基于OneNET的冷鏈車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

吳泓江

摘要：針對目前冷鏈運輸信息監(jiān)測嚴重滯后、運輸過程斷鏈等一系列問題，文章設(shè)計了基于OneNET的冷鏈車監(jiān)控系統(tǒng)，以保證運輸安全。該系統(tǒng)由STM32F103ZET6、NB-IoT模塊、GPRS模塊、OneNET云平臺、Lora模塊等傳感器組成，在云平臺上可以對其運行過程中的狀態(tài)進行監(jiān)控，在設(shè)備發(fā)生翻車等意外情況時會發(fā)出報警，并在云端顯示車輛當(dāng)前所處的位置。

關(guān)鍵詞：冷鏈運輸；STM32F103ZET6；NB-IoT；傳感器

中圖分類號：TP212.6? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國冷鏈物流市場需求的不斷擴大，冷鏈物流行業(yè)的技術(shù)要求也在不斷提高，然而行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作嚴重滯后，冷藏、運輸及配送過程均處于薄弱環(huán)節(jié)［1-3］。這其中面臨的最大問題就是“斷鏈”，即無法保證全程恒溫［4-6］。而斷鏈問題之所以突出，主要在于我國冷鏈物流還比較分散，市場集中度較低，整個行業(yè)以“中、小、散”企業(yè)為主，一些企業(yè)往往競爭無序、價格混亂，造成在冷鏈運輸中監(jiān)控不到位、標(biāo)準(zhǔn)不落地等問題時有發(fā)生［7-10］。

因此，本文借助北斗定位系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)、智能傳感器檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及云計算等新興技術(shù)，設(shè)計了基于OneNET的冷鏈車監(jiān)控系統(tǒng)，對產(chǎn)品運輸過程進行位置信息采集、無線傳輸、實時檢測等一系列監(jiān)測，同時進行圖表、地圖的多維度分析，以解決冷鏈運輸中存在的信息監(jiān)測嚴重滯后、運輸過程斷鏈等一系列問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)由STM32F103ZET6、NB-IoT模塊、GPRS模塊、OneNET云平臺、Lora模塊等傳感器組成，采用STM32和ATK1218-BD GPS定位模塊，實現(xiàn)運輸系統(tǒng)位置的準(zhǔn)確定位，再收集各傳感器上的數(shù)值上報到OneNET云平臺，具有自動報警、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、電腦端實時查詢等功能。系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的主控制器使用32位的STM32F103ZET6單片機，其主要針對高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用開發(fā)。STM32F103ZET6芯片內(nèi)核是Cortex-M3 CPU，它在正常范圍內(nèi)工作能達到的最大頻率為72 MHz。與此同時，芯片內(nèi)部還配備512 KB的閃存存儲器、64 KB的SRAM、定時器、5個USART接口和12通道的DMA控制器等資源。此外，STM32F103ZET6還提供112個快速I/O端口供開發(fā)者使用，正常工作電壓2～3.6 V，其提供串行調(diào)試和JTAG接口兩種調(diào)試模式方便用戶進行程序修改和調(diào)試。該單片機開發(fā)板上除了嵌入的STM32F103ZET6芯片外，還添加如晶振電路、電源管理電路、實時時鐘電路等常用的單片機設(shè)計電路，并將大部分I/O引腳引出供開發(fā)者使用。

2.1 無線通信模塊

無線通信模塊選用NB-IoT和SIM900A，NB-IoT開發(fā)板搭載中移物聯(lián)網(wǎng)公司自主研發(fā)的M5310-A模組，內(nèi)嵌有CoAP、UDP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及OneNET平臺自帶的AT指令集，采用了低功耗技術(shù)，當(dāng)它以深度睡眠模式運行時，電流功耗可以下降至5 μA。SIM900A模塊是一種GPRS模塊，該開發(fā)板設(shè)計好了必需的電路，如串口電路、SIM卡電路、天線和電源電路，為用戶減小了硬件上的開發(fā)負擔(dān)，適合于本項目中的短信電話告警功能。

2.2 電源模塊

考慮到傳感器的工作電壓普遍在12～36 V，因此，本系統(tǒng)采用明偉電氣的220 V轉(zhuǎn)12 V電源對多個傳感器進行供電，使用的LRS-150是一款性能極佳的封閉性電源供應(yīng)器，可以在-30 ℃到+70 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，其通過220 V交流電輸入，經(jīng)過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換和降壓，最后以12 V直流電源的形式輸出，為RS485傳感器提供電源。

2.3 穩(wěn)壓模塊

由于本系統(tǒng)電源模塊提供的電壓比較高，因此采用LM2596穩(wěn)壓模塊進行電壓調(diào)節(jié)。LM2596穩(wěn)壓模塊具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時可以產(chǎn)生5 V，3.3 V等各種電壓，電壓誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)。

2.4 制冷模塊

本系統(tǒng)選擇了帶有液冷散熱的制冷設(shè)備，通過該設(shè)備運輸車能在路途中一直保持我們所設(shè)定的目標(biāo)閾值，并且在溫度過高或者過低時自動調(diào)節(jié)溫度，以保證正常運輸。

2.5 語音報警模塊

在運輸過程中當(dāng)行駛的汽車發(fā)生傾斜或側(cè)翻時，報警模塊將發(fā)出語音信號提醒行駛的車輛駕駛員。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)開始運行，各模塊進行初始化，傳感器開始工作，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，比較得到的數(shù)據(jù)是否超過提前設(shè)置的閾值，如果超過則報警，如果未超過則由Lora1模塊傳輸，Lora2模塊接收成功后，通過主控芯片處理將完成后的環(huán)境參數(shù)以及GPS位置信息如溫度、地址、車輛安全信息等設(shè)備狀態(tài)信息上傳給OneNET云平臺，最后由云平臺將數(shù)據(jù)上傳成功的信息反饋給單片機，單片機收到確認信息后結(jié)束本次循環(huán)，開始下次采集，如果數(shù)據(jù)沒有上傳成功，則單片機重新發(fā)送數(shù)據(jù)至云平臺，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

3.2 SIM900A發(fā)短信程序設(shè)計

SIM900A通過初始化串口建立連接，并發(fā)送指令將SIM900A模塊設(shè)置成中文模式，然后設(shè)置聯(lián)系人并且發(fā)送短信。因為TE字符集設(shè)置的是UCS2，而項目采用Unicode編碼發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要使用中英文字符編碼查詢軟件將數(shù)字或漢字編碼成相應(yīng)的Unicode。設(shè)置好發(fā)送參數(shù)后，通過AT指令激活發(fā)送，之后在接收方的手機端即可收到剛剛編輯好的短信。STM32在發(fā)送完中文短信之后，將發(fā)送短信任務(wù)掛起，以防止短時間內(nèi)多次發(fā)送短信，如果發(fā)送過程中出現(xiàn)錯誤，同樣設(shè)置錯誤標(biāo)志位，由錯誤分析任務(wù)檢測確認后，再恢復(fù)任務(wù)重新發(fā)送短信。

3.3 語音報警程序設(shè)計

首先，設(shè)計者需要對STM32單片機的串口5進行初始化，接著通過串口發(fā)送更改音量的數(shù)據(jù)幀并修改播報時喇叭的音量，再檢測當(dāng)前所需文件是否存在，如果存在，則直接發(fā)送對于數(shù)據(jù)幀播報的命令；如果不存在，則設(shè)置相應(yīng)錯誤標(biāo)志位并且掛起任務(wù)。而且由于語音模塊只能播報存在于TF卡中的MP3音頻文件，所以本系統(tǒng)采用百度云天工平臺的語音合成功能合成項目所需的音頻。登錄百度云官網(wǎng)并創(chuàng)建項目獲得App_ID，API_Key和Secret_Key 3個密鑰，之后程序里就會被填入代碼實現(xiàn)特定功能。

3.4 數(shù)據(jù)上傳云平臺設(shè)計

首先確保M5310-A模塊與OneNET平臺已經(jīng)連接完成，這步檢查聯(lián)網(wǎng)標(biāo)志位即可確認。接下來，設(shè)計者利用STM32獲取用戶定義的數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流的內(nèi)容信息通過函數(shù)轉(zhuǎn)換成符合M5310-A模組規(guī)范的命令格式，通過“AT+NOTIFY”指令加上后綴參數(shù)發(fā)往OneNET云平臺。如果平臺響應(yīng)正確，則轉(zhuǎn)向發(fā)送下一條數(shù)據(jù)，否則重發(fā)當(dāng)前消息。

3.5 云平臺頁面設(shè)計

完成數(shù)據(jù)上傳后，設(shè)計者還需要在云平臺上顯示頁面，并對控制頁面進行設(shè)置。首先，設(shè)計者對頁面以及設(shè)計的內(nèi)容進行編輯，在網(wǎng)頁的左側(cè)選擇基礎(chǔ)元素里的儀表盤，將其拖拽到主頁面里，點擊拖拽進來的儀表盤，可以看到網(wǎng)頁右側(cè)出現(xiàn)了屬性選項，在屬性里選擇數(shù)據(jù)流；其次，根據(jù)在云平臺上訂閱的資源，選擇設(shè)備為遠程監(jiān)控系統(tǒng)，選擇數(shù)據(jù)流為程序內(nèi)設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)流，然后設(shè)置刷新頻率為3 s。這是因為數(shù)據(jù)上傳到云平臺的過程有設(shè)備心跳，最短時間為3 s；最后，在數(shù)值設(shè)置里將表盤單位設(shè)置為攝氏度，最大值設(shè)置為50。

4 系統(tǒng)測試

通過前期選擇的元器件和編寫軟件程序，并結(jié)合整體電路設(shè)計，搭建實物成品，部分容易松動的線路需要用熱熔膠固定。系統(tǒng)實物如圖2所示。各模塊編碼完成后，燒錄到對應(yīng)的開發(fā)板，然后在電腦端將STM32與OneNET云平臺連接并進行功能測試，各傳感器將測量到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺。具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

5 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及冷鏈物流行業(yè)相關(guān)政策的出臺，加速了全國冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施布局，為國內(nèi)冷鏈物流發(fā)展?fàn)I造了良好的生態(tài)環(huán)境。今后冷鏈物流在人們生活中的作用將變得越來越重要。本文利用北斗定位系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)、智能傳感器檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及云計算等新興技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了基于OneNET的冷鏈車監(jiān)控系統(tǒng)，基本解決了冷鏈物流行業(yè)現(xiàn)階段存在的問題，具有較好的實用價值。

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（編輯 王雪芬）

Design of cold chain vehicle monitoring system based on OneNET

Wu? Hongjiang

（Engineering Training Center， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： Aiming at a series of problems such as the serious lag of information monitoring of cold chain transportation and the broken chain in the transportation process， a monitoring system of cold chain vehicle based on OneNET is designed to ensure the transportation safety. The system is composed of STM32F103ZET6， NB-IoT module， GPRS module， OneNET cloud platform， Lora module and other sensors. On the cloud platform， the state during its operation can be monitored， and an alarm will be sent in case of equipment rollover and other unexpected situations， and the current position of the vehicle will be displayed on the cloud.

Key words： cold chain transportation; STM32F103ZET6; NB-IoT; sensor