疫情常態(tài)化下冷庫(kù)防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊彥，王菲，彭洲，山朋林

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730124）

0 引言

“生鮮電商”的崛起，帶動(dòng)了冷鏈的迅猛發(fā)展，而作為冷鏈供應(yīng)鏈系統(tǒng)的核心樞紐，冷庫(kù)更成為了資本市場(chǎng)運(yùn)作熱捧的投資對(duì)象。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)冷庫(kù)總量可達(dá)7322萬(wàn)噸，并且每年將以10%的速度增長(zhǎng)，冷庫(kù)建設(shè)將進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時(shí)期。然而，目前國(guó)內(nèi)冷庫(kù)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平相對(duì)滯后，信息化管理體系建設(shè)迫在眉睫，一套較為完善的冷庫(kù)監(jiān)管系統(tǒng)就顯得十分重要。2020年新冠疫情席卷全球。冷鏈傳播疫情形式十分嚴(yán)峻。而冷鏈運(yùn)輸中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是冷庫(kù)，所以冷庫(kù)防疫工作勢(shì)在必行?；谝陨锨闆r我們提出了冷庫(kù)防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)。

1 當(dāng)前冷庫(kù)面臨的問(wèn)題

■1.1 冷鏈傳播疫情

近日，在我國(guó)青島、蘭州、哈爾濱等多地區(qū)在冷鏈?zhǔn)称钒b上或食品表面檢出新冠病毒?？梢?jiàn)通過(guò)冷鏈新冠病毒依舊潛伏在我們身邊，所以冷鏈疫情防控工作不容小覷，作為冷鏈中重要環(huán)節(jié)冷庫(kù)的防疫工作十分重要。然而目前絕大多數(shù)冷庫(kù)的防疫工作依然是由人工來(lái)完成，這樣耗費(fèi)了人力物力的同時(shí)，冷庫(kù)的工作效率也有所下降。

■1.2 冷庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)管

目前我國(guó)大多數(shù)冷庫(kù)管理仍然是采用人工線下的方式來(lái)進(jìn)行，在信息化飛速發(fā)展的現(xiàn)在就顯得有點(diǎn)格格不入。對(duì)于冷庫(kù)來(lái)說(shuō)，線上管理系統(tǒng)既可以節(jié)省人力物力又可以提高工作人員工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控就顯得十分重要。

■1.3 出庫(kù)入庫(kù)信息記錄

傳統(tǒng)冷庫(kù)出庫(kù)入庫(kù)的信息記錄都是由人工來(lái)完成，很容易發(fā)生信息的遺漏，工作人員也很難做到清楚每一個(gè)入庫(kù)貨物的具體位置、出庫(kù)入庫(kù)時(shí)間等信息，這樣不利于對(duì)冷庫(kù)的高效管理。

■1.4 冷庫(kù)環(huán)境參數(shù)采集

冷庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存的大多都是易腐物品，如果冷庫(kù)制冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能及時(shí)的處理，將會(huì)造成很大的損失。傳統(tǒng)的冷庫(kù)管理采用的是人工巡查的方式，往往會(huì)出現(xiàn)巡查不到位的情況，無(wú)法及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障，這就使得冷庫(kù)內(nèi)的食品的質(zhì)量得不到保障。所以可以實(shí)時(shí)獲取冷庫(kù)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)就顯得十分重要。

2 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能及特色

■2.1 本設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)的功能

2.1.1 檢測(cè)工作人員健康碼和體溫

工作人員想要進(jìn)入冷庫(kù)首先要通過(guò)硬件檢測(cè)健康碼和體溫。兩者若有一項(xiàng)檢測(cè)異常，都會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，并且對(duì)工作人員進(jìn)行拍照記錄，然后會(huì)將圖片上傳到華為云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時(shí)下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄，以便對(duì)檢測(cè)異常人員進(jìn)行健康回訪。

2.1.2 檢測(cè)入庫(kù)物品是否經(jīng)過(guò)疫檢

入庫(kù)前首先要對(duì)物品進(jìn)行掃碼，從而獲取物品信息，判斷該物品是否經(jīng)過(guò)疫檢，如果物品經(jīng)過(guò)疫檢且合格，再加上工作人員健康碼和體溫均合格門禁打開(kāi)，人員方可進(jìn)入冷庫(kù)。若入庫(kù)物品未經(jīng)過(guò)疫檢，或者疫檢不合格也會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，并且對(duì)入庫(kù)物品進(jìn)行拍照記錄，然后會(huì)將圖片和通過(guò)掃碼獲得的物品信息上傳到云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時(shí)下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄。

2.1.3 出庫(kù)入庫(kù)功能

物品進(jìn)入冷庫(kù)，工作人員可以任意將物品放入某一區(qū)域，冷庫(kù)區(qū)域化檢測(cè)模塊檢測(cè)到物品放入，則會(huì)將物品信息和所在區(qū)域的位置信息，同時(shí)上傳至客戶端記錄，在工作人員客戶端會(huì)將信息可視化的體現(xiàn)出來(lái)，例如A區(qū)第3層放入的物品為蘋果入庫(kù)時(shí)間也會(huì)有詳細(xì)的記錄。工作人員若將物品取走則出庫(kù)完成，客戶端自動(dòng)將該區(qū)域信息清除。無(wú)論出庫(kù)入庫(kù)在客戶端都會(huì)有貨物信息的狀態(tài)記錄，以方便追溯物品動(dòng)向。

2.1.4 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)功能

冷庫(kù)內(nèi)部還裝有溫濕度傳感器，會(huì)實(shí)時(shí)的將冷庫(kù)內(nèi)部每

個(gè)區(qū)域的溫濕度打包發(fā)送至工作人員客戶端，并在客戶端對(duì)應(yīng)的區(qū)域顯示出來(lái)，當(dāng)冷庫(kù)內(nèi)溫度或濕度異常就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將異常區(qū)域的具體位置信息發(fā)送至工作人員手機(jī)，以便工作人員盡快處理異常情況。

■2.2 軟件實(shí)現(xiàn)的功能

2.2.1 實(shí)時(shí)顯示冷庫(kù)內(nèi)部狀態(tài)

在工作人員客戶端會(huì)實(shí)時(shí)顯示冷庫(kù)內(nèi)部狀態(tài)，如每個(gè)區(qū)域的環(huán)境溫濕度、冷庫(kù)溫濕度平均值、每個(gè)區(qū)域的占用情況、冷庫(kù)的總占用情況等，且單擊某一區(qū)域便可獲得該區(qū)域的具體情況，如物品名稱、入庫(kù)時(shí)間等。這樣便可以讓工作人員在遠(yuǎn)程更加直觀的了解到冷庫(kù)內(nèi)部情況，從而方便工作人員對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行管理。

2.2.2 出庫(kù)入庫(kù)信息記錄

在工作人員客戶端會(huì)對(duì)出庫(kù)入庫(kù)的物品信息進(jìn)行記錄，包括入庫(kù)或出庫(kù)時(shí)間、物品名稱、所在區(qū)域、當(dāng)前狀態(tài)等。

2.2.3 異常人員信息記錄

當(dāng)硬件檢測(cè)到工作人員健康異常，就會(huì)對(duì)工作人員進(jìn)行拍照記錄，圖片和拍照時(shí)間等信息會(huì)上傳至客戶端進(jìn)行記錄，以便對(duì)檢測(cè)異常人員進(jìn)行健康回訪。

■2.3 本設(shè)計(jì)的特色

(1)我們引入冷庫(kù)防疫這一概念，通過(guò)硬件檢測(cè)來(lái)代替人工檢測(cè)，極大地節(jié)省了人力物力，從冷鏈的節(jié)點(diǎn)冷庫(kù)入手有效的防止了冷鏈傳播疫情。

(2)我們將云服務(wù)器和冷庫(kù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和對(duì)冷庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效的提高了工作人員的工作效率，使得工作人員對(duì)冷庫(kù)的管理更加方便。

(3)我們將冷庫(kù)區(qū)域化，即方便了出庫(kù)入庫(kù)和對(duì)冷庫(kù)剩余容量的檢測(cè)，同時(shí)也使得工作人員可以更直觀的了解冷庫(kù)內(nèi)的情況。

(4)我們的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，硬件之間的通訊是通過(guò)ZigBee來(lái)完成的，這就為后期加入其他的擴(kuò)展模塊提供了方便。我們的客戶端是由java編成，java具有面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，這就讓系統(tǒng)具有了更好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

■3.1 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)框圖

防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)軟件功能框圖如圖2所示。

圖1 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)軟件功能框圖

■3.2 具體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)遵循物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)[1]設(shè)計(jì)，最底層感知層，包含了獲取數(shù)據(jù)的傳感器模塊，網(wǎng)絡(luò)層我們用到了ZigBee、mqtt協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。應(yīng)用層用到了華為云平臺(tái)和用java開(kāi)發(fā)的客戶端。

圖3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

工作人員想要進(jìn)入冷庫(kù)首先要對(duì)健康碼和體溫進(jìn)行檢測(cè)。若兩者均正常，門禁打開(kāi)工作人員方可進(jìn)入冷庫(kù)，若有一項(xiàng)檢測(cè)異常，都會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，并且對(duì)工作人員進(jìn)行拍照記錄，然后會(huì)將圖片上傳到華為云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時(shí)下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄，以便對(duì)檢測(cè)異常人員進(jìn)行健康回訪。進(jìn)入冷庫(kù)首先要對(duì)貨物掃碼進(jìn)行入庫(kù)處理，掃碼槍將物品信息提取出來(lái)保存，冷庫(kù)區(qū)域化檢測(cè)模塊檢測(cè)到物品放入，則會(huì)將物品信息和所在區(qū)域的位置信息，同時(shí)上傳至客戶端記錄，工作人員若將物品取走則出庫(kù)完成，客戶端自動(dòng)將該區(qū)域信息清除。冷庫(kù)內(nèi)部還有溫濕度傳感器，會(huì)實(shí)時(shí)的將冷庫(kù)內(nèi)部溫濕度發(fā)送至工作人員客戶端。

3.2.1 單片機(jī)控制器STM系列單片機(jī)

STM32系列[2]專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex?-M0，M0+，M3, M4和M7內(nèi)核,在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導(dǎo)體已經(jīng)推出STM32基本型系列、增強(qiáng)型系列、USB基本型系列、互補(bǔ)型系列；新系列產(chǎn)品沿用增強(qiáng)型系列的72MHz處理頻率。內(nèi)存包括64KB到256KB閃存和20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結(jié)合STM32平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲(chǔ)器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來(lái)滿足個(gè)性化的應(yīng)用需求。

在本設(shè)計(jì)中用于接收各個(gè)模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

3.2.2 ESP32模塊

ESP-WROOM-32是一款通用型WiFi-BT-BLEMCU模組，功能強(qiáng)大，用途廣泛。此款模組的核心是ESP32芯片，具有可擴(kuò)展、自適應(yīng)的特點(diǎn)。兩個(gè)CPU核可以被單獨(dú)控制或上電。時(shí)鐘頻率的調(diào)節(jié)范圍為80MHz ~240MHz。用戶可以切斷CPU的電源，利用低功耗協(xié)處理器來(lái)不斷地監(jiān)測(cè)外設(shè)的狀態(tài)變化或某些模擬量是否超出閾值。ESP32還集成了豐富的外設(shè)，包括電容式觸摸傳感器、霍爾傳感器、低噪聲傳感放大器，SD卡接口、以太網(wǎng)接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S和I2C等。

在本設(shè)計(jì)中用于接收STM32單片機(jī)傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)，整合后上傳至云服務(wù)器。

3.2.3 溫濕度傳感器模塊

DHT22也被稱為AM2302，具有標(biāo)準(zhǔn)的單總線接口。該傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

在本設(shè)計(jì)中用于采集冷庫(kù)內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳遞至Zigbee模塊后傳至STM32單片機(jī)。

3.2.4 體溫檢測(cè)模塊

MLX90614是一款由邁來(lái)芯公司提供的低成本，無(wú)接觸溫度計(jì)。輸出數(shù)據(jù)和物體溫度呈線性比例，具有高精度和高分辨率。T0-39金屬封裝里同時(shí)集成了紅外感應(yīng)熱電雄探器芯片MLX81101(溫度是通過(guò)PTC或是PTAT元件測(cè)量和信號(hào)處理專用集成芯片MLX90302，專門用于處理紅外傳感器輸出信號(hào)。用以阻礙可見(jiàn)光和近紅外光輻射的光學(xué)濾波器（可傳播長(zhǎng)波）集成在封裝內(nèi)提供對(duì)環(huán)境和日光的免疫。濾波器的波長(zhǎng)通帶為5.5~14μm。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理芯片MLX90302，使得高精度和高分辨度的溫度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)中用于采集工作人員體溫，體溫異常的話將會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。

3.2.5 K210模塊

Maix Bit開(kāi)發(fā)板是SIPEED公司Maix產(chǎn)品線的一員，基于嘉楠堪智科技的邊緣智能計(jì)算芯片K210(RISC-V架構(gòu)64位雙核)設(shè)計(jì)的一款A(yù)OT開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)小巧精悍，板載Type-C接口和USB-UART電路，用戶可以直接通過(guò) USB Type-C線連接電腦進(jìn)行開(kāi)發(fā)，配置128 Mbit Flash、LCDDVP、Micro SD卡等接口并把所有IO引出，方便用戶擴(kuò)展。

在本設(shè)計(jì)中用于健康碼的識(shí)別，異常則會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。

3.2.6 Zigbee模塊

Zigbee[3]技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)而來(lái)，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其使用了2.4GHz頻段，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了Zigbee技術(shù)在IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。Zigbee聯(lián)盟的主要發(fā)展方向是建立一個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)架，這個(gè)構(gòu)架基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及配置文件，并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優(yōu)點(diǎn)。搭建物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，有利于研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對(duì)，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)單途徑。

在本設(shè)計(jì)中用于各個(gè)模塊之間的通信，將溫濕度等信息通過(guò)無(wú)線的方式傳遞給STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2.7 漫反射傳感模塊

漫反射光電開(kāi)關(guān)是漫反射光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的漫反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。當(dāng)開(kāi)關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值一直到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開(kāi)支，當(dāng)開(kāi)關(guān)由單個(gè)元件組成時(shí)，通常是可以達(dá)到粗定位；

在本設(shè)計(jì)中用來(lái)檢測(cè)指定區(qū)域是否被占用，將信息通過(guò)Zigbee模塊傳遞至STM32進(jìn)行處理。

3.2.8 掃碼槍模塊

常見(jiàn)的平板式掃描槍一般由光源、光學(xué)透鏡、掃描模組、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路加塑料外殼構(gòu)成。它利用光電元件將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中處理。當(dāng)掃描一副圖像的時(shí)候，光源照射到圖像上后反射光穿過(guò)透鏡會(huì)聚到掃描模組上，由掃描模組把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)字信號(hào)（即電壓，它與接受到的光的強(qiáng)度有關(guān)），同時(shí)指出那個(gè)像數(shù)的灰暗程度。這時(shí)候模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)，傳送到電腦。顏色用RGB三色的8、10、12位來(lái)量化，既把信號(hào)處理成上述位數(shù)的圖像輸出。如果有更高的量化位數(shù)，意味著圖像能有更豐富的層次和深度，但顏色范圍已超出人眼的識(shí)別能力，所以在可分辨的范圍內(nèi)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，更高位數(shù)的掃描槍掃描出來(lái)的效果就是顏色銜接平滑，能夠看到更多的畫面細(xì)節(jié)。

在本設(shè)計(jì)中掃碼槍通過(guò)對(duì)物品二維碼的掃描，判斷物品是否經(jīng)過(guò)疫檢的同時(shí)，提取并保存物品信息，然后將信息發(fā)送至STM32進(jìn)行處理。

■3.3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下正是疫情肆虐的時(shí)期，我們當(dāng)代大學(xué)生不一定能做出什么可以有效遏制住病毒傳播的大事，但我們也想為疫情防控事業(yè)出一份力。在這種心理的促使下，我們想到了這個(gè)思路，能力、時(shí)間有限不能將作品做到完美，不過(guò)該設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展能力很強(qiáng)，后期我們還會(huì)增加智能機(jī)器人來(lái)代替人工入庫(kù)，這樣便可實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)的無(wú)人化管理。冷鏈傳播疫情歸根到底還是由物品上攜帶的新冠病毒傳播到人身上，無(wú)人化管理便可以在最大程度上抑制冷鏈傳播疫情。如果可以我們還會(huì)將冷庫(kù)系統(tǒng)推廣至各個(gè)地區(qū)，我們后臺(tái)可以監(jiān)視各個(gè)地區(qū)的異常情況，這樣一旦發(fā)現(xiàn)病毒我們就可以在第一時(shí)間得到信息從而做出最及時(shí)的反應(yīng)來(lái)遏制疫情的擴(kuò)散。我們不是個(gè)例，相信在全國(guó)人民的不懈努力下我們終將戰(zhàn)勝新冠病毒。