溫濕度實時記錄儀及智能監(jiān)控平臺

楊平 劉在英 張麗曉

摘要：論文實現(xiàn)了一個基于蜂窩網(wǎng)路的溫濕度實時記錄儀，硬件采用芯片級設(shè)計方案，在信號、功耗、續(xù)航、定位及穩(wěn)定性等方面較同類產(chǎn)品有了很大的提升。智能監(jiān)控平臺包括6個子系統(tǒng)：GIS地理信息系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和實時報警系統(tǒng)，對冷鏈物流的全過程中的溫濕度、位置等信息進行實時監(jiān)控與管理。該設(shè)備已經(jīng)投入市場，收到用戶的一致好評。

關(guān)鍵詞：冷鏈物流;溫度控制;智能監(jiān)控

中圖分類號：TP277.2

文獻標志碼：A

IntelligentMonitoringSystemforRealtime

RecorderofTemperatureandHumidity

YANGPing，LIUZaiying，ZHANGLixiao

（

SchoolofInformationScienceandTechnology，ShanghaiSandaUniversity，Shanghai201209，China

）

Abstract：Thepaperrealizesarealtimerecorderfortemperatureandhumiditypositioningbasedoncellularnetwork.Thehardwaredesignadoptschipleveldesignscheme，whichhasgreatlyimprovedtheperformanceofsignal，powerconsumption，batterylife，positioningandstability.Theintelligentmonitoringplatformhassixsubsystems：GISgeographicinformationsubsystem，usermanagementsubsystem，equipmentmanagementsubsystem，dataprocessingsubsystem，dataanalysissubsystemandrealtimealarmsubsystemtomonitorandmanagethetemperatureandhumidityofcoldchainlogisticsinrealtime.Theequipmenthasbeenputintothemarketandreceivedfavorablecommentsfromusers.

Keywords：coldchainlogistics;temperaturecontrol;intelligentmonitoring

0引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對于食品和藥品的安全也越來越重視。2019年6月29日通過《中華人民共和國疫苗管理法》中第三十七條“疾病預(yù)防控制機構(gòu)、接種單位、疫苗上市許可持有人、疫苗配送單位應(yīng)當遵守疫苗儲存、運輸管理規(guī)范，保證疫苗質(zhì)量。疫苗在儲存、運輸全過程中應(yīng)當處于規(guī)定的溫度環(huán)境，冷鏈儲存、運輸應(yīng)當符合要求，并定時監(jiān)測、記錄溫度?！盵1]。冷鏈物流中，對物品存儲時間、溫度、濕度以及運輸時間等參數(shù)都需要進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)人工采集和書面記錄方法已經(jīng)不能滿足要求。從生產(chǎn)到銷售環(huán)節(jié)采用全過程低溫控制的冷鏈物流技術(shù)應(yīng)運而生。冷鏈物流實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了食品和藥品運輸過程的規(guī)范化、可控化、可視化[2]。

目前，冷鏈溫度的監(jiān)測多為射頻識別技術(shù)（RFID）和安全數(shù)碼卡（SD）溫度記錄系統(tǒng)，使用RFID的局限性有：（1）RFID需要配備專門的讀取設(shè)備，不便于在移動物流過程中使用;（2）作用距離短（一般最長為幾十米）;（3）數(shù)據(jù)的安全隱私保護不足[3]。所以，本文方案采用移動式蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及云平臺數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時對冷鏈物流的全過程監(jiān)控，實現(xiàn)了冷鏈物流過程中貨物的地理位置信息和環(huán)境溫濕度的實時采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸，監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收、存儲、查詢，地圖顯示及實時報警通知，對運輸過程實時遠程監(jiān)控，保障了冷鏈運輸過程中物品的質(zhì)量安全。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件主要為無線溫濕度實時記錄儀，軟件為智能監(jiān)控云平臺。通過記錄儀設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集，將采集到的貨物或環(huán)境溫濕度、位置等數(shù)據(jù)通過移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)云平臺，在云平臺上對數(shù)據(jù)進行記錄、分析、報警和存儲等，從而實現(xiàn)對冷鏈物流全鏈條的實時監(jiān)控[4]。智能監(jiān)控平臺體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

實現(xiàn)云平臺的服務(wù)器有：網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（MySQL/Mongo/Redis）、WEB/WAP服務(wù)器、日志服務(wù)器、災(zāi)備服務(wù)器等。

2硬件設(shè)計

2.1終端設(shè)備的功能

硬件的設(shè)計分五個模塊：溫度顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、

本地報警模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊以及電源管理模塊。設(shè)備的外觀設(shè)計，如圖2所示。

設(shè)備的大液晶屏，用來實時顯示冷鏈設(shè)備內(nèi)部的溫濕度。數(shù)據(jù)采集模塊，采用數(shù)字式溫濕度傳感芯片實時采集記錄數(shù)據(jù)，本地報警模塊，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測貨物的溫濕度狀況，一旦出現(xiàn)異常值，本地報警模塊將自動觸發(fā)聲光報警，提醒人員盡快采取措施，同時將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊上傳到云平臺。報警的機制可以根據(jù)客戶要求設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，是整個產(chǎn)品的通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，設(shè)備的溫濕度、位置等數(shù)據(jù)采用私有協(xié)議，通過通訊模塊實時傳輸?shù)皆破脚_，在云端進行進一步分析處理，并實時根據(jù)需要觸發(fā)平臺報警，從而實現(xiàn)冷鏈溫濕度的立體化實時監(jiān)控。電源管理模塊則控制設(shè)備供電系統(tǒng)，盡可能為設(shè)備提供穩(wěn)定持久的電力，并將低電、斷電、充電等特殊狀態(tài)實時上報云平臺，以便管理人員及時采取相應(yīng)措施。

2.2芯片級設(shè)計方案

大多傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸部分均采用單個無線通信模塊的設(shè)計方案，如圖3所示。

雖然設(shè)計簡單，但帶來的問題是：功耗大，信號一般，一致性差，抗電磁干擾性差。綜合多方面性能考慮，我們采用芯片級設(shè)計方案，如圖4所示。

與模塊級設(shè)計方案比較，芯片級設(shè)計方案的優(yōu)勢有：

（1）信號更穩(wěn)定：射頻芯片到天線之間的射頻信號通路轉(zhuǎn)接較少，信號損失也較小;

（2）體積更小，使用更方便：芯片級設(shè)計方案厚度更薄，設(shè)備可以做的更小巧。在更小的空間內(nèi)做更優(yōu)性能的產(chǎn)品;

（3）一致性好：無線溫度計批量生產(chǎn)射頻沒有校準，但是模塊與主板之間的連接，以及主板與天線連接方式的離散特性，導(dǎo)致整機的射頻性能無法保證;

（4）功耗更優(yōu)：通信單元的功耗，占總功耗的90%，如果使用模塊設(shè)計方案，設(shè)計者無法從系統(tǒng)上對通信單元的功耗進行優(yōu)化設(shè)計;

（5）數(shù)據(jù)更穩(wěn)定：采用模塊設(shè)計時射頻信號與數(shù)字信號之間的電磁兼容設(shè)計考慮不足，導(dǎo)致通信單元工作時射頻信號干擾溫度數(shù)據(jù)采集單元的正常工作。

2.3測試結(jié)果

采用芯片級設(shè)計方案，在信號、功耗、續(xù)航、定位、穩(wěn)定性方面性能有了很大的提升。

（1）信號

信號強度和接收靈敏度高于行業(yè)同類產(chǎn)品4個dB左右，等效于與基站的通信距離比采用模塊設(shè)計方案遠60%，有效工作范圍較同類產(chǎn)品增大150%。

（2）功耗

在-80dBm～-90dBm的接收信號強度條件下，實測24小時的平均工作電流，行業(yè)同類產(chǎn)品普遍6毫安以上（甚至還有15毫安以上的產(chǎn)品），本方案采用芯片級設(shè)計，平均工作電流僅為3毫安以內(nèi)。

（3）續(xù)航

通過對通訊單元芯片電路、固件驅(qū)動自主設(shè)計和優(yōu)化，達到設(shè)備整體功耗最低的狀態(tài)。測試采用內(nèi)置3500mAH的電池，以每15分鐘上報一次數(shù)據(jù)，平均工作時間達到50天以上。

（4）定位

考慮到實際運輸過程中，車廂、貨物包裝內(nèi)部是無法接收GPS信號的，本方案采用LBS定位方案。良好的接收靈敏度使本產(chǎn)品的定位盲區(qū)比行業(yè)同類產(chǎn)品減少60%左右。

（5）穩(wěn)定性

在同樣弱信號的情況下，測試采用模塊化設(shè)計方案和采用芯片級設(shè)計方案的數(shù)據(jù)傳輸情況，如表1、表2所示。

測試結(jié)果表明采用芯片級設(shè)計方案傳輸數(shù)據(jù)，實時上報數(shù)據(jù)零丟失，性能更穩(wěn)定。本方案在設(shè)計時，考慮了電磁兼容性設(shè)計和軟件模擬仿真，有效規(guī)避了電磁干擾，保證系統(tǒng)各單元互不干擾，產(chǎn)品擁有更好的電磁兼容性，數(shù)據(jù)采集、傳輸也更穩(wěn)定。

3軟件設(shè)計

智能監(jiān)控平臺包括6個子系統(tǒng)，分別為：GIS地理信息系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實時報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。云平臺的功能結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.1GIS地理信息系統(tǒng)

考慮到運輸行業(yè)的位置不確定性，平臺的GIS系統(tǒng)支持全球范圍的數(shù)據(jù)信息。采用了獨創(chuàng)的多種地圖資源混合使

用的方式，既可以在國內(nèi)使用，也可以支持海外的地圖信息。自主研發(fā)的AI定位輔助功能，可自動糾偏，自主學(xué)習(xí)，提升定位的精度和速度。2019年6月設(shè)備在全球使用情況如圖6所示。

3.2用戶管理系統(tǒng)

平臺支持有多級用戶管理策略，分管理員、用戶、子管理員、子用戶多層級多種角色，根據(jù)用戶的層級擁有不同的使用權(quán)限，管理員可以添加、刪除子管理員和直屬用戶，并且給子管理員或直屬用戶分配、收回設(shè)備的使用及查看權(quán)限。子管理員可以建立直屬的子用戶，并對其權(quán)限進行調(diào)整分配。

3.3設(shè)備管理系統(tǒng)

使用者可以通過云平臺的設(shè)備管理系統(tǒng)，對于設(shè)備進行：添加、刪除、分配、回收等權(quán)限操作，也可以通過平臺對設(shè)備進行遠程參數(shù)設(shè)置，例如設(shè)置數(shù)據(jù)上報時間，數(shù)據(jù)采集時間，報警閾值，報警通知人，運輸輔助信息，位置通知設(shè)定等。

記錄間隔時間指的是設(shè)備每隔多少時間采集并記錄一次數(shù)據(jù)，存儲在設(shè)備本地。1分鐘～60分鐘可設(shè)置，根據(jù)設(shè)備類型不同而定，實際極限可以1秒采集一次。上報間隔時間指的是設(shè)備每隔多少時間，將本地數(shù)據(jù)同步到云服務(wù)器一次，并采集一次位置信息。此時間對設(shè)備續(xù)航時間有決定性影響，10～120分鐘可選，實際極限可達到1分鐘上報一次。

3.4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)控數(shù)據(jù)（溫度、濕度、震動、光線、氣壓等）的采集、解包、分析、存儲，設(shè)備狀態(tài)（時間、電量、位置等）獲取，以及設(shè)備數(shù)據(jù)的下發(fā)。

數(shù)據(jù)采用多節(jié)點分布式全備份方式存儲，保障了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和安全。

3.5數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，當記錄結(jié)束后，將自動生成PDF報表，設(shè)備端、平臺端都可以查看;也可以在平臺上查看更詳盡的數(shù)據(jù)分析;并可根據(jù)時間、用戶、設(shè)備等進行統(tǒng)計匯總，生成相關(guān)報告，便于后續(xù)的問題分析、追溯。

3.6實時報警系統(tǒng)

當設(shè)備端的監(jiān)控數(shù)據(jù)超限時，將打破上傳間隔時間的規(guī)律，直接上報平臺。平臺收到數(shù)據(jù)后，將根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的信息，通過短信、手機APP、電子郵件等方式通知相關(guān)人員及時處理。

位置通知功能，當設(shè)備抵達預(yù)設(shè)地點一定范圍內(nèi)時，平臺可以通知設(shè)備或者相關(guān)人員，準備下一步工作。例如：抵達機場附近，通知設(shè)備進入飛行模式;或者抵達目的地，通知相關(guān)人員準備驗貨等。

3.7平臺實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)類型不同，采用了不同的數(shù)據(jù)庫存儲方式，有MySQL、Mongo和Redis數(shù)據(jù)庫，有效地提升了數(shù)據(jù)庫的操作效率。

平臺的Web前端采用Node.js進行設(shè)計開發(fā);Web后端采用Java編寫，實現(xiàn)與后臺進行數(shù)據(jù)交互，為Web前端提供展示數(shù)據(jù)等功能;后臺管理采用Java開發(fā)，完成Gateway和CoreCenter模塊，實現(xiàn)對設(shè)備中數(shù)據(jù)的采集、解析，對數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查等操作。

4總結(jié)

該實時記錄儀及智能監(jiān)控云平臺適合冷鏈物流過程中各種場景使用：內(nèi)投、外顯、倉儲、車載、空運、海運等;可以監(jiān)測多種數(shù)據(jù)：溫度、濕度、氣壓、光線、震動、位置、軌跡、時間、電量等;還可以監(jiān)測多溫度段：常溫、冷藏（2～8°C）、冷凍（-20°C）、干冰（-78.5°C）、液氮（-196°C）。

該產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好;結(jié)實耐用，安裝方便;信號強、接收靈敏度高;功耗低續(xù)航時間更長;產(chǎn)品無線性能穩(wěn)定;設(shè)備、云平臺監(jiān)控都能夠覆蓋全球物流運輸范圍。

監(jiān)控平臺實現(xiàn)了對冷鏈物流過程的全程實時監(jiān)控，能完全避免人為因素的違規(guī)操作，有效地降低了貨損。并且本系統(tǒng)可以與客戶的ERP系統(tǒng)對接，可自動化設(shè)置監(jiān)控參數(shù)、運單信息等數(shù)據(jù)，提升了工作效率和保障了數(shù)據(jù)的正確性。該設(shè)備已經(jīng)投入市場，收到各行用戶的一致好評。

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（收稿日期：2019.08.20）