基于STM32的冷鏈物流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

張凱+陳令芳+張恒+楊靖+張姍姍

摘 要： 針對目前冷鏈物流運輸過程中食品和車輛的安全問題及實時性，設(shè)計一種基于STM32的車載監(jiān)測系統(tǒng)。利用RFID技術(shù)、北斗技術(shù)及傳感器采集車廂內(nèi)溫濕度信息及車輛行駛狀態(tài)，并根據(jù)容許函數(shù)閾值和分批估計加權(quán)自適應(yīng)融合算法得出某一時間段的最優(yōu)估計值；同時，通過駕駛室的串口屏對采集到的信息進(jìn)行顯示；最后將采集到的信息通過3G通信技術(shù)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。試運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實時地監(jiān)測運輸車在行駛過程中的車廂環(huán)境和車輛行駛狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 北斗導(dǎo)航； 3G無線通信； 射頻識別； 容許函數(shù)； 分批估計； 融合算法

中圖分類號： TN931+.3?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0023?04

Abstract： Aiming at problems of safety and real?time performance of food and vehicle in the current cold chain logistics transportation， a vehicle?mounted monitoring system based on STM32 was designed. The RFID technology， Beidou technology and sensors are adopted to collect the temperature and humidity information and vehicle driving status. The optimal estimated value in a certain time period is obtained according to the threshold of admissible function and the batch estimation adaptive weighted fusion algorithm. The collected information is displayed on the serial screen in the cab and finally sent to the remote server by using 3G communication technology for data saving and analysis. The results of the trial operation show that the system can monitor the carriage environment and driving status of the running transport vehicle in real time.

Keywords： Beidou navigation； 3G wireless communication； radio frequency identification； admissible function； batch estimation； fusion algorithm

0 引 言

我國果蔬、水產(chǎn)品、肉類冷鏈流通率分別為5%，23%，15%，冷藏運輸率分別為15%，40%，30%，使用全程冷鏈運輸?shù)那莸爸破繁嚷蔥1]不足1%。我國現(xiàn)有的冷藏車占運輸車的比例極低，使用冷藏車運輸?shù)氖称分徽歼\輸總量的20%，且車輛的制冷技術(shù)和工藝比較落后，缺乏規(guī)范的保鮮冷鏈運輸車廂和溫度檢測與自動控溫設(shè)備，與發(fā)達(dá)國家相比，在硬件設(shè)施和運輸效率方面存在較大的差距，無法為農(nóng)產(chǎn)品的流通提供質(zhì)量保證。

隨著人們生活水平的日漸提高，食品安全問題越來越得到人們的重視，特別需要低溫保存的食品，在運輸過程中對食品的保存有著嚴(yán)格的要求，如果在運輸過程中由于保存不當(dāng)，不但會造成經(jīng)濟損失，還會對人們的身體健康造成損害。同時，由于運輸過程的不可追溯性，還常常對運輸過程和車輛事故無法做出準(zhǔn)確的判斷，還有部分物流企業(yè)為了節(jié)省運輸成本，在運輸過程中關(guān)掉制冷設(shè)備，造成物流運輸過程中的冷鏈斷鏈[2]。

為了保證農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中的質(zhì)量和車輛在行駛過程中的安全以及全程的實時監(jiān)測，結(jié)合運輸過程中對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和對車輛行駛安全的影響因素，開發(fā)了基于STM32的車載監(jiān)測系統(tǒng)，完成了車廂環(huán)境和車輛狀態(tài)的信息采集，并通過數(shù)據(jù)融合算法得到較為精確的數(shù)據(jù)，最后通過駕駛室的匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)的存儲、顯示及向服務(wù)器發(fā)送信息。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

車載監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三個部分：車廂數(shù)據(jù)采集部分、基于STM32處理器的匯聚節(jié)點、3G無線通信模塊。車載物流監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

車廂數(shù)據(jù)采集部分由分布于車廂內(nèi)的有源射頻模塊和傳感器組成，主要負(fù)責(zé)采集車廂內(nèi)部的溫濕度環(huán)境和車輛傾斜度。位于駕駛室的匯聚節(jié)點主要由STM32主控制器、北斗模塊、3G無線通信模塊、串口屏模塊、SD存儲模塊和傳感器等組成，負(fù)責(zé)對車輛定位，采集車輛的速度和加速度，近期數(shù)據(jù)可存儲于SD卡并顯示于串口屏上，駕駛員可通過串口屏查詢歷史數(shù)據(jù)并可通過串口屏添加個人信息以便于監(jiān)控中心進(jìn)行聯(lián)系。3G遠(yuǎn)距離無線通信模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸，將采集到的車廂和車輛信息通過TCP/IP傳送到遠(yuǎn)距離的服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

物流車載檢測系統(tǒng)主要由STM32主控制、NRF24

LE1射頻模塊[3?4]、傳感器模塊、北斗模塊[5]、3G通信模塊[6?7]、串口屏模塊及相關(guān)外圍電路組成。硬件電路示意圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)程序流程主要包括：嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建、系統(tǒng)初始化、文件系統(tǒng)的移植、串口屏顯示及輸入程序、北斗定位信息解析、數(shù)據(jù)采集、解析及打包程序、3G數(shù)據(jù)傳輸、車廂環(huán)境和車輛狀態(tài)危險預(yù)警等。軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。endprint

串口屏模塊在系統(tǒng)啟動時首先讀取SD卡內(nèi)的信息對串口屏進(jìn)行初始化，隨后每次接收到新的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行換算后進(jìn)入中斷對串口屏上的信息進(jìn)行更新。當(dāng)駕駛員在串口屏上輸入個人信息后，就會存入SD卡并發(fā)送至監(jiān)控中心，若需查詢歷史數(shù)據(jù)，會提取SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)換算后進(jìn)行顯示。

3G模塊主要用來連接因特網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用TCP/IP協(xié)議。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前與監(jiān)控中心的域名建立連接，然后將自定義的數(shù)據(jù)格式打包后發(fā)送。同時，利用心跳包保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，每次發(fā)送數(shù)據(jù)后等待服務(wù)器返回一個字符串YES，如果接收不到將數(shù)據(jù)重傳，3次后，若都不能接收到數(shù)據(jù)YES，則跳過本次傳輸，等待下一組數(shù)據(jù)的傳輸。其通信數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。

北斗定位模塊的軟件程序主要是針對北斗信息的解析。在啟動系統(tǒng)時首先利用北斗對系統(tǒng)時間進(jìn)行校準(zhǔn)，隨后會定時提取北斗的信息并分離出經(jīng)緯度、車速等有用信息。在以幀頭“$BDRMC”開始的數(shù)據(jù)中包含有時間、日期、經(jīng)緯度和速度等信息，只需解析該幀中的信息即可。

數(shù)據(jù)的采集、解析及打包，在對車廂內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時利用了基于Aloha的防碰撞算法。將數(shù)據(jù)通過讀寫器發(fā)送至控制器，控制器將有用信息分離；再將從北斗中分離出的有用信息結(jié)合，并通過數(shù)據(jù)融合去除冗余數(shù)據(jù)；最后以自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包發(fā)送。

4 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法

考慮到數(shù)據(jù)的傳輸成本，同時為了得到較為精確的環(huán)境信息，對于采集的溫濕度，首先利用容許函數(shù)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性處理，剔除具有較大誤差的數(shù)據(jù)，再利用分批估計理論和權(quán)值最優(yōu)分配原則對傳感器進(jìn)行分組的自適應(yīng)加權(quán)融合，得到較為精確的融合值。

4.1 傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于傳感器本身精度與外界干擾的影響，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的精確度受到影響，產(chǎn)生一定的誤差。為了去除較大誤差的數(shù)據(jù)，利用模糊集理論根據(jù)容許函數(shù)的閾值剔除誤差較大的傳感器數(shù)據(jù)。

通過上述過程可得到較為精確的數(shù)據(jù)，將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心可大大減少通信量。

5 測試結(jié)果及分析

本文搭建了一個基于STM32的冷藏車物流監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了對車廂內(nèi)溫濕度，車輛的加速度、傾斜度、速度及位置信息的監(jiān)測，并對車廂內(nèi)的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，反映出最真實的溫濕度，通過串口屏將數(shù)據(jù)展現(xiàn)給駕駛員并利用3G無線通信技術(shù)發(fā)送至監(jiān)測中心。實時數(shù)據(jù)顯示如圖4所示。

本文系統(tǒng)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)測試，串口屏穩(wěn)定的以30 s刷新數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下，監(jiān)控中心以3～9 s的延時誤差接收到數(shù)據(jù)，丟包率控制在1‰以內(nèi)。系統(tǒng)實時性好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，足以保證運輸過程中對食品和車輛安全的監(jiān)測。

6 結(jié) 語

針對目前冷鏈物流運輸過程中存在的問題，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的實時監(jiān)測裝置，實時采集食品存儲環(huán)境，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少經(jīng)濟損失，監(jiān)測車輛狀態(tài)，提高車輛行駛安全；實時與監(jiān)測中心通信，實現(xiàn)了對運輸車輛的全程監(jiān)測和車輛跟蹤。將運輸車輛與食品接入物聯(lián)網(wǎng)中，對食品安全和車輛安全具有重要的意義。

注：本文通訊作者為楊靖。

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