基于ONENET云平臺(tái)的冷鏈物流車載終端監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉桄志 劉千

【摘 要】隨著人們生活水平大幅度提升，人們更加關(guān)心食品的品質(zhì)，如果食品在運(yùn)輸過程中，因儲(chǔ)藏環(huán)境不達(dá)標(biāo)造成食品腐爛，這就會(huì)給企業(yè)造成嚴(yán)重的損失。所以在食品運(yùn)輸過程中，對(duì)食品的溫濕度PH值的監(jiān)控就顯得尤為重要。近些年，冷鏈物流的作用就迅猛地凸顯了出來。通過對(duì)冷鏈物流系統(tǒng)的研究，結(jié)合了相關(guān)技術(shù)，針對(duì)冷鏈物流過程中的溫濕度和PH值等實(shí)際環(huán)境需求設(shè)了計(jì)一款基于ONENET云平臺(tái)和RFID的冷流物流車載監(jiān)控系統(tǒng)。此監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)食品在運(yùn)輸過程中的溫濕度和PH值以及地理位置和食品屬性地采集并將這些信息發(fā)送到云平臺(tái)中供用戶使用，實(shí)現(xiàn)了食品品質(zhì)的保障和溯源。設(shè)計(jì)中用到了溫濕度以及PH傳感技術(shù)，GPS技術(shù)，RFID技術(shù)，4G技術(shù)、圖像采集技術(shù)、PWM技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】冷鏈物流;GPS定位;4G;RFID射頻識(shí)別;圖像采集;傳感器

引言

隨著人類科技、醫(yī)療等方面的迅速發(fā)展，人們不僅滿足于果腹的需求，對(duì)食品的品質(zhì)也有了更高的要求。據(jù)調(diào)查，我國2018年水果和蔬菜的總量分別達(dá)到27000萬噸、9.02億噸居全球首位。但是28%的蔬果在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和銷售環(huán)節(jié)中產(chǎn)生一定的損耗[1]，所以冷鏈物流也顯得尤為重要。據(jù)調(diào)查，在2016年果蔬產(chǎn)物在運(yùn)輸中產(chǎn)生的虧損占運(yùn)輸總量的30%[2]。這就表明，在果蔬產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，溫度和濕度的監(jiān)控對(duì)果蔬產(chǎn)品的保鮮有著重要的作用。在冷鏈運(yùn)輸過程中，冷藏車內(nèi)的溫濕度控制對(duì)生鮮、藥品等貨物的品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用[3]。但是在實(shí)際運(yùn)輸?shù)倪^程中，冷藏車內(nèi)部缺少對(duì)溫度濕度環(huán)境信息的監(jiān)控記錄和報(bào)警功能。除此之外市場(chǎng)上的冷鏈物流的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車輛信息，發(fā)車時(shí)間只能采取簡單的手動(dòng)記錄，并且還不能對(duì)車輛進(jìn)行定位。這就造成了食品運(yùn)輸過程不可溯源以及冷藏車內(nèi)的溫濕度發(fā)生變化卻未采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施而造成的食品，藥品的變質(zhì)。對(duì)于以上問題，本文利用溫濕度傳感技術(shù)，PH傳感技術(shù)，GPS全球定位技術(shù)，RFID射頻識(shí)別技術(shù)[6]等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)一套可以實(shí)時(shí)查看冷鏈運(yùn)輸車輛內(nèi)溫度濕度和水產(chǎn)箱的PH值，并且利用全球定位技術(shù)可以遠(yuǎn)程觀測(cè)到冷藏車的地理位置，應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)記錄貨物的屬性的冷鏈運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。

一、車載終端監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在實(shí)際的冷鏈物流運(yùn)輸中的[4]，生鮮食品對(duì)于溫濕度要求標(biāo)準(zhǔn)較高，因?yàn)樵诶洳剀噧?nèi)只有制冷設(shè)備卻沒有溫度監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，一旦制冷設(shè)備出現(xiàn)問題或者車廂門意外開啟，溫度會(huì)發(fā)生變化，造成食品變質(zhì)。在安裝車載監(jiān)控系統(tǒng)以后[5]，如果冷藏車內(nèi)的溫度變化到不利于貨物儲(chǔ)藏的溫度閾值時(shí)，車載監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，告知管理人員。

除了冷鏈運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境溫度之外，車載終端的監(jiān)控系統(tǒng)還需要對(duì)運(yùn)輸貨物進(jìn)行識(shí)別，保證管理人員知道當(dāng)前冷藏車中運(yùn)送的是什么貨物，采用射頻識(shí)別技術(shù)極大地簡化了物流運(yùn)輸過程中的出庫入庫記錄，提高了貨物出庫和入庫的效率。所以車載終端監(jiān)控系統(tǒng)還需要加入RFID模塊，對(duì)貨物上的電子標(biāo)簽進(jìn)行掃描，將貨物信息錄入到監(jiān)控系統(tǒng)中來。管理人員還要了解貨車的地理位置信息，方面管理人員對(duì)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，讓貨物以最高的效率運(yùn)輸?shù)侥康牡亍３酥庖驗(yàn)槔洳剀囀菍?shí)時(shí)移動(dòng)的，所以監(jiān)控系統(tǒng)上傳監(jiān)控和報(bào)警信息就要通過4G網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到ONENET云平臺(tái)上。這些監(jiān)控信息供管理人員參考。根據(jù)車載終端監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)出整個(gè)監(jiān)控過程以及信息發(fā)送示意如圖1所示。

根據(jù)冷鏈物流車載終端監(jiān)控系統(tǒng)示意圖可知監(jiān)控系統(tǒng)可分感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)方面。在感知層，首先系統(tǒng)獲取被運(yùn)送貨物的信息，隨后采集冷藏車內(nèi)的溫度、濕度、以及水產(chǎn)箱中的PH值，如果這些參數(shù)不在正常范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生報(bào)警，此外獲取冷藏車的地理位置信息;在網(wǎng)絡(luò)層，車載終端監(jiān)控系統(tǒng)將采集的所有信息通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器上;在網(wǎng)絡(luò)層，通過網(wǎng)頁和手機(jī)APP查看冷藏車實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，此外還可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制車廂門的開關(guān)，這里用舵機(jī)模擬。冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析圖2所示。

具體功能說明如下：

（1）車載終端監(jiān)控系統(tǒng)通過溫濕度傳感器和PH傳感器采集車內(nèi)的溫濕度和水產(chǎn)箱內(nèi)的PH值;通過GPS/BEIDOU模塊獲取冷藏車當(dāng)前的定位信息;通過超高頻讀寫器射頻模塊獲取被運(yùn)輸貨物的貨號(hào)。講這些信息通過車載終端上的LCD顯示屏顯示出來。如果車廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)不在正常范圍之內(nèi)就會(huì)發(fā)生報(bào)警。

（2）車載終端監(jiān)控系統(tǒng)使用4G模塊，通過4G網(wǎng)絡(luò)用MQTT協(xié)議將感知層采集的信息發(fā)送到ONENET云平臺(tái)上。

（3）在ONENET云平臺(tái)上設(shè)置UI界面和數(shù)據(jù)流顯示溫濕度、PH值和物品的貨物信息。通過GIS技術(shù)將經(jīng)緯度信息在云平臺(tái)上以地圖的形式顯示。這讓管理者使用網(wǎng)頁或者手機(jī)APP查看車載終端監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程采集的環(huán)境監(jiān)控信息。此外還可以通過ONENET云平臺(tái)手機(jī)APP控制車廂門的開關(guān)。

二、車載終端監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

1.硬件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的硬件部分主要包括以下幾個(gè)模塊：MCU主控模塊、電源模塊、溫濕度采集模塊、PH傳感塊、GPS全球定位系統(tǒng)模塊、4G無線傳輸模塊、LCD顯示模塊、攝像頭模塊、舵機(jī)模塊、SWD下載模塊、USB串口模塊、按鍵模塊、RFID射頻識(shí)別模塊。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。MCU主控模塊是車載終端監(jiān)控系統(tǒng)的核心單元，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和和采集，對(duì)各個(gè)功能模塊的控制。電源模塊給車載終端供電，保證系統(tǒng)有穩(wěn)定的供電并能正常工作。溫濕度采集模塊主要負(fù)責(zé)采集冷藏車內(nèi)的溫濕度并將采集的數(shù)據(jù)以MCU支持的通訊協(xié)議傳送給MCU。PH值采集模塊主要負(fù)責(zé)采集水產(chǎn)箱中的PH值，并將這個(gè)PH值轉(zhuǎn)為電壓值輸入到MCU當(dāng)中。RFID無線射頻識(shí)別模塊主要負(fù)責(zé)識(shí)別貨物的電子標(biāo)簽信息，并將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU。GPS模塊主要負(fù)責(zé)獲取冷藏車的地理位置信息。LCD顯示模塊主要是將上述采集的信息顯示在LCD顯示屏上。按鍵模塊用于用戶對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置。4G無線傳輸模塊主要是將上述冷藏車的各種信息數(shù)據(jù)通過4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺(tái)中。攝像頭模塊主要用車廂內(nèi)圖像的采集。SWD程序下載模塊用于將程序下載到FLASH中，用來固化程序。USB串口模塊用于下載程序或者調(diào)試系統(tǒng)。

2.軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)車載終端監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和模塊功能以及接口進(jìn)行設(shè)計(jì)后，在實(shí)際過程中要實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變量監(jiān)控以及發(fā)送到云平臺(tái)還需要軟件的配合，嵌入式的軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)特定的硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件和硬件結(jié)合，并且協(xié)調(diào)配合，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控冷藏車內(nèi)的環(huán)境情況。

軟件是整個(gè)車載終端監(jiān)控系統(tǒng)的大腦，所以軟件的設(shè)計(jì)的好壞決定一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在軟件設(shè)計(jì)上此項(xiàng)目主要采用了模塊化設(shè)計(jì)方法。主要包括了溫濕度采集模塊程序方案設(shè)計(jì)、PH傳感模塊程序方案設(shè)計(jì)、GPS模塊程序方案設(shè)計(jì)、RFID射頻識(shí)別模塊程序方案設(shè)計(jì)、4GDTU模塊程序方案設(shè)計(jì)、LCD顯示方案、攝像頭模塊圖像采集程序方案設(shè)計(jì)。最終通過定時(shí)器和按鍵實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的邏輯。

三、系統(tǒng)測(cè)試

由于場(chǎng)地、車輛客觀條件限制，我們的測(cè)試環(huán)境主要是室內(nèi)環(huán)境。首先是將車載終端上電，觀察各個(gè)模塊是否正運(yùn)行并且檢測(cè)是否收到正確的數(shù)據(jù)。接下來登陸云平臺(tái)觀察云平臺(tái)和手機(jī)APP上數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)和車載終端監(jiān)控系統(tǒng)LCD顯示的數(shù)據(jù)是否一致，地點(diǎn)標(biāo)定是否正確，并且測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

測(cè)試條件如下：

（1）測(cè)試地點(diǎn)：黑龍江省寶清縣

（2）實(shí)驗(yàn)器件和設(shè)備：STM32F10ZET6開發(fā)板、溫濕度傳感模塊、PH傳感模塊、GPS/BEIDOU定位模塊、4GDTU模塊、RFID射頻識(shí)別模塊，及相關(guān)測(cè)試軟件。在測(cè)試中，分為車載終端測(cè)試、云平臺(tái)和手機(jī)APP測(cè)試。

車載終端上電后，LCD顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。車載終端視頻監(jiān)控界面如圖5所示。

登陸ONENET云平臺(tái)網(wǎng)頁。通過車載終端的按鍵手動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)網(wǎng)頁上是否及時(shí)更新數(shù)據(jù)并且是否和車載終端顯示的數(shù)據(jù)一致。結(jié)果表明。云平臺(tái)的數(shù)據(jù)及時(shí)更新并且云平臺(tái)的數(shù)據(jù)和車載終端顯示的數(shù)據(jù)一致。除此之外，查看云平臺(tái)的位置標(biāo)定是否正確。云平臺(tái)還可以存儲(chǔ)一定的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

登陸手機(jī)APP，觀察到得到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁上的數(shù)據(jù)相同，并且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也符合預(yù)期要求。APP中的位置標(biāo)定也和網(wǎng)頁中的相同，是終端所在的位置。通過手機(jī)APP我們還可以下發(fā)控制命令到車載終端，我們可以通過APP遠(yuǎn)程控制車廂的車門開關(guān)（這里用舵機(jī)模擬車廂的開關(guān)），并且可以通過APP來獲取目前冷藏車的GPS定位信息。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)控制效果很好，延時(shí)很低。手機(jī)APP界面如圖6所示。

四、結(jié)語

本文針對(duì)冷流物流過程中的實(shí)際需求，對(duì)影響冷鏈運(yùn)輸貨物的質(zhì)量的環(huán)境因素進(jìn)行分析，并從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)方面提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的冷鏈物流車載終端監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)溫濕度監(jiān)控、PH值測(cè)定、冷藏車的定位、貨物的識(shí)別、冷藏車廂內(nèi)的視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)等功能。加強(qiáng)了冷鏈物流的數(shù)字化、規(guī)范化、可視化，便于冷鏈物流的管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]童光森，超市生鮮蔬果損耗因素及對(duì)策研究[J].四川旅游學(xué)院報(bào)，2019（06）：30-32.

[2]蔡焱，基于GPS和RFID的冷鏈物流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)車載終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2017.

[3]喜崇彬，零售冷鏈物流發(fā)展新變化——訪京東冷鏈戰(zhàn)略規(guī)劃負(fù)責(zé)人李秀強(qiáng)[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2020，25（03）：108-110.

[4]孫明燕，蘭洪杰，黃鋒權(quán).冷鏈定義淺析[J].物流技術(shù)，2007，26（10）：29-31.

[5]仇佳威，冷藏車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2019.

[6]李博文，基于RFID冷鏈物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].華北理工大學(xué)，2017.

項(xiàng)目名稱：

基于物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)及無源無線傳感系統(tǒng)的冷物流品質(zhì)感知與可追溯平臺(tái)，項(xiàng)目編號(hào)：S202010429088，項(xiàng)目基金：S202010429088

（作者單位：青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院）