基于物聯(lián)網(wǎng)超市生鮮冷鏈設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 大型超市在生鮮產(chǎn)品的儲藏、售賣期，為防止設(shè)備故障對食品品質(zhì)和安全造成影響，需對設(shè)備進行即時管理。針對超市冷凍設(shè)備和冷藏設(shè)備，文中為其定制了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的生鮮冷鏈設(shè)備監(jiān)控解決方案。該系統(tǒng)通過對不同設(shè)備參數(shù)進行監(jiān)測，并利用無線通信模塊與云平臺相結(jié)合，實現(xiàn)對超市冷鏈設(shè)備遠程實時監(jiān)測和管理。監(jiān)控平臺采用Node.js開發(fā)，包括MySQL數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，為用戶提供直觀的監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)分析功能。通過該系統(tǒng)，超市管理人員能夠有效監(jiān)測冷鏈設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取措施，從而保障食品品質(zhì)和安全，提高運營效率。

關(guān)鍵詞： 冷鏈設(shè)備； 監(jiān)控系統(tǒng)； 4G通信； 數(shù)據(jù)傳輸； 數(shù)據(jù)交互； 云平臺； 數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TN919?34； TP277" " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）03?0119?05

Design of supermarket fresh and cold chain equipment monitoring system

based on the Internet of Things

ZHANG Wanting， SUN Yunqiang， YAO Aiqin， YANG Xiao

（School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： It is required to implement immediate management of equipment to prevent equipment failures from affecting food quality and safety during the period of storage and sales of fresh products in large supermarkets. This system has customized a set of IoT?based fresh and cold chain equipment monitoring solutions for supermarket freezing and refrigeration equipment. In the system， different equipment parameters are monitored， and the wireless communication modules are combined with cloud platforms， so as to achieve remote real?time monitoring and management of supermarket cold chain equipment. The monitoring platform is developed by Node.js， including MySQL database and Web server， and the platform can achieve data visualization and provide users with an intuitive monitoring interface and the function of data analysis. By this system， the supermarket managers can monitor the operation status of cold chain equipment effectively， detect abnormalities timely and take proper measures， so as to ensure food quality and safety， and improve operational efficiency.

Keywords： cold chain equipment; monitoring system; 4G communication; data transmission; data interaction; cloud platform; database

0" 引" 言

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對食物質(zhì)量與安全性的要求也在不斷增長。在食品零售領(lǐng)域，特別是在大型超市中，生鮮冷鏈設(shè)備的運行狀態(tài)直接影響著食品的新鮮度和安全性[1]。這些設(shè)備通常包括冷凍設(shè)備和冷藏設(shè)備。冷凍設(shè)備用于存放需要在極低溫環(huán)境下保存的食品，如冷凍肉類、速凍食品、冷凍半成品食品等。

溫度通常低于-18 ℃，該設(shè)備包括冷凍柜、冷凍庫和冷凍展示柜。冷藏設(shè)備用于存放需要保持在低溫環(huán)境下的食品，如新鮮肉類、新鮮蔬菜、新鮮水果、奶制品等，一般溫度控制在0～4 ℃之間，冷藏設(shè)備通常包括冰箱、冷藏柜、冷藏庫等。

然而，這些設(shè)備往往無時間限制，可以自動運行，如果需要人工進行值守，則人工成本大大提高；如果不配備人工，設(shè)備就會自行運轉(zhuǎn)，若出現(xiàn)故障就無法進行及時的預(yù)警和處理，小故障可能會轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊收?，進而容易產(chǎn)生較大的安全隱患和對設(shè)備的永久性損害。

因此，急需一種能夠取代人工進行實時值守的報警設(shè)備，對設(shè)備的運行狀態(tài)、溫度和濕度等進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況并采取相應(yīng)的措施。為了解決這些問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的超市生鮮冷鏈設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過搭建生鮮冷鏈設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，實現(xiàn)對生鮮冷鏈設(shè)備的管理、實時監(jiān)測控制、預(yù)警。

1" 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)的標準體系結(jié)構(gòu)中，一般分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層[2]。其中：感知層的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的采集和感知，該層通過使用各類傳感器來監(jiān)測冷凍設(shè)備和冷藏設(shè)備的溫度、濕度、電壓、電流等參數(shù)，并將獲取的數(shù)據(jù)進行整合和處理；傳輸層主要由4G無線傳輸模塊和服務(wù)器端接收器構(gòu)成；應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控平臺組成。

該架構(gòu)中，4G無線傳輸模塊負責將4G網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳送給云端服務(wù)器[3]，完成對數(shù)據(jù)的遠距離傳輸和實時監(jiān)控。服務(wù)器端接收器則承擔著接收并解析傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，并提供給監(jiān)控平臺進行展示和分析。這兩個部分的協(xié)同工作確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和高效處理，為整個系統(tǒng)的正常運行提供了可靠的支持。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 4G通信模塊

A600?CAT1?TTL是一款高穩(wěn)定性的工業(yè)級全網(wǎng)通無線通信模塊，適用于移動、聯(lián)通、電信等多種4G網(wǎng)絡(luò)[3]制式。該模塊支持各種類型的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，如TCP/IP、UDP、MQTT等，以適應(yīng)各種應(yīng)用場景的需求，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸與遠程監(jiān)控。此外，該模塊擁有豐富的通信接口，包括UART、USB、GPIO、ADC等，方便與其他設(shè)備連接和數(shù)據(jù)交換。內(nèi)置SIM卡槽，支持2G/3G/4G等各種類型的SIM卡，提供更大的靈活性和兼容性。該模塊可以用AT指令進行配置與控制，并具備較好的可編程與可擴展性，使用者可以方便地進行操作，并能滿足用戶的定制化需求。4G通信模塊和SIM卡連接原理如圖2所示。

2.2" 服務(wù)端通信程序

當冷鏈設(shè)備開始執(zhí)行其工作流程時，4G通信模塊便會被喚醒進入到主循環(huán)中，在這個階段，模塊開始接收來自設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后啟動程序初始化操作，接下來，模塊需要嘗試與位于云端的服務(wù)端進行Socket通信。創(chuàng)建一個Socket對象，并為它設(shè)置通信參數(shù)，比如指定服務(wù)端程序的IP地址以及端口號等，這些參數(shù)配置完成后，模塊可以嘗試建立Socket連接，如果連接沒有成功建立，則重新設(shè)置所有的通信參數(shù)繼續(xù)循環(huán)并累計次數(shù)，如果連續(xù)3次建立Socket連接失敗，那么模塊不得不重新上電進入循環(huán)，直到成功與服務(wù)端建立穩(wěn)定的Socket通信。當模塊成功地與服務(wù)端建立連接后，便執(zhí)行一個關(guān)鍵的操作流程——發(fā)送注冊包。隨后，程序進入了自動化的通信監(jiān)測階段，本文系統(tǒng)設(shè)定的通信時間間隔為1 min，檢測是否達到設(shè)置的通信時間間隔，如果在當前時刻沒有達到預(yù)設(shè)的通信間隔，那么系統(tǒng)會進入休眠狀態(tài)，在3 s之后，系統(tǒng)重新進行一次監(jiān)測，以確認是否已經(jīng)達到1 min的時間間隔。若達到，則將獲取到的冷鏈設(shè)備的實時運行參數(shù)發(fā)送至服務(wù)端程序，這些參數(shù)包括設(shè)備的狀態(tài)、使能狀態(tài)、可能存在的故障或報警信息以及當前的溫度等信息。模塊還需要向服務(wù)端程序發(fā)送心跳包，發(fā)送之后檢測是否發(fā)送成功，如果成功，則進入時間間隔檢測循環(huán)，反之，則重新獲取設(shè)備數(shù)據(jù)并再次發(fā)送心跳包。設(shè)備與服務(wù)器的通信流程圖如圖3所示。

2.3" MQTT通信協(xié)議

服務(wù)端程序需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過MQTT協(xié)議[4]進行傳輸。MQTT是一個輕量級、采用發(fā)布/訂閱方式的通信協(xié)議[5]，一般用來在低寬帶以及不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實現(xiàn)更有效的信息傳輸。首先需要服務(wù)端程序與MQTT代理服務(wù)器進行連接，再對監(jiān)控中心相關(guān)主題進行訂閱。當數(shù)據(jù)準備好后，服務(wù)端程序會向所訂閱的話題發(fā)布數(shù)據(jù)，隨后MQTT代理服務(wù)器將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。圖4是服務(wù)端與監(jiān)測中心之間的通信流程圖。

3" 云平臺管理

3.1" 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)首頁顯示了設(shè)備在線總數(shù)、報警設(shè)備數(shù)量和普通用戶個數(shù)。監(jiān)控中心的左側(cè)列表顯示設(shè)備名稱，右側(cè)顯示設(shè)備的在線狀態(tài)、設(shè)備號和設(shè)備實時環(huán)境數(shù)據(jù)。用戶可以點擊每一個環(huán)境參數(shù)，以折線圖的形式查看數(shù)據(jù)。報警管理功能用于監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)異常情況。用戶可以選擇不同設(shè)備和參數(shù)，查看每個報警數(shù)據(jù)的具體信息、報警級別和時間。這樣能及時提醒用戶對設(shè)備進行處理，防止物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障。數(shù)據(jù)管理功能用于存儲設(shè)備環(huán)境參數(shù)的歷史記錄，用戶可以選擇不同設(shè)備、不同參數(shù)和不同時間段來查詢數(shù)據(jù)。用戶信息模塊用于系統(tǒng)對用戶權(quán)限的管理，包括普通用戶和管理員的資料信息。系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。

3.2" 監(jiān)控平臺設(shè)計

本文采用前后端分離的方式設(shè)計監(jiān)控平臺，可以提高系統(tǒng)的靈活性和可維護性，并實現(xiàn)前端與后端的解耦。前端使用Vue[4]框架快速構(gòu)建用戶界面，Axios庫簡化HTTP請求處理。后端使用Express框架高效構(gòu)建API接口和處理請求。在監(jiān)控客戶端界面設(shè)計中包括系統(tǒng)首頁、系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控中心、報警管理、數(shù)據(jù)管理、用戶信息和設(shè)備管理等功能模塊[5]。這些模塊覆蓋了監(jiān)控平臺的主要功能需求，提供全面的監(jiān)控和管理功能。界面設(shè)計采用HTML5、CSS3和JavaScript[6?7]，實現(xiàn)美觀友好的頁面，提升用戶體驗。前端頁面的動態(tài)特性通過JavaScript完成，可以增加頁面的交互性和實時性，使用戶操作更加便捷。

3.3" 云數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本文系統(tǒng)選擇MySQL數(shù)據(jù)庫，因為它既具有高性能的磁盤存儲功能，又具有分布式文件系統(tǒng)的優(yōu)勢，適用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，而且保密性很強。MySQL能夠與各種數(shù)據(jù)庫類型兼容，為用戶提供了在線數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)更新和修改、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)查詢等功能，從而降低了數(shù)據(jù)庫的操作復雜性。在MySQL數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)表的形式進行組織和存儲[8]。針對超市冷鏈設(shè)備不同類型的數(shù)據(jù)，設(shè)計了很多數(shù)據(jù)表單，詳細記錄存儲設(shè)備的注冊信息、運行狀態(tài)、故障和報警記錄、設(shè)備溫度、設(shè)備濕度歷史記錄、電壓和電流歷史記錄、用戶信息和系統(tǒng)日志等內(nèi)容。具體的數(shù)據(jù)信息如表1所示。

4" 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在經(jīng)過了軟硬件調(diào)試工作，確保每一項功能都符合設(shè)計要求后，便開始進行測試。測試過程中嚴格遵循既定的通信協(xié)議，通過4G網(wǎng)絡(luò)將收集到的終端傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息迅速上傳到位于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上。隨后，通過專門的網(wǎng)頁訪問權(quán)限，用戶可以登錄到云平臺系統(tǒng)，這樣就能夠利用云端強大的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控。

1） 用戶進入登錄界面，輸入用戶名和密碼。登錄界面如圖6所示。

2） 用戶的權(quán)限分為管理員和普通用戶。管理員指的是超市的店長，而普通用戶指的是超市的店員。店長可以實時查看生鮮冷鏈設(shè)備的工作狀態(tài)、溫度、濕度等信息，并且具有處理報警的權(quán)限。此外，店長還能夠查看歷史數(shù)據(jù)、生成報表以及分析冷鏈設(shè)備的性能。普通店員則可以查看設(shè)備的基本工作狀態(tài)，如溫度和濕度，但不具備修改參數(shù)或處理報警的權(quán)限。用戶管理界面如圖7所示。

3） 冷鏈設(shè)備主要分為冷藏設(shè)備和冷凍設(shè)備，以確保食品的新鮮度和質(zhì)量。冷藏設(shè)備細分為冷藏柜、冷藏庫和冷藏貨架，用于存放需要保持在較低溫度的食品；而冷凍設(shè)備則包括冷凍柜、冷凍庫和冷凍貨架，專門用于冷凍保存食品以延長其保質(zhì)期。在監(jiān)控中心，操作人員可以實時監(jiān)測每個設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、電壓、電流以及開關(guān)狀態(tài)，以確保設(shè)備正常運行并保持食品在適宜的存儲條件下。冷藏設(shè)備中的冷藏柜的實時數(shù)據(jù)如圖8所示。

4） 用戶可以在設(shè)備歷史界面靈活選擇不同的設(shè)備和不同的環(huán)境參數(shù)進行查看，同時還能自定義需要查看的時間范圍，從而更全面、詳細地了解設(shè)備在不同條件下的運行情況和歷史數(shù)據(jù)。冷藏柜的溫度歷史數(shù)據(jù)如圖9所示。

5） 超市的冷藏設(shè)備通常需監(jiān)控溫度、濕度、電壓和電流范圍，確保食品安全存儲。冷藏設(shè)備溫度應(yīng)在0～10 ℃之間，避免食品變質(zhì)或口感受損。相對濕度應(yīng)保持在60%～80%之間，有助于保持食品新鮮度，避免過干或過濕。電壓應(yīng)在220～240 V范圍內(nèi)，穩(wěn)定電壓有助于設(shè)備正常運行，避免損壞。冷藏設(shè)備額定電流一般在1～10 A之間。冷凍設(shè)備溫度需保持在-18 ℃以下，相對濕度在20%～60%范圍內(nèi)。冷凍設(shè)備電壓通常為220 V或380 V交流電，電流大小取決于功率和設(shè)計要求。設(shè)備若超出監(jiān)控范圍將觸發(fā)報警，用戶可通過報警信息查詢歷史記錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)值判斷報警等級（一般、緊急或嚴重）。冷藏設(shè)備冷藏柜的報警數(shù)據(jù)如圖10所示。

5" 結(jié)" 語

本文通過設(shè)計和實施基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的超市生鮮冷鏈設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)冷鏈管理中存在的問題并提升食品安全和質(zhì)量管理水平。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺技術(shù)[9?10]的結(jié)合，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對冷藏和冷凍設(shè)備的實時監(jiān)控和控制，有效管理環(huán)境參數(shù)，并通過遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)了對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和及時干預(yù)，從而保障食品的新鮮度和安全性。這一監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計具有廣泛的應(yīng)用前景和市場潛力，在推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過系統(tǒng)測試驗證，證明該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計的功能需求，為食品行業(yè)提供了可靠的生鮮冷鏈設(shè)備監(jiān)控解決方案。

參考文獻

[1] 邱立國.生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈倉儲物流效率影響因素研究[J].物流科技，2024，47（3）：143?147.

[2] 毛文琪，瞿少成，趙亮，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的教室模糊AQI監(jiān)測管理系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2021，44（3）：160?164.

[3] 冼進，冼允廷.基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（4）：70?74.

[4] 魏靜博，黎芳芳，張芹，等.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)溫控平臺系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（4）：52?56.

[5] 榮鋒，孟環(huán)環(huán).基于MQTT協(xié)議的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（2）：75?79.

[6] 彭松.基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學，2019．

[7] 李廣宏.vue.js前端應(yīng)用技術(shù)分析[J].中國新通信，2019，21（20）：115.

[8] 肖鷹，曾志丹，張艷.基于云計算下現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2023，45（11）：117?121.

[9] 洪習歡，羅小巧，任藝婷，等.基于SSM框架的綠植管理與推薦系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2020，43（20）：165?170.

[10] 李詩，陳建平，向杰，等.基于HTML5及WebGL的周口店虛擬通信平臺構(gòu)建[J].計算機仿真，2020，37（11）：352?357．

[11] 李睿欣，姚磊，謝偉鴻.基于NB?IoT的多功能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測及控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（5）：72?75.

[12] 閆龍川，白東霞，劉萬濤，等.人工智能技術(shù)在云計算數(shù)據(jù)中心能量管理中的應(yīng)用與展望[J].中國電機工程學報，2019，39（1）：31?42.

[13] 王莉，周潼，牛群峰，等.基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的礦熱爐電極運行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].科學技術(shù)與工程，2020，20（20）：8276?8284.