高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄒朋君 劉韜

摘? 要：高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在高原地區(qū)發(fā)揮較大的商業(yè)用途。以川西高原為例，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋村莊及主要交通道路。在高原企業(yè)向牧民收購(gòu)農(nóng)牧產(chǎn)品時(shí)，本系統(tǒng)利用車(chē)輛移動(dòng)解決了部分地區(qū)無(wú)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所造成的數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸問(wèn)題。運(yùn)輸車(chē)輛返回工廠前，數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳至云端，企業(yè)可查看到運(yùn)輸車(chē)輛的收購(gòu)信息，做好進(jìn)廠驗(yàn)收準(zhǔn)備和產(chǎn)量預(yù)估等工作。本系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)高原地區(qū)極具應(yīng)用價(jià)值，必將能提升高原企業(yè)的信息化程度。

關(guān)鍵詞：高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu);收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);非即時(shí)車(chē)載傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

川西高原指四川省西部與青海、西藏交界的高海拔地區(qū)，平均海拔4000米以上，總面積約23.6萬(wàn)平方公里。該地區(qū)草地物種豐富、氣候寒冷，畜牧業(yè)成為了當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕?jīng)濟(jì)來(lái)源。四川阿壩州紅原縣是川西高原4個(gè)典型發(fā)展畜牧業(yè)的縣之一，當(dāng)?shù)靥烊徊輬?chǎng)面積達(dá)1158.03萬(wàn)畝，牦牛存欄63萬(wàn)余頭。近年來(lái)紅原奶粉廠不斷發(fā)展壯大，現(xiàn)年產(chǎn)量超過(guò)10萬(wàn)噸，但是企業(yè)在鮮奶都收購(gòu)環(huán)節(jié)信息化程度較低，制約了企業(yè)的發(fā)展。

本次研究以紅原奶粉廠鮮奶收購(gòu)為背景。研究目的是解決紅原奶粉廠鮮奶收購(gòu)過(guò)程中，由于川西高原移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全面，導(dǎo)致部分區(qū)域收購(gòu)鮮奶時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)耐袋c(diǎn)。研究過(guò)程中嘗試過(guò)利用車(chē)載無(wú)線電臺(tái)或北斗衛(wèi)星短報(bào)文功能來(lái)解決這一問(wèn)題，利用無(wú)線電進(jìn)行傳輸開(kāi)發(fā)難度大不易實(shí)現(xiàn)，北斗衛(wèi)星短報(bào)文傳輸長(zhǎng)期使用費(fèi)用高昂，因此最終設(shè)計(jì)了高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本系統(tǒng)利用收購(gòu)運(yùn)輸車(chē)輛收購(gòu)過(guò)程中一直在運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在無(wú)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)⑹召?gòu)數(shù)據(jù)臨時(shí)保存在車(chē)載終端，當(dāng)運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)行到有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)⒆詣?dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可以在運(yùn)輸車(chē)輛回到企業(yè)之前就將收購(gòu)數(shù)據(jù)先行傳回，企業(yè)可以提前做好進(jìn)廠驗(yàn)收的準(zhǔn)備。從長(zhǎng)期來(lái)看，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，為未來(lái)企業(yè)產(chǎn)品向溯源方向發(fā)展也奠定了基礎(chǔ)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為三層，即數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層需實(shí)現(xiàn)收購(gòu)信息的錄入。工作人員將手持終端連接上車(chē)載終端發(fā)射的WiFi信號(hào)后，打開(kāi)收購(gòu)專(zhuān)用APP進(jìn)行收購(gòu)信息的錄入。以紅原奶粉廠為例，收購(gòu)信息包括牧民信息、收購(gòu)鮮奶重量、初檢是否通過(guò)、收購(gòu)工作人員工號(hào)，以及運(yùn)輸車(chē)輛編號(hào)。牧民信息的錄入，可以在奶粉廠統(tǒng)一配發(fā)的收奶桶上粘貼身份信息二維碼，收購(gòu)時(shí)APP掃描二維碼識(shí)別錄入;亦或者收購(gòu)現(xiàn)場(chǎng)讀取牧民的身份證，身份證閱讀器可通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線連接手持終端，也可通過(guò)數(shù)據(jù)線連接手持終端。其他收購(gòu)信息手動(dòng)輸入即可。由于紅原奶粉廠收購(gòu)價(jià)格透明且長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此收購(gòu)信息傳到云端后，牧民應(yīng)得收益會(huì)再根據(jù)每千克收購(gòu)價(jià)格乘以收購(gòu)重量在云端計(jì)算，減少傳輸不必要的數(shù)據(jù)，提升傳輸速度并降低成本。

數(shù)據(jù)采集層還需實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸農(nóng)牧產(chǎn)品途中儲(chǔ)存環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的獲取，工作原理是通過(guò)溫度傳感器定時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸車(chē)輛儲(chǔ)存區(qū)域溫度數(shù)據(jù)傳輸給車(chē)載終端。溫度傳感器的選型需考慮高原寒冷氣候，紅原縣歷史最高溫度為28℃，歷史最低溫度為-30℃，因此傳感器工作溫度和測(cè)量范圍均需大于-30℃至28℃這個(gè)溫度區(qū)間。此外，溫度傳感器的選型還需考慮運(yùn)輸物品、企業(yè)運(yùn)輸需求、靈敏度、誤差范圍、部署位置及數(shù)量。

傳輸層主控部分為車(chē)載終端。數(shù)據(jù)輸入有兩個(gè)部分，其一為感知層溫度傳感器的定時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果保存到車(chē)載終端;其二為車(chē)載終端發(fā)射WiFi信號(hào)，建立與收購(gòu)工作人員手持終端的連接，人機(jī)交互錄入收購(gòu)數(shù)據(jù)。車(chē)載終端除了收集和保存數(shù)據(jù)外，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行切分打包處理，具體內(nèi)容將在本文下一節(jié)詳細(xì)介紹。

網(wǎng)絡(luò)層是本次研究的關(guān)鍵。川西高原尚未全面覆蓋移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，因此企業(yè)在部分無(wú)移動(dòng)信號(hào)地區(qū)收購(gòu)時(shí)只能由工作人員手寫(xiě)記錄統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致企業(yè)工作效率低、信息化程度低，并且錯(cuò)誤率無(wú)法降低。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)收購(gòu)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸量小、企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求并非很高，因此本系統(tǒng)利用運(yùn)輸車(chē)輛的位置變化，連接移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸可解決無(wú)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。

運(yùn)輸車(chē)輛在每個(gè)站點(diǎn)收購(gòu)時(shí)，只是部分站點(diǎn)沒(méi)有移動(dòng)通信信號(hào)的覆蓋。因此，運(yùn)輸車(chē)輛停在無(wú)信號(hào)的站點(diǎn)收購(gòu)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)保存在車(chē)載終端中;當(dāng)運(yùn)輸車(chē)運(yùn)行到有信號(hào)的站點(diǎn)，或運(yùn)輸途中有信號(hào)時(shí)，由于數(shù)據(jù)量不大，可將數(shù)據(jù)快速發(fā)送至云端。由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是利用電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，電磁波傳輸速度非?？欤踔帘贿\(yùn)用到了地震預(yù)警中，因此運(yùn)輸車(chē)回到企業(yè)之前數(shù)據(jù)可全部傳輸完畢。收購(gòu)運(yùn)輸車(chē)回到企業(yè)后，企業(yè)將車(chē)輛車(chē)牌號(hào)與云端數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，就可以進(jìn)行入廠檢驗(yàn)等工作，整個(gè)過(guò)程綠色無(wú)紙化，并且避免了人工統(tǒng)計(jì)時(shí)計(jì)算錯(cuò)誤等問(wèn)題。

2 系統(tǒng)車(chē)載終端

2.1 車(chē)載終端的結(jié)構(gòu)

車(chē)載終端是系統(tǒng)中非常重要的部分，作為傳輸層的主控部分部署在收購(gòu)運(yùn)輸車(chē)上，隨車(chē)輛移動(dòng)而移動(dòng)。車(chē)載終端分為四個(gè)模塊，分別是無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和人機(jī)交互模塊。車(chē)載終端的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

無(wú)線通信模塊可分為兩個(gè)部分。向外傳輸數(shù)據(jù)部分，用于建立車(chē)載終端與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之間的連接，向云端傳輸數(shù)據(jù)。該部分采用雙模通信的方式，支持GPRS/GSM和TD-SCDMA，GPRS/GSM為第二代通訊技術(shù)（2G），支持中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通兩家運(yùn)營(yíng)商;TD-SCDMA為第三代通訊技術(shù)（3G），是中國(guó)移動(dòng)自主研發(fā)的3G網(wǎng)絡(luò)。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，2G與3G雙模通訊的方式足以在川西高原地區(qū)完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。之所以不使用4G進(jìn)行通信，是因?yàn)槭紫?G費(fèi)用稍貴，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需考慮企業(yè)長(zhǎng)期使用的成本問(wèn)題;其次3G發(fā)展比較早，信號(hào)穩(wěn)定且覆蓋范圍廣。

無(wú)線通信模塊的WiFi部分用于人機(jī)交互，通過(guò)發(fā)射WiFi信號(hào)連接收購(gòu)工作人員的手持終端進(jìn)行收購(gòu)數(shù)據(jù)的錄入。無(wú)線通信技術(shù)中常用WiFi、ZigBee和藍(lán)牙三種，從傳輸距離上比較，是WiFi>藍(lán)牙>ZigBee，WiFi的傳輸距離在100-300米，意味著運(yùn)輸車(chē)輛停靠稍遠(yuǎn)時(shí)，不影響農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)工作的進(jìn)行;從傳輸速度上比較，是WiFi>藍(lán)牙>ZigBee，WiFi傳輸速度能達(dá)到300Mbps，藍(lán)牙傳輸速度為1Mbps，因此WiFi在傳輸速度上有很大的優(yōu)勢(shì)，雖然傳輸數(shù)據(jù)量不大，但縮短傳輸時(shí)間能提升工作人員的操作體驗(yàn);由于WiFi傳輸距離遠(yuǎn)且傳輸速度快，因此WiFi的功耗也是三者中最大的，但該模塊安裝在運(yùn)輸車(chē)輛上，由汽車(chē)蓄電池進(jìn)行供電，WiFi稍高的功耗在本系統(tǒng)中影響不大。

數(shù)據(jù)處理模塊即車(chē)載終端主控模塊，可使用樹(shù)莓派（Raspberry Pi）或工控機(jī)，內(nèi)置Windows 10操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先數(shù)據(jù)處理模塊需要接收來(lái)自溫度傳感器和手持終端的數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)記錄時(shí)會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)分類(lèi)和打包處理，分類(lèi)即溫度數(shù)據(jù)和收購(gòu)數(shù)據(jù)是兩個(gè)文件不做合并，只在傳輸時(shí)將兩個(gè)文件打包傳輸;打包則是根據(jù)時(shí)間戳將記錄的數(shù)據(jù)切分為多段數(shù)據(jù)，再將兩個(gè)文件的同一時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳輸。最后數(shù)據(jù)處理模塊控制無(wú)線通信模塊，嘗試連接移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，若連接成功則將打包數(shù)據(jù)發(fā)送出去，若連接不成功則在后續(xù)運(yùn)輸途中，記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)不斷嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳感器模塊目前只設(shè)置了溫度傳感器，用于監(jiān)控運(yùn)輸途中貨物的儲(chǔ)存環(huán)境溫度，實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)企業(yè)所需額外增加傳感器設(shè)備。由于采用WiFi連接手持終端，因此人機(jī)交互模塊可使用智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等支持WiFi連接的設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程由車(chē)載終端的數(shù)據(jù)處理模塊控制，數(shù)據(jù)具體傳輸流程如圖3所示：

運(yùn)輸車(chē)輛啟動(dòng)后，車(chē)載終端通電啟動(dòng)并復(fù)位初始化。運(yùn)輸車(chē)輛駛離企業(yè)直至收購(gòu)結(jié)束返回企業(yè)，溫度傳感器在整個(gè)過(guò)程中都會(huì)定時(shí)讀取運(yùn)輸車(chē)貨物儲(chǔ)存區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，并將讀取時(shí)間和數(shù)據(jù)一條一條保存在車(chē)載終端。收購(gòu)時(shí)手持終端錄入得數(shù)據(jù)不會(huì)與溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合并在一起，分為兩個(gè)文件進(jìn)行保存。

在連接移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，本系統(tǒng)增加了一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)情況的判斷，即無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，判斷本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是否占用超過(guò)90%。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間若已經(jīng)使用了90%及以上則暫停收購(gòu)工作，剩余的10%數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間用于運(yùn)輸車(chē)輛返回企業(yè)途中溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的保存;反之則可以繼續(xù)收購(gòu)工作。雖然紅原縣不會(huì)存在多區(qū)域無(wú)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的狀況，但企業(yè)如若在實(shí)際使用中出現(xiàn)了極端情況，該措施可避免給企業(yè)造成數(shù)據(jù)缺失所帶來(lái)的麻煩。

此外，整個(gè)傳輸過(guò)程中如何切分?jǐn)?shù)據(jù)打包發(fā)送是關(guān)鍵點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)定收購(gòu)工作人員在每個(gè)站點(diǎn)收購(gòu)?fù)瓿珊簏c(diǎn)擊提交的時(shí)間，作為切分時(shí)間點(diǎn)。假設(shè)，收購(gòu)路線為從企業(yè)出發(fā)，依次途經(jīng)A、B、C三個(gè)收購(gòu)站點(diǎn)，再返回企業(yè)。運(yùn)輸車(chē)輛在A點(diǎn)收購(gòu)?fù)瓿珊?，?shù)據(jù)切分時(shí)間段為運(yùn)輸車(chē)輛從企業(yè)出發(fā)到A點(diǎn)收購(gòu)收購(gòu)?fù)瓿?，該時(shí)間段的兩個(gè)文件進(jìn)入打包待發(fā)送狀態(tài)，車(chē)載終端繼續(xù)記錄后續(xù)數(shù)據(jù)。若A點(diǎn)沒(méi)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)輸車(chē)輛前往B點(diǎn)途中則會(huì)不斷嘗試連接網(wǎng)絡(luò)，直至完成數(shù)據(jù)的傳輸。

當(dāng)運(yùn)輸車(chē)輛在B點(diǎn)完成收購(gòu)，數(shù)據(jù)切分時(shí)間段為從上一次數(shù)據(jù)切分時(shí)間點(diǎn)到B點(diǎn)收購(gòu)?fù)瓿?，即A到B路程和在B點(diǎn)收購(gòu)?fù)Ａ魰r(shí)間段內(nèi)的溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及在B點(diǎn)的收購(gòu)數(shù)據(jù)。這是系統(tǒng)的第二次數(shù)據(jù)打包，在C收購(gòu)?fù)瓿傻牡谌螖?shù)據(jù)打包同理。最后，運(yùn)輸車(chē)輛在C點(diǎn)收購(gòu)?fù)瓿珊蠓祷仄髽I(yè)，到達(dá)企業(yè)后收購(gòu)工作人員點(diǎn)擊收購(gòu)?fù)瓿?，由于返程途中沒(méi)有了收購(gòu)信息，只會(huì)向云端傳輸返程的溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的研究針對(duì)高原地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)工作中，數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸這一痛點(diǎn)所展開(kāi)，利用運(yùn)輸車(chē)輛移動(dòng)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了非即時(shí)傳輸?shù)母咴r(nóng)牧產(chǎn)品收購(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅解決了收購(gòu)工作中數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題，還提升了高原企業(yè)的信息化程度。未來(lái)還將對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)一步研究和調(diào)試，使其能夠落地到企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中。

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收稿日期：2019-11-16

*基金項(xiàng)目：西南民族大學(xué)研究生創(chuàng)新型科研基金項(xiàng)目“無(wú)信號(hào)高原地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸可行性研究”（CX2019SP131）。

作者簡(jiǎn)介：鄒朋君（1995—），男，云南紅河人，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。郵箱：zou2018@vip.qq.com。

通訊作者：劉韜（1978—），男，四川達(dá)州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。郵箱：21700053@swun.cn。