基于物聯(lián)網(wǎng)的冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)*

文亦驍 萬勇

四川省農(nóng)業(yè)機械研究設計院，四川成都

1 物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡延伸。它利用傳感器與智能設備對物體信息進行感知，并通過專用傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，從而達到對物理世界的精確感知與科學管理，最終實現(xiàn)信息采集的自動化，對目標的智能化識別、定位、追蹤以及監(jiān)控管理等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)主要由冷藏庫PLC控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端以及手機APP三個層次構(gòu)建而成?；谖锫?lián)網(wǎng)的冷藏庫遠程智能化監(jiān)控系統(tǒng)是通過傳感器、無線通訊、信息融合與處理等關鍵技術，采集冷藏庫溫濕度參數(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)控制終端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡層、應用層組成。

感知層是冷藏庫物聯(lián)網(wǎng)的底層，也是基礎層。主要用來獲取冷藏庫的實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。感知層是由傳感器節(jié)點單元組成，它通過傳感器獲取實時數(shù)據(jù)并通過4G網(wǎng)絡傳送到云服務器。感知層主要采集環(huán)境溫度、濕度等重要環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)采集時間短、精度較高。感知層由單片機、溫濕度傳感器、通信模塊以及其他控制模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)采用modbus-rtu通信端口協(xié)議與支持modbus-rtu協(xié)議的RS485接口傳感器搭建了物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

網(wǎng)絡層也叫傳輸層，處于該系統(tǒng)的中間層。網(wǎng)絡層是以ZigBee、RFID、4G、LoRa、NB-IoT無線通信技術為核心。網(wǎng)絡層負責傳送感知層采集的溫濕度數(shù)據(jù)到云端，再由應用層進行處理，同時又將應用層發(fā)出的命令信息送達PLC控制系統(tǒng)，進行環(huán)境調(diào)節(jié)。此外，數(shù)據(jù)還可通過傳輸層送至政府監(jiān)管部門，方便隨時調(diào)用。

應用層位于該系統(tǒng)頂層，是對事件決策起重要作用的系統(tǒng)“神經(jīng)中樞”，負責冷藏庫數(shù)據(jù)顯示、報警，感知層采集到的數(shù)據(jù)通過應用層傳遞給管理者，便于實時查看，實現(xiàn)了冷藏庫數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控。應用層主要是由服務器、軟件客戶端（PC監(jiān)控軟件以及手機端APP）組成。管理者還可以通過手機或電腦遠程控制PLC的I/O端口，以控制壓縮機、風機以及加濕器運行狀態(tài)，實現(xiàn)冷藏庫遠程監(jiān)管。

2 物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)功能

2.1 科學管理功能

冷藏庫科學管理，即根據(jù)貯藏農(nóng)產(chǎn)品品種、數(shù)量、貯藏天數(shù)以及用戶需求出發(fā)進行冷藏庫運行管理。而目前冷藏庫管理依靠的是人工模式，所有參數(shù)設定都是根據(jù)管理者經(jīng)驗進行，貯藏品質(zhì)參差不齊，難以滿足現(xiàn)代社會需求。

基于物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)由感知層采集數(shù)據(jù)，傳輸層傳送數(shù)據(jù)再由應用層進行管控。農(nóng)產(chǎn)品從入庫到最后出庫，全過程都處于監(jiān)控貯藏狀態(tài)。不僅記錄傳感器采集到的數(shù)據(jù)，同時還要對冷藏庫中的設備運行狀態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時顯示。最后，管理者根據(jù)這些數(shù)據(jù)對參數(shù)進行設置或?qū)υO備進行控制，進而完成冷藏庫科學管理。管理者不再依靠自身水平進行管理，而是依據(jù)數(shù)據(jù)進行科學管理。

2.2 智能監(jiān)控功能

物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測庫內(nèi)環(huán)境情況以及設備運行情況。同時，還能夠?qū)A藏農(nóng)產(chǎn)品品種、數(shù)量等詳細信息進行監(jiān)控、記錄。管理者可以在PC端或是移動終端實時監(jiān)測冷藏庫溫濕度以及制冷設備運行情況。

管理者可以在一個用戶界面對多個冷藏庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，確保冷藏庫運行穩(wěn)定，縮短事故發(fā)生時的反應時間。同時，可以對最近一年內(nèi)冷藏庫的數(shù)據(jù)進行存儲，包括環(huán)境、運行情況、貯藏狀況等數(shù)據(jù)，供管理者或者政府監(jiān)管部門進行數(shù)據(jù)分析、監(jiān)管。

2.3 報警、預警、設備控制功能

冷藏庫特別是農(nóng)產(chǎn)品冷藏庫，其貯藏物對溫度范圍有極高的要求。當溫度波動過大時，會對貯藏品質(zhì)造成極大的影響。傳統(tǒng)的冷藏庫只有當管理人員發(fā)現(xiàn)溫度出現(xiàn)波動才能采取補救措施，這樣往往已經(jīng)造成損失。基于物聯(lián)網(wǎng)的冷藏庫監(jiān)控系統(tǒng)，當溫度高于事先設定的閾值時，系統(tǒng)會自動向管理者發(fā)送報警短信或在APP里發(fā)出報警通知，同時，在客戶端的監(jiān)測畫面上對管理者發(fā)出警報。緊接著，系統(tǒng)會向PLC控制系統(tǒng)發(fā)送設備控制信號，調(diào)整制冷設備運行狀態(tài)。還可以根據(jù)數(shù)據(jù)波動結(jié)合庫內(nèi)貯藏環(huán)境，對可能存在的影響因子進行預警，提前通知管理者，并進行自診斷。

3 物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫的發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代冷藏庫的應用，使得冷藏庫貯藏品質(zhì)在智能化的促進下大大提升，貯藏產(chǎn)品貯藏損失問題也得到了很好的解決，可以延長產(chǎn)品的貯藏時間，節(jié)約人力物力，實現(xiàn)自動控制和自動管理，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著5G通信技術以及無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫將朝著認知型、經(jīng)驗型以及自適應性發(fā)展。

3.1 模糊控制系統(tǒng)

冷藏庫環(huán)境影響因素較多，建立精確數(shù)學模型較困難，模糊控制可以在不建立數(shù)學模型的基礎上，參考管理者運行經(jīng)驗對系統(tǒng)進行實時控制?；赟TM32的模糊控制冷庫智能控制系統(tǒng)是1種庫內(nèi)環(huán)境綜合控制器，在自動監(jiān)測冷庫內(nèi)環(huán)境的同時，計算分析溫度、濕度、氣體成分間的相互影響度，最后，再結(jié)合被貯藏農(nóng)產(chǎn)品實時品質(zhì)在模糊控制系統(tǒng)控制下綜合多因子考慮，及時調(diào)整環(huán)境控制策略，完全擺脫了人工監(jiān)測、控制的模式，克服了傳統(tǒng)冷庫控制方式中環(huán)境設定不準確、調(diào)整不及時的弊端，大大提高了冷庫控制系統(tǒng)的智能程度，從根本上改善了冷庫的控制模式。系統(tǒng)不僅組態(tài)簡單、設計靈活、操作方便，而且提高了被控參數(shù)的精度，保證了貯藏產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)融合與智能決策

農(nóng)產(chǎn)品在貯藏過程中會發(fā)生一系列生物特性變化，例如，水分變化、重量變化、氣體成分變化等。在這些過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對于農(nóng)產(chǎn)品貯藏是非常重要的。通過檢測其數(shù)據(jù)變化量，可以改變后期的冷藏方案。大量多類型傳感器的布置是收集數(shù)據(jù)的必要條件。傳感器采集到的數(shù)據(jù)再通過計算機進行匯集處理、融合，以圖表的形式呈現(xiàn)給管理者，能夠讓管理者對于冷藏庫貯藏的農(nóng)產(chǎn)品情況一目了然。

智能決策是根據(jù)前期建立的系統(tǒng)模型庫、方法庫、知識庫、數(shù)據(jù)庫、接口以及推理機，采取神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯網(wǎng)或灰色系統(tǒng)理論，以冷藏庫環(huán)境要求采用合適的智能方法。管理者利用智能決策模型可以得到關于冷藏庫的貯藏信息，進行環(huán)境因子分析以及對冷藏庫溫濕度等方面的專家智能決策，獲得對貯藏過程更為精細化的管理方案。

3.3 智能出入庫管理

在冷藏庫貯藏管理方面，還沒有1款自動貨架能夠適用于小型農(nóng)產(chǎn)品冷藏庫。人工搬運仍是此類小型冷藏庫進出庫的主要方式。以后，專用的出入庫裝置能夠自動完成入庫、出庫，管理者只需在庫外操作即可。出入庫勞動強度可大幅減少，且對冷藏庫高效運營產(chǎn)生有力的推動作用。

4 存在的問題

近年來，隨著農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地初加工項目的實施，各地冷藏庫特別是產(chǎn)地型小型農(nóng)產(chǎn)品冷藏庫數(shù)量劇增。但是在實際操作過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如重監(jiān)視輕控制、數(shù)據(jù)缺乏記錄等。雖然有的冷藏庫安裝了物聯(lián)網(wǎng)設備，但是沒有成網(wǎng)，無法實現(xiàn)信息互享，造成設備浪費。政府部門也沒有享受到物聯(lián)網(wǎng)的紅利。

同時，物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術不成熟、產(chǎn)業(yè)化程度低、物聯(lián)網(wǎng)標準規(guī)范缺失以及相關政策不到位依然是制約物聯(lián)網(wǎng)冷藏庫發(fā)展的因素。

5 小結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)領域的不斷進步，對于農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量和過程的掌控及管理將越來越方便，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)成本低廉、使用方便，具有良好的應用前景，且后期可從多節(jié)點無線傳感器監(jiān)測、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡以及專家系統(tǒng)、視覺圖像處理輔助決策以及智能出入庫管理等方面進行改進和擴展，為提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、增加經(jīng)濟效益提供更好的支撐。同時，物聯(lián)網(wǎng)也是實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的助推器和加速器，將為冷鏈物流行業(yè)提供無限商機。