信息。對于消費者而言，在購買食品時，只需通過手機掃碼或登錄相關(guān)平臺，就能輕松獲取食品從生產(chǎn)到銷售的全過程信息。監(jiān)管部門借助溯源信息查詢功能，對食品市場進行全面監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題食品。

1.1.4異常預(yù)警與處理功能

異常預(yù)警與處理功能是食品溯源系統(tǒng)的“安全衛(wèi)士”。當冷鏈環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍時，系統(tǒng)需及時發(fā)出預(yù)警并記錄處理過程。以溫度為例，若冷鏈運輸車輛內(nèi)的溫度突然升高，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報，通知相關(guān)人員采取措施，如調(diào)整制冷設(shè)備。系統(tǒng)會詳細記錄預(yù)警發(fā)生的時間、地點、參數(shù)值以及處理人員、處理措施等信息，不僅有助于分析問題產(chǎn)生的原因，還能為后續(xù)的改進提供參考。

1.2非功能性需求

1.2.1 可靠性需求

可靠性需求是食品溯源系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。系統(tǒng)需具備在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運行的能力。在冷鏈運輸過程中，車輛可能會行駛在高溫、低溫、巔簸等各種惡劣環(huán)境中；倉儲設(shè)施也會面臨停電、網(wǎng)絡(luò)故障等突發(fā)情況。系統(tǒng)需要在這些復(fù)雜環(huán)境下，依然能夠準確采集和傳輸數(shù)據(jù)，確保溯源信息的完整性和準確性。

1.2.2 安全性需求

安全性需求是保護食品溯源數(shù)據(jù)的重要防線。數(shù)據(jù)傳輸與存儲的安全性保障至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，要防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。例如，采用加密技術(shù)對數(shù)據(jù)進行加密處理，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。在數(shù)據(jù)存儲方面，要建立嚴格的訪問控制機制，只有授權(quán)人員才能訪問和修改數(shù)據(jù)。

1.2.3 易用性需求

易用性需求是提升食品溯源系統(tǒng)用戶體驗的關(guān)鍵，系統(tǒng)界面應(yīng)友好、操作簡單，便于不同用戶使用。對于食品生產(chǎn)企業(yè)員工而言，可能不具備專業(yè)的計算機知識，系統(tǒng)操作應(yīng)盡量直觀易懂，方便其錄人和管理食品信息。對于消費者和監(jiān)管部門，查詢溯源信息的過程也應(yīng)簡單便捷。系統(tǒng)簡單易用能提高用戶的使用積極性，促進食品溯源體系的推廣和應(yīng)用。

1.2.4 可擴展性需求

可擴展性需求是食品溯源系統(tǒng)適應(yīng)未來發(fā)展的必要條件。系統(tǒng)應(yīng)能夠方便地接入新的傳感器設(shè)備與功能模塊。隨著科技的不斷進步，會有更先進的傳感器出現(xiàn)，能夠采集更豐富的環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)兼容性要強大，能輕松接入這些新設(shè)備，提升冷鏈環(huán)境監(jiān)測的精度和范圍。根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，系統(tǒng)也應(yīng)能方便地添加新的功能模塊，如數(shù)據(jù)分析模塊、智能決策模塊等[1]

2物聯(lián)網(wǎng)冷鏈監(jiān)控技術(shù)在食品溯源中的應(yīng)用設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的食品溯源系統(tǒng)整體架構(gòu)由硬件層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層與應(yīng)用層構(gòu)成。硬件層是由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集終端等設(shè)備構(gòu)成，負責實時采集冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)和食品相關(guān)信息；網(wǎng)絡(luò)層則是信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑢⒂布硬杉降臄?shù)據(jù)準確無誤地傳遞到平臺層；平臺層對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、處理和分析；應(yīng)用層則是面向用戶的窗口，為用戶提供瀕源信息查詢、異常預(yù)警等服務(wù)。各層之間的數(shù)據(jù)交互與協(xié)同工作機制是系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵

2.2硬件設(shè)備選型與布局設(shè)計

傳感器設(shè)備的選型需考慮不同食品的冷鏈監(jiān)控需求。對于溫度傳感器，其精度要高，能精確感知微小的溫度變化，誤差需控制在極小范圍內(nèi)。例如，在冷藏藥品的冷鏈監(jiān)控中，溫度誤差不能超過 0.5°C 。濕度傳感器要具備良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中準確測量濕度。氣體傳感器則要具備高靈敏度和選擇性，能夠快速準確地檢測出特定氣體的濃度。性能優(yōu)良的傳感器是保障數(shù)據(jù)準確的基礎(chǔ)。

傳感器設(shè)備的布局要根據(jù)冷鏈運輸車輛、倉儲設(shè)施等場景的特點進行合理規(guī)劃。在冷鏈運輸車輛中，溫度傳感器應(yīng)安裝在車廂的前、中、后等不同位置，以全面監(jiān)測車廂內(nèi)的溫度分布。濕度傳感器可安裝在靠近貨物的地方，確保能準確反映貨物周圍的濕度情況。氣體傳感器則根據(jù)所運輸食品的特性，安裝在可能產(chǎn)生異常氣體的區(qū)域。在倉儲設(shè)施中，傳感器的布局要考慮貨物的堆放方式和倉庫的空間結(jié)構(gòu)，確保無監(jiān)測死角[2]。

數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計是硬件層的核心設(shè)計環(huán)節(jié)。硬件電路設(shè)計要充分考慮傳感器接口、數(shù)據(jù)存儲、通信模塊等部分的兼容性和穩(wěn)定性。軟件程序設(shè)計則要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時采集、處理與傳輸。在采集數(shù)據(jù)時，要對數(shù)據(jù)進行初步的濾波和校準，提高數(shù)據(jù)的準確性。處理后的數(shù)據(jù)通過通信模塊，按照預(yù)定的協(xié)議傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計

無線通信技術(shù)的選擇需綜合考慮覆蓋范圍、傳輸速率、功耗等因素。ZigBee技術(shù)具有低功耗、短距離傳輸?shù)奶攸c，適用于小型冷鏈場景，如冷鏈箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，但其覆蓋范圍有限。LoRa技術(shù)覆蓋范圍廣、功耗低，適合在大型冷鏈物流園區(qū)等廣闊區(qū)域使用，但傳輸速率相對較低。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）技術(shù)則具備廣覆蓋、大連接數(shù)和高可靠性等優(yōu)勢，能滿足大規(guī)模冷鏈監(jiān)控的需求，但成本相對較高。根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的無線通信技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計要確保傳感器設(shè)備與數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)采集終端與平臺服務(wù)器之間的穩(wěn)定通信。在冷鏈運輸車輛中，可采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)采集終端為中心，連接各個傳感器設(shè)備。在倉儲設(shè)施中，可采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，將多個數(shù)據(jù)采集終端連接到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點與平臺服務(wù)器通信[3]。

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計是保障數(shù)據(jù)準確傳輸?shù)年P(guān)鍵，要規(guī)范數(shù)據(jù)的格式、編碼與傳輸規(guī)則。數(shù)據(jù)格式應(yīng)包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)體和數(shù)據(jù)尾，其中數(shù)據(jù)頭用于標識數(shù)據(jù)的類型和長度，數(shù)據(jù)體包含實際的采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)尾用于校驗數(shù)據(jù)的完整性。要選擇高效、可靠的編碼方式，如二進制編碼。傳輸規(guī)則要明確數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程以及錯誤處理機制。

2.4食品源信息管理平臺設(shè)計

平臺功能模塊劃分要滿足不同用戶的需求。用戶管理模塊負責對用戶進行注冊、登錄、權(quán)限設(shè)置等操作，確保平臺的安全性。食品信息管理模塊用于錄入、更新和管理食品的基本信息、生產(chǎn)批次、保質(zhì)期等。冷鏈監(jiān)控數(shù)據(jù)管理模塊對采集到的溫度、濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)進行存儲、分析和展示。溯源信息查詢與展示模塊則為消費者、監(jiān)管部門等提供食品溯源信息的查詢服務(wù)，以直觀的方式展示食品的全過程信息，

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是存儲和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。要設(shè)計合理的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，存儲食品信息、冷鏈監(jiān)控數(shù)據(jù)、用戶信息等。食品信息表應(yīng)包含食品名稱、規(guī)格、產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期等字段。冷鏈監(jiān)控數(shù)據(jù)表要記錄傳感器采集的時間、溫度、濕度和氣體濃度等數(shù)據(jù)。用戶信息表則存儲用戶的用戶名、密碼、權(quán)限等信息[4]

平臺界面設(shè)計要注重用戶體驗，要設(shè)計直觀、易用的用戶界面，方便用戶進行操作與信息查詢。界面布局要簡潔明了，將重要的功能模塊和信息展示在顯眼的位置；操作流程要簡單易懂，用戶無須復(fù)雜的培訓即可上手使用。

2.5異常預(yù)警與處理機制設(shè)計

需根據(jù)不同食品的冷鏈監(jiān)控要求制訂預(yù)警規(guī)則。對于溫度敏感的食品，如疫苗，要制訂嚴格的溫度預(yù)警閾值，一旦溫度超出設(shè)定范圍，立即觸發(fā)預(yù)警。濕度預(yù)警規(guī)則要根據(jù)食品的特性進行設(shè)置，如某些干貨食品，濕度過高會導(dǎo)致發(fā)霉變質(zhì)，需設(shè)定相應(yīng)的濕度上限。針對氣體敏感類食品（如葡萄酒），需制訂氣體濃度預(yù)警規(guī)則：當包裝內(nèi)氧氣或二氧化碳濃度出現(xiàn)異常時，食品易發(fā)生變質(zhì)，此時應(yīng)及時發(fā)出預(yù)警。

要確保相關(guān)人員可以及時收到預(yù)警信息，可選擇短信、郵件、App推送等多種方式。短信通知具有即時性強的特點，能在第一時間將預(yù)警信息傳達給相關(guān)人員。郵件通知則適合發(fā)送詳細的預(yù)警報告，方便相關(guān)人員查閱和分析。App推送則能讓相關(guān)人員隨時隨地接收預(yù)警信息，并進行處理[5]。

異常處理流程設(shè)計，要明確相關(guān)人員在接到預(yù)警信息后的處理步驟與責任。當收到預(yù)警信息后，相關(guān)人員先要確認預(yù)警信息的真實性，然后根據(jù)預(yù)警類型采取相應(yīng)的處理措施。對于溫度異常的預(yù)警，要檢查制冷設(shè)備是否正常運行，及時進行維修或調(diào)整。處理過程中要詳細記錄處理情況，包括處理時間、處理人員、處理措施等。處理完成后，要對處理結(jié)果進行評估，確保問題得到妥善解決。

3結(jié)語

通過對系統(tǒng)需求的詳細分析，明確功能性需求和非功能性需求，為系統(tǒng)設(shè)計提供明確的方向。在系統(tǒng)設(shè)計方面，從總體架構(gòu)、硬件設(shè)備選型與布局、網(wǎng)絡(luò)通信方案、食品瀕源信息管理平臺以及異常預(yù)警與處理機制等多個維度進行全面闡述，構(gòu)建了一個完整的基于物聯(lián)網(wǎng)冷鏈監(jiān)控技術(shù)的食品溯源系統(tǒng)。

參考文獻

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