基于ThingsCloud平臺(tái)的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)需求不斷擴(kuò)大的情況下，針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)冷鏈物流管理技術(shù)面臨著無統(tǒng)一數(shù)據(jù)系統(tǒng)支持、實(shí)時(shí)性差、監(jiān)管脫節(jié)、無法進(jìn)行預(yù)警、損失率大等問題，文章設(shè)計(jì)開發(fā)了一套冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助傳感技術(shù)采集GPS、溫濕度信息，采用MQTT通信協(xié)議將采集數(shù)據(jù)上傳至ThingsCloud云平臺(tái)，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)車載網(wǎng)關(guān)與中心監(jiān)控端的數(shù)據(jù)交互，對(duì)冷藏車資源進(jìn)行有效的跟蹤定位和監(jiān)測(cè)，為冷鏈物流創(chuàng)造了一種嶄新的智慧管理和控制冷藏車輛資源的科學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：智慧冷鏈；ThingsCloud云平臺(tái)；MQTT；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：F252；TP277" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉金敏（2001— ），女，本科生；研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)。

0" 引言

近年來，冷鏈?zhǔn)袌?chǎng)需求逐漸增加，因此，運(yùn)輸過程中的食品安全問題也備受關(guān)注。國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，要強(qiáng)化冷鏈物流全方位支撐、加強(qiáng)冷鏈物流全鏈條監(jiān)管。而我國(guó)冷鏈物流管理技術(shù)面臨著無統(tǒng)一數(shù)據(jù)支持、實(shí)時(shí)性差、監(jiān)管脫節(jié)、無法預(yù)警、損失率大等問題［1］，因此，從技術(shù)角度而言，設(shè)計(jì)開發(fā)一套冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程中的信息實(shí)時(shí)監(jiān)控和共享，為冷鏈運(yùn)輸安全提供保障。ThingsCloud是新一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一接入平臺(tái)，基于該平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期、減低運(yùn)營(yíng)成本、方便系統(tǒng)的部署和實(shí)施。

1" 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

按照物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)來設(shè)計(jì)的冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和感知層［2］。網(wǎng)絡(luò)層利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)、控制臺(tái)的控制指令進(jìn)行編碼、認(rèn)證，并傳輸?shù)綉?yīng)用層和感知層。應(yīng)用層將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理、云計(jì)算以及發(fā)出指令等操作，數(shù)據(jù)最終在中心監(jiān)控軟件中呈現(xiàn)，方便管理人員及用戶實(shí)時(shí)掌握冷鏈運(yùn)輸車的狀況。感知層通過GPS傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等采集到冷鏈運(yùn)輸車內(nèi)的實(shí)時(shí)參數(shù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為中心監(jiān)控、云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、車載網(wǎng)關(guān)3個(gè)部分。其中，中心監(jiān)控和云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)屬于應(yīng)用層，車載網(wǎng)關(guān)屬于傳感層。本方案采用NanoPi NEO開發(fā)板作為車載網(wǎng)關(guān)的主控器，主要記錄冷鏈運(yùn)輸車的地理位置、車廂內(nèi)環(huán)境情況等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送到ThingsCloud云平臺(tái)。車載網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)通信時(shí)，采用MQTT通信協(xié)議。云平臺(tái)接收到冷鏈運(yùn)輸車的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控閾值、告警規(guī)則、遠(yuǎn)程控制等操作。云平臺(tái)負(fù)責(zé)將車載網(wǎng)關(guān)與中心監(jiān)控進(jìn)行過組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，用戶可以通過中心監(jiān)控來訪問監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面，主要包括溫度、濕度、定位等信息［3］。

2" 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

2.1" 冷鏈監(jiān)管服務(wù)云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1" MQTT協(xié)議

MQTT是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的消息傳遞協(xié)議或規(guī)則集，用于機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信，能夠針對(duì)工業(yè)環(huán)境中有限的帶寬、有限的計(jì)算能力以及不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境做出針對(duì)性的優(yōu)化，使其適用于相關(guān)采集設(shè)備的消息推送并為遠(yuǎn)程連接設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)［4］。協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議上，由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；協(xié)議基于發(fā)布/訂閱模型工作，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合。客戶端通過向 MQTT 代理發(fā)送CONNECT消息來啟動(dòng)連接。代理通過響應(yīng)CONNACK消息來確認(rèn)已建立連接。MQTT通信原理如圖2所示。

2.1.2" ThingsCloud云平臺(tái)

ThingsCloud 是新一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一接入的平臺(tái)，可接入各類網(wǎng)關(guān)、傳感器、執(zhí)行器、控制器、通信模組、智能硬件等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、告警通知、智能聯(lián)動(dòng)，在設(shè)備和用戶之間建立開箱即用的云平臺(tái)和云應(yīng)用。DTU （Data Transfer Unit）是一種常見的物聯(lián)網(wǎng)通信終端產(chǎn)品，起到網(wǎng)關(guān)的作用，它一邊通過串口或無線技術(shù)連接各種傳感器、控制器、執(zhí)行器等，另一邊通過 Wi-Fi、Ethernet、2G/3G/4G/5G、NB-IoT 等方式連接互聯(lián)網(wǎng)，接入云端服務(wù)。

本系統(tǒng)采用DTU MQTT方式接ThingsCloud物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。首先，在云平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目，進(jìn)入項(xiàng)目為DTU創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)備，獲得設(shè)備MQTT連接參數(shù)，然后配置DTU連接云平臺(tái)，完成 DTU和云平臺(tái)連接的身份認(rèn)證配置。

2.2" 車載網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車載網(wǎng)關(guān)的功能包括與云平臺(tái)建立通信連接、創(chuàng)建線程、配置與讀取GPS定位模塊、讀取溫濕度傳感器的信息、規(guī)范數(shù)據(jù)的發(fā)送格式、上傳數(shù)據(jù)。其中，規(guī)范數(shù)據(jù)的發(fā)送格式擬采用輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式（JSON）以保證采集器與云平臺(tái)之間所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一致性及處理便捷性。車載網(wǎng)關(guān)功能架構(gòu)如圖3所示。

2.2.1" 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集過程

溫濕度傳感器選擇DHT11。數(shù)據(jù)讀取是基于C語言編寫的Matrix API reference manual庫(kù)實(shí)現(xiàn)。該庫(kù)主要給Matrix配件模塊使用，除常用的GPIO庫(kù)之外，還包括I2C庫(kù)、SPI庫(kù)、UART庫(kù)和軟件PWM庫(kù)等庫(kù)。此外，該庫(kù)還包含一個(gè)命令行工具GPIO，可用于設(shè)置、讀寫GPIO管腳，亦可在Shell腳本中使用以達(dá)到控制GPIO管腳的目的。就此，本設(shè)計(jì)從該庫(kù)中的demo：matrix-temperature_and_humidity_sensor工程文件中析出可簡(jiǎn)化獲取溫度、濕度信息過程的關(guān)鍵代碼，即通過Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載方式modprobe將指定的DHT11溫濕度傳感器直接加載入內(nèi)核，極大地簡(jiǎn)化了開發(fā)工作。在Linux操作系統(tǒng)中，目錄、字符設(shè)備、塊設(shè)備、 套接字、進(jìn)程、線程、管道等概念實(shí)體皆被視為一個(gè)“文件”，并通過文件描述符訪問。因此，讀取溫度、濕度數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)過程中只需將管腳視為文件并打開讀取即可。綜上所述，DHT11溫濕度傳感器的工作流程如圖4所示。

2.2.2" GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)

GPS定位模塊選擇Air530。該模塊與Nanopi NEO接口采用UART串口通信方式，數(shù)據(jù)的輸出則采用Air530支持的NMEA-0183協(xié)議V4.1版。該協(xié)議串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率9600 bps，數(shù)據(jù)位8 bit，開始位1 bit，停止位1 bit，無奇偶校驗(yàn)，此亦為Air530初始化串口配置信息。NMEA-0183協(xié)議包含有十多種數(shù)據(jù)幀，Air530則默認(rèn)輸出其中的GGA、GSA、GSV、RMC和VTG 5種。其數(shù)據(jù)幀以“$”開頭，隨后的消息ID指明使用何種語句標(biāo)識(shí)（衛(wèi)星系統(tǒng)）以及使用何種輸出格式，后面以逗號(hào)分隔數(shù)據(jù)體，末尾為校驗(yàn)和，并以lt;CRgt;lt;LFgt;以示消息結(jié)束。綜上所述，GPS定位模塊工作流程如圖5所示。

2.3" 監(jiān)控中心主要功能

2.3.1" 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)

監(jiān)控中心根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)界面所顯示的環(huán)境溫、濕度、地理位置信息，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。

2.3.2" 報(bào)警處理

當(dāng)車載網(wǎng)關(guān)接到報(bào)警或數(shù)據(jù)異常的信號(hào)時(shí)，第一時(shí)間通知相關(guān)人員，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)異常狀況調(diào)節(jié)車載中的溫度、濕度等，及時(shí)使車內(nèi)環(huán)境恢復(fù)正常值。

3" ThingsCloud云平臺(tái)處理數(shù)據(jù)

系統(tǒng)以NanoPi NEO開發(fā)板為主控模塊，通過低功耗無線溫濕度采集、冷鏈監(jiān)測(cè)一體機(jī)、定位模塊等獲取冷藏車溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示冷鏈運(yùn)輸車內(nèi)的情況。該平臺(tái)通過對(duì)冷鏈運(yùn)輸車進(jìn)行監(jiān)控，防止因超溫失效造成成本損耗，確保設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度可控［5］。當(dāng)冷藏車內(nèi)環(huán)境異常時(shí)，用戶登錄手機(jī)App會(huì)發(fā)生告警，以此確保車內(nèi)條件時(shí)刻符合冷藏要求。

4" 結(jié)語

本文提出了一種新型智慧冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)，車載網(wǎng)關(guān)利用傳感器采集冷鏈物流車輛的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，基于MQTT通信協(xié)議通過4G模塊對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，連接ThingsCloud云平臺(tái)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)車載監(jiān)控端與中心監(jiān)控端的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并設(shè)置報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷藏車資源的有效跟蹤定位管理。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 王雪芬）

Design and implementation of cold chain monitoring system based on ThingsCloud platform

LIU" Jinmin， DING" Xingchen， ZHENG" Shufang

（Tongda College of Nanjing University of Posts and Telecommunications， Yangzhou 225127， China）

Abstract： In the face of the increasing demand for cold chain market， this paper designs and develops a cold chain monitoring system to solve the problems of lack of unified data system support， poor real-time performance， disconnection in supervision， inability to issue warnings， and high loss rate in cold chain logistics management in China at present. The system utilizes sensing technology to collect GPS and temperature and humidity information， and transmits the collected data to ThingsCloud cloud platform via MQTT communication protocol. Through the cloud platform， it realizes data interaction between multiple onboard gateways and the central monitoring end， effectively tracks and monitors cold storage vehicles， and creates a new intelligent management and control mode for cold chain logistics by scientifically managing and utilizing cold storage vehicle resources.

Key words： Intelligent cold chain; ThingsCloud cloud platform; MQTT; Real-time monitoring