基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品冷鏈閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)研究

文/李愈娜

在食品冷藏及物流運(yùn)輸領(lǐng)域，食品的品質(zhì)一直是食品生產(chǎn)及物流運(yùn)輸企業(yè)持續(xù)關(guān)注的問題。為提高食品在冷藏運(yùn)輸過程中保鮮的穩(wěn)定性，確保不會(huì)因?yàn)榕及l(fā)因素對(duì)食品的新鮮產(chǎn)生影響，本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、GPS技術(shù)、4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)的食品監(jiān)控系統(tǒng)，確保食品從出廠到消費(fèi)者中的各個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)境閉環(huán)監(jiān)控。系統(tǒng)具備食品環(huán)境異常預(yù)警，食品保鮮失效提醒等功能。該系統(tǒng)能夠解決食品儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域的溫度閉環(huán)控制問題，有效降低因儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境的改變而導(dǎo)致食品變質(zhì)問題，從而降低企業(yè)的損失。冷鏈（Cold Chain)是指食品在從生產(chǎn)到消費(fèi)者的各個(gè)環(huán)節(jié)的低溫環(huán)境，是保證食品質(zhì)量的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。我國當(dāng)前的冷鏈物流發(fā)展時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，它的存在為企業(yè)在生產(chǎn)食品時(shí)減少了損失和浪費(fèi)，確保了食品的品質(zhì)，是食品流通行業(yè)不可或缺的一環(huán)。由于食品的流通環(huán)節(jié)由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運(yùn)輸及配送、冷凍銷售等環(huán)節(jié)構(gòu)成，各個(gè)環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將導(dǎo)致食品質(zhì)量出現(xiàn)問題。因此，對(duì)冷鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控，是保證食品質(zhì)量的有效措施。當(dāng)前的冷鏈環(huán)節(jié)仍然由各節(jié)點(diǎn)自己控制，物流公司或者生產(chǎn)企業(yè)仍然無法做到對(duì)流通環(huán)節(jié)的閉環(huán)監(jiān)控。徐向麗[1]設(shè)計(jì)了一種用于在線肉類分解氣體檢測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，通過GPRS/SIM 模塊自動(dòng)上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。梁琨[2]等設(shè)計(jì)了一種冷鏈運(yùn)輸中的溫濕度信息采集系統(tǒng)，馮賀平[3]基于Zigbee協(xié)議開發(fā)了果蔬物流實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)，陳偉炯[4]利用GeNIe軟件建立醫(yī)藥冷鏈物流環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在冷鏈物流環(huán)節(jié)的監(jiān)控領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的機(jī)構(gòu)及個(gè)人在開展研究，對(duì)于冷鏈環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也有所涉及，而冷鏈物流環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制，則有待繼續(xù)研究。閉環(huán)監(jiān)控，是指對(duì)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境溫度能夠執(zhí)行在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)控制，失溫預(yù)警等功能。本文將著重探討在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下構(gòu)建食品冷鏈閉環(huán)監(jiān)控及控制系統(tǒng)，采用PLC、物聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車、物的信息物聯(lián)，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IOT）是通過各類傳感器將物與物、物與人進(jìn)行交換的載體；可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是一種在工業(yè)上廣泛運(yùn)用的工業(yè)控制裝置；無線射頻識(shí)別即射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式識(shí)別物體；全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），用于為物體提供地理位置信息。本文所設(shè)計(jì)的方案如圖1所示，物聯(lián)通訊終端設(shè)備安裝于物流終端（冷庫車上），每個(gè)終端有一個(gè)唯一的身份RFID卡，對(duì)應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)的接收設(shè)備，PLC采用RS232C串口與物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備進(jìn)行通訊，溫度和濕度通過模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量模塊（A/D模塊）上傳到PLC，并通過PLC使用PID控制技術(shù)保持冷庫的恒溫和恒濕，從而根據(jù)食品的儲(chǔ)運(yùn)條件控制冷庫的溫濕度，PLC的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程管理服務(wù)器（IOTService），管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。RFID系統(tǒng)采集操作員的一卡通，進(jìn)行出入庫人員確認(rèn)操作。冷庫的各種信息通過本地的物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備上傳至物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器（IOTService），通過服務(wù)器與管理系統(tǒng)相連。物聯(lián)網(wǎng)搭建分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層[5]，感知層是根據(jù)系統(tǒng)的需求采集和感知外部的物理世界狀態(tài)，本文中采用的數(shù)據(jù)包括溫濕度、空氣質(zhì)量、操作人員的信息等數(shù)據(jù)，感知的環(huán)境中，每一個(gè)傳感器都將分配有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)和地址；網(wǎng)絡(luò)層，將采集的數(shù)據(jù)按需通過窄帶互聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）、GSM/GPRS、以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等方式以訪問網(wǎng)關(guān)的方式接入到核心網(wǎng)（即互聯(lián)網(wǎng)中）；服務(wù)層，是指對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理，云計(jì)算、以及發(fā)出指令等操作，服務(wù)層可以將信息發(fā)送到設(shè)備控制器（PLC、Arduino），實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.儲(chǔ)藏和運(yùn)輸設(shè)備環(huán)境監(jiān)視與控制

冷鏈物流中儲(chǔ)藏與運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，由于食品與環(huán)境[6-7]有關(guān)的主要因素有（1）環(huán)境氣體因素：醛酸類和醛類氣體，（2）胺類氣體（3）溫度（4）濕度等。PLC是工業(yè)上運(yùn)用非常廣泛的工業(yè)控制器，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集，并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制冷庫的溫度。溫度及濕度控制采用PLC作為控制器，以A/D模塊作為溫度及濕度采集，PLC作為數(shù)據(jù)采集及控制環(huán)境溫度的主控制器，溫度的采集方法可以采用通訊采集或者模擬量電流4-20mA輸入到PLC，同時(shí)，PLC對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行PID控制，PLC的所有數(shù)據(jù)通過RS-232C數(shù)據(jù)接口提交到本地的IOT通信設(shè)備中，IOT通信通過4G信號(hào)上傳至遠(yuǎn)端的IOT服務(wù)器中，并儲(chǔ)存在云服務(wù)器，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成報(bào)表。

圖2 儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境監(jiān)視與控制技術(shù)框圖

3.閉環(huán)控制系統(tǒng)報(bào)警方法研究

長時(shí)間的環(huán)境不達(dá)標(biāo)是造成食品變質(zhì)的主要因素，為此，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)的失溫時(shí)，系統(tǒng)能夠第一時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警示信息給儲(chǔ)運(yùn)員，這是一項(xiàng)非常有效地預(yù)警方式。預(yù)警的方式可以提醒管理員采取緊急措施進(jìn)行補(bǔ)救。對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備中的環(huán)境數(shù)據(jù)，由于位置及傳輸信號(hào)的變化，其采集的數(shù)據(jù)不完全同步，也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，如果采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警則會(huì)存在誤報(bào)及多報(bào)現(xiàn)象，針對(duì)冷鏈儲(chǔ)存的環(huán)境因素，如何降低誤報(bào)率是閉環(huán)控制的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。變化趨勢(shì)[8]報(bào)警將某一時(shí)間段的信號(hào)值進(jìn)行提取并進(jìn)行最優(yōu)擬合，針對(duì)擬合的結(jié)果進(jìn)行定性趨勢(shì)分析，針對(duì)趨勢(shì)與閾值進(jìn)行比較從而給出報(bào)警信息，能夠有效地降低誤報(bào)率。本文采用數(shù)據(jù)分析的方法，將環(huán)境因素進(jìn)行分析，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。假設(shè)溫度離散點(diǎn)值為y=ψ（a，b），溫度離散值定期進(jìn)行采集，保存到數(shù)據(jù)中，通過云計(jì)算，系統(tǒng)計(jì)算期間內(nèi)溫度的變化情況，從而判斷出冷庫的儲(chǔ)存環(huán)境情況。

4.冷鏈物流溫度閉環(huán)控制

冷藏車的溫度由本地的控制器根據(jù)設(shè)置的溫度進(jìn)行控制，采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)搭建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，將設(shè)備的信息通過物聯(lián)網(wǎng)IOT上傳到云服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)不同的食品種類，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及反饋。對(duì)各個(gè)物理點(diǎn)進(jìn)行有效控制。冷藏控制系統(tǒng)主要是對(duì)冷庫溫度和制冷壓縮機(jī)功率進(jìn)行控制。兩者形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過控制電源的輸出功率和壓縮機(jī)工作時(shí)間來控制儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)的溫度，溫度又會(huì)影響電源輸出功率的調(diào)節(jié)[9]。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。在冷庫的周圍安裝溫度傳感器，通過溫度采集裝置將采集到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)通過變送器轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)（4～20 mA）。模擬電流信號(hào)經(jīng)PLC的AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，輸入到PLC的基本單元中，與設(shè)定溫度比較后進(jìn)行PID溫度控制運(yùn)算輸出控制信號(hào)。PLC控制器把控制信號(hào)通過485總線傳輸?shù)紻SP控制器中形成閉環(huán)控制，由制冷電源控制端來決定是否繼續(xù)制冷。使溫度與壓縮機(jī)工作形成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，閉環(huán)控制接收云端的溫度設(shè)定。為防止出現(xiàn)過溫和欠溫的情況，引入溫度PID控制[10]，溫度閉環(huán)可根據(jù)傳感器的反饋值與測(cè)試設(shè)定值的差為不斷優(yōu)化基礎(chǔ)訓(xùn)練輸出的電流值，達(dá)到均勻制冷的目的。

圖4 基于PLC的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

5.結(jié)語

本文提到的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)過程的制冷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)要求進(jìn)行閉環(huán)控制，能夠?qū)?chǔ)運(yùn)的溫度根據(jù)食品的不同而實(shí)時(shí)進(jìn)行控制，既可以節(jié)省能源，又可以保證食品的品質(zhì)，對(duì)于冷鏈物流企業(yè)提升效益和管理的水平非常有幫助，通過云端系統(tǒng)的控制可以使用企業(yè)對(duì)各個(gè)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的環(huán)境溫度進(jìn)行控制，系統(tǒng)值得推廣與使用。