基于北斗+華為云的智慧冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

孫宇航，吳有龍，張 帥，潘星穎，葉 晴，殷婷婷

（1.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年來，隨著我國居民收入的增長，消費水平也逐漸提高，生鮮電商、蔬果配送等方式成為當下熱門的市場消費選擇，冷鏈運輸環(huán)節(jié)對于生鮮電商、蔬果配送尤為重要，醫(yī)藥、疫苗等也同樣是冷鏈物流中主要的運輸商品。傳統(tǒng)的公路運輸市場中，許多企業(yè)依然沿用“冰塊+棉被”的方式，或依靠改裝過的普通廂式貨車進行冷鏈運輸，在運輸途中難免出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象。目前，歐美國家的生鮮產(chǎn)品損耗率被控制在5%，而我國的生鮮平均損耗率超10%，是歐美國家的2～3倍，生鮮市場的成本大大提高。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)，如智慧醫(yī)療、智慧交通等方面。文獻利用NB-IoT技術(shù)對醫(yī)藥冷鏈物流系統(tǒng)框架開展了相關(guān)研究，實時監(jiān)測醫(yī)藥冷鏈物流的環(huán)境參數(shù)；文獻設(shè)計了一套超市冷鏈監(jiān)控報警系統(tǒng)，通過設(shè)計的算法利用傳感器對數(shù)據(jù)進行采集處理，并通過無線通信技術(shù)上傳至用戶可視化平臺，該系統(tǒng)可確保超市冷鏈系統(tǒng)安全運行。物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)的發(fā)展也促進了金屬礦山、城市軌道交通等傳統(tǒng)行業(yè)的智慧升級。物流運輸過程中，高精度的位置服務(wù)能夠?qū)ξｋU品運輸、特殊商品運輸進行監(jiān)控。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，基于“+北斗”的應(yīng)用也逐步被應(yīng)用到無人機、安全帽和智能藥箱等領(lǐng)域。

為解決冷鏈運輸過程中無法實時監(jiān)控冷藏車的位置和車內(nèi)生鮮的溫濕度、含氧量、乙醇與水質(zhì)pH值，從而導(dǎo)致運輸生鮮腐爛變質(zhì)的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云平臺、北斗定位等技術(shù)，設(shè)計了基于北斗定位與華為云的智慧冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了冷鏈運輸?shù)臓顟B(tài)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于華為云的智慧冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用STM32單片機作為終端主芯片，傳感器網(wǎng)絡(luò)配置有溫濕度傳感器、含氧量傳感器，用以收集生鮮冷鏈途中的信息，利用北斗定位模塊實時更新物流運輸位置信息，通過4G通信技術(shù)實現(xiàn)與華為云服務(wù)器的連接，將數(shù)據(jù)傳至華為云上搭建的信息管理平臺。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 功能闡述

管理者和用戶可通過訪問華為云上的生鮮冷鏈頁面實時查看冷鏈運輸貨物的狀態(tài)信息。車輛運輸軌跡如圖2所示，可監(jiān)控司機是否按照既定路線行駛，也可以查看司機是否違規(guī)長時間停留，以提升物流的實效性。圖3所示為冷鏈車在地圖上的實時位置，可以實時查看運輸貨物的位置，以合理安排時間取貨。圖4所示為利用北斗模塊獲取的經(jīng)緯度和高度信息；圖5由6個子圖構(gòu)成，各曲線圖分別顯示含氧量、速度、溫度、濕度、pH值、乙醇含量等6個狀態(tài)的變化趨勢。各子圖中的小圖標若為綠色，則表示數(shù)據(jù)正常，若為紅色，則表示數(shù)據(jù)異常，存在生鮮腐敗的可能。速度信息由北斗定位模塊上傳，可以實時監(jiān)測車輛運行的速度，既是對駕駛員行車規(guī)范的監(jiān)控也是對其人身安全的保障。

圖2 冷鏈車軌跡

圖3 冷鏈車位置

圖4 經(jīng)緯度及高度

圖5 含氧量、速度、溫度、濕度、pH值、乙醇含量變化趨勢

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 單片機技術(shù)

單片微控制器也被稱為單片機，是集I/O接口、存儲器、CPU等于一體的微型計算機系統(tǒng)，是計算機向微型化發(fā)展的代表。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、用途廣是其突出的特點，故適用于生鮮冷鏈檢測系統(tǒng)。

生鮮冷鏈檢測系統(tǒng)采用ST公司出品的STM32F10x系列芯片，通過芯片對外部設(shè)備進行控制，采集各傳感器數(shù)據(jù)并集中處理后發(fā)送給服務(wù)器。生鮮冷鏈運輸車輛和開發(fā)板實物連接如圖6所示。

圖6 STM32F103開發(fā)板實物

3.2 衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位即通過衛(wèi)星實時確定物體的精確位置，由人造衛(wèi)星（空間部分）、地面基站（地面部分）、用戶設(shè)備（用戶部分）組成。定位方式：通過衛(wèi)星和接收機間的通信來確定用戶的位置。

生鮮冷鏈檢測系統(tǒng)使用ATGM332D定位模塊，該模塊基于中科微第四代低功耗GNSS SoC單芯片AT6558，集成美國GPS和中國北斗雙模塊，可實現(xiàn)高精度定位。其具有低功耗、高靈敏度（-162 dBm）及高定位精度（2.5 m）等特點，可測得設(shè)備精確的經(jīng)緯度、速度、海拔等信息，并通過無線通信技術(shù)將上述信息發(fā)送給服務(wù)器并傳遞給物聯(lián)網(wǎng)平臺，最后在地圖上顯示該位置的坐標。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)是指通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)在不同的終端之間傳輸與交換感知的信息，互通、共享信息資源，支撐物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能。目前廣泛運用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的無線通信技術(shù)有兩類：長距離通信與短距離通信。

本設(shè)計使用型號為YED-D724X1的上海合宙Air724 4G模塊通信：支持5～36 V寬電壓供電；可以在35～75 ℃環(huán)境中工作；支持3.3 V TTL串口、RS 485通信方式；支持TCP/UDP/HTTP/MQTT/阿里云IoT等協(xié)議。該模塊可以輕易嵌入生鮮冷鏈檢測系統(tǒng)，只需通過SPI/SDIO接口就可以集成到設(shè)備系統(tǒng)中，符合物聯(lián)網(wǎng)低功耗、低成本的特點。

3.4 傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集來自三層架構(gòu)的感知層，而感知層的數(shù)據(jù)來源于傳感器。傳感器是將物理、化學、生物等信息變化按照某些規(guī)律轉(zhuǎn)換成可以傳遞的電信號的器件或裝置。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路組成。敏感元件可直接感知被測物理量，將被測量變化轉(zhuǎn)換成該敏感材料特性參數(shù)的變化。

本設(shè)計根據(jù)實際需求，靈活選擇傳感器，使用DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器以及含氧量傳感器。含氧量傳感器的核心元件是多孔陶瓷管，利用Nernst原理監(jiān)測運輸車內(nèi)氧含量的變化；DHT11溫濕度傳感器具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，用來感應(yīng)生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程中的溫濕度情況，并無線傳輸至服務(wù)器，在Web頁面上顯示。

3.5 服務(wù)器平臺

監(jiān)控系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)平臺為華為云平臺，用戶可在平臺上建立物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品云端服務(wù)。在建立產(chǎn)品與設(shè)備時，開發(fā)人員可獲得設(shè)備（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）證書，并下載到芯片上，當設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺時，將通過此證書認證身份。從事件、服務(wù)、屬性等方面定義產(chǎn)品功能，并按照此前定義的功能構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，設(shè)備建好后可建立連接激活設(shè)備。建立完成即可將物理空間中的實體進行數(shù)字化處理，從而在云端構(gòu)建該實體的數(shù)據(jù)模型，并將數(shù)據(jù)上傳到云端。數(shù)據(jù)處理和上傳流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理和上傳

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于北斗+華為云的智慧冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)精度較高，成本較低，且操作簡便，穩(wěn)定性強。該系統(tǒng)可監(jiān)測冷藏車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化，實現(xiàn)對運輸物流進行位置、溫濕度、含氧量、乙醇和水質(zhì)pH值的實時監(jiān)控，在檢查到異常時發(fā)出警報，并支持在華為云端實時查看數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于冷鏈運輸過程，降低生鮮在運輸過程中的損耗，提高冷鏈運輸效益。