基于NBIOT的冷鏈運(yùn)輸溫濕度監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 偉

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

0 引言

2020年中國(guó)生鮮電商行業(yè)規(guī)模超4千億元，較2019年增長(zhǎng)64.0%。其中網(wǎng)絡(luò)零售交易規(guī)模3 641.3億元，同比增長(zhǎng)42.5%。相較于商業(yè)規(guī)?？焖侔l(fā)展，我國(guó)冷鏈產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，規(guī)?；⑾到y(tǒng)化的冷鏈物流體系尚未形成，冷鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)之間仍各自為戰(zhàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享，冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)仍然存在巨大缺位。

目前國(guó)內(nèi)有不少研究人員對(duì)冷鏈運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的方案解決進(jìn)行了不懈的努力探索。姜蕾等人提出了一套基于RS-485和Modbus通信協(xié)議的智能溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的解決方案[1]。李培江等人研究了基于iButton-Ds1923的冷鏈溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)1-wire協(xié)議與處理器通信,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)[2]。潘凌凌等人采用RFID技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用血液的冷鏈運(yùn)輸和存儲(chǔ)運(yùn)行狀況監(jiān)控[3]。賈進(jìn)科等人對(duì)冷鏈運(yùn)輸檢測(cè)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用低功耗單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后用無(wú)線方式進(jìn)行通信，解決系統(tǒng)功耗問(wèn)題[4]。文獻(xiàn)5中將冷鏈信息平臺(tái)與智慧城市體系相結(jié)合,利用智慧城市體系中的信息優(yōu)勢(shì)更加便利的采集冷鏈信息[5]。

基于此行業(yè)困境，筆者根據(jù)區(qū)域制冷產(chǎn)業(yè)鏈的完整布局優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)貫穿冷庫(kù)、冷藏車(chē)、商超設(shè)備、電動(dòng)保溫車(chē)、生鮮自提的全冷鏈產(chǎn)品線覆蓋，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該基于NB-IOT的便攜式冷鏈監(jiān)控模塊系統(tǒng)。該系統(tǒng)將原本分散的冷鏈各環(huán)節(jié)整合在一條價(jià)值鏈上，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)制冷產(chǎn)品的完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鏈設(shè)備的無(wú)縫全程監(jiān)控。

1 冷鏈運(yùn)輸監(jiān)控管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的冷鏈運(yùn)輸監(jiān)控管理系統(tǒng)的具體功能包含：冷鏈運(yùn)輸設(shè)備溫濕度與位置等信息采集、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、運(yùn)輸任務(wù)監(jiān)控管理等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集傳輸模塊采用超低功耗、穩(wěn)定可靠的NB/2G無(wú)線通信模組，搭配超低功耗芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品存儲(chǔ)環(huán)境實(shí)時(shí)不間斷測(cè)量與監(jiān)控，保證物品儲(chǔ)存條件始終處于安全范圍內(nèi)。模塊實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

1.1.1 無(wú)線傳感數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊可在低溫、深低溫環(huán)境下獲取冷鏈數(shù)據(jù)全程不插電,采集數(shù)據(jù)包含冷鏈設(shè)備運(yùn)行期間的溫度、濕度、設(shè)備電池電量、貨物識(shí)別碼等。模塊配備GPS模塊和移動(dòng)通信模塊，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位和LBS基站定位功能,模塊支持自由設(shè)定傳感器采集間隔，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，同步上傳云端服務(wù)器，可選2G版和NB版本。

1.1.2 超長(zhǎng)距離強(qiáng)抗干擾的數(shù)據(jù)傳輸

模塊可實(shí)現(xiàn)公里級(jí)的無(wú)線傳輸距離，給全局監(jiān)控更少的空間限制。傳輸信號(hào)穿透能力強(qiáng)，采用NB/2G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，定位數(shù)據(jù)可上傳管理平臺(tái)，信號(hào)傳輸穿透能力強(qiáng)，冷藏箱、冷庫(kù)等密閉空間能正常傳輸工作。

1.1.3 報(bào)警功能

模塊支持報(bào)警功能，檢測(cè)到自身運(yùn)行狀況異常，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警信息顯示。

1.2 冷鏈運(yùn)輸數(shù)據(jù)監(jiān)控管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，用戶可以在任意電腦或者移動(dòng)終端設(shè)備上登錄平臺(tái)對(duì)冷鏈運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和管理。平臺(tái)管理的數(shù)據(jù)主要分為兩大類，第一類是數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊設(shè)備管理，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的增刪改查功能。第二類是依托具體設(shè)備開(kāi)展的運(yùn)輸任務(wù)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的管理，用戶可在平臺(tái)上給具體設(shè)備分配和結(jié)束運(yùn)輸任務(wù)，并在任務(wù)運(yùn)行期間監(jiān)控到冷鏈監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行的溫度、濕度和位置信息等。

2 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模塊硬件設(shè)計(jì)采用無(wú)專門(mén)MCU方案設(shè)計(jì)，以降低硬件功耗，設(shè)計(jì)以廣和通ADP-L610系列芯片為主，輔助以AIR530采集GPS數(shù)據(jù)。

2.1 主芯片的設(shè)計(jì)

L610系列模塊是一款適用于TDD-LTE/FDDLTE/GSM多種網(wǎng)絡(luò)制式、多頻段的寬帶無(wú)線終端產(chǎn)品，選擇其作為硬件模塊的主模塊，首先是因?yàn)槠渌吣Ｊ较鹿闹挥?.8mA,能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低功耗需求。該集成電路模塊可以在Talk/Data模式下實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸，也可以在AirPlane模式下作為普通MCU使用。

硬件設(shè)計(jì)中，傳感器、GPS、SIM卡模塊和LCD等均作為外部設(shè)備通過(guò)接口接入主芯片。主芯片的部分硬件原理設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 GPS數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

考慮到模塊在某些應(yīng)用下需要更加精準(zhǔn)的定位，設(shè)計(jì)中采用了更加成熟的GPS定位模塊AIR530，AIR530是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，具有體積小功耗低的特點(diǎn)，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS，美國(guó)的GPS，俄羅斯的GLONASS，并實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合定位。GPS數(shù)據(jù)采集模塊部分硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 GPS模塊部分硬件原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要包含兩部分，分別為數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的嵌入式軟件和基于B/S架構(gòu)的上位機(jī)軟件。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊嵌入式軟件的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸模塊嵌入式軟件主要用于模塊控制系統(tǒng)的初始化、與上位機(jī)通信、根據(jù)模塊屬性設(shè)置完成各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)等功能。

模塊采用的L610芯片在AirPlane模式下可作為MCU使用，嵌入式軟件即運(yùn)行在該芯片上，軟件接收用戶對(duì)系統(tǒng)的屬性設(shè)置，存在于模塊的FLASH里面，根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)間間隔定時(shí)采集溫度、濕度和定位信息，并實(shí)現(xiàn)把重要信息在LCD上顯示，根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警值，在采集數(shù)據(jù)異常時(shí)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。

3.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的設(shè)備管理，運(yùn)輸任務(wù)的管理和任務(wù)運(yùn)行期間實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的查看等。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)任務(wù)實(shí)體、采集信息實(shí)體、設(shè)備實(shí)體等分別設(shè)計(jì)表進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，核心表的設(shè)計(jì)如下：

（1）任務(wù)表設(shè)計(jì)，該表用于存儲(chǔ)系統(tǒng)正在執(zhí)行任務(wù)的情況，見(jiàn)表1。

表1 任務(wù)表設(shè)計(jì)

（2）采集信息表，該表用于存儲(chǔ)正在執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備實(shí)時(shí)上傳的設(shè)備采集信息，見(jiàn)表2。

表2 采集信息表

3.2.2 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用JavaWeb技術(shù)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)人員也選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的Sprint MVC框架，用戶從電腦端登錄后可以進(jìn)行三項(xiàng)功能。

（1）設(shè)備管理功能模塊下，用戶可以對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的設(shè)備進(jìn)行增加、刪除等操作。

（2）任務(wù)管理功能模塊下，系統(tǒng)會(huì)查詢現(xiàn)有空閑的設(shè)備，供用戶選擇來(lái)分配其執(zhí)行任務(wù)，用戶需要錄入任務(wù)的基本情況。

（3）信息查看功能模塊下，系統(tǒng)查詢目前正在運(yùn)行的任務(wù)，用戶選擇后查看任務(wù)執(zhí)行詳細(xì)情況，列出自任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行后實(shí)時(shí)采集的設(shè)備溫濕度等運(yùn)行情況，并在地圖組件上顯示設(shè)備的運(yùn)行軌跡。

4 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于NBIOT技術(shù)的冷鏈運(yùn)輸管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全冷鏈設(shè)備在運(yùn)行中溫濕度、故障、位置等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控及綜合信息管理。破解傳統(tǒng)生鮮產(chǎn)品在產(chǎn)地預(yù)冷、冷鏈長(zhǎng)途運(yùn)輸、零售終端存儲(chǔ)、冷鏈最后一公里配送、生鮮自提、家庭冷藏保鮮等各環(huán)節(jié)因配送斷鏈、信息斷流而造成的物品損毀，為用戶提供一個(gè)從產(chǎn)地到餐桌、從工廠到家庭的完美配送鏈條，大大推動(dòng)了制冷產(chǎn)業(yè)的智能化水平。