树莓派（Raspberry Pi）在冷链监控系统中应用的探讨

叶飞 李莉 江涛 曹彦

[摘 要] 笔者以浙江省疾病预防控制中心冷链监控系统作为实例，分析传统RS-485总线架构的冷链监控系统的不足，探讨冷链监控系统结合树莓派后在硬件成本控制、系统维护管理和报警机制完善等方面带来的改变。

[关键词] 温湿度监控；树莓派；RS-485

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 18. 029

[中图分类号] TP391.4 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）18- 0043- 02

冷链监控系统是针对冰箱、冷库、冷柜、冷链车等冷链设备的储存温度进行实时远程监控和管理，并定向报警通知技术人员，实现无人值守的主要解决方案。借助于该系统可以实现对物理位置分散的冷链设备进行集中管理，尤其是在疫苗运输过程中冷链车内温度和具体位置信息的实时远程监控。

1 实例分析

浙江省疾病预防控制中心于2010年就开始冷链监控系统建设，该系统实现了对分散在2幢实验楼不同楼层的各类冰箱、冷库等冷链设备的实时温度监控和自动报警功能。该系统由冷链监控系统软件、短信发送器、协议转换器、温度传感器、数据记录仪组成，以RS-485串行总线标准进行数据传输。在不同的大楼之间通过协议转换器来实现利用原大楼弱电工程预留的多模光纤，达到减少布线工程量的目的。

在各个楼层各设备间部署的温湿度数据记录仪实时采集温湿度传感器的数据，并通过RS-485总线将各冷链设备温湿度数据上传至中心服务器。中心服务器提供各冷链设备温湿度信息统一查询、展示功能，方便各管理员直观地观察其负责冷链设备的实时温湿度信息。同时，中心服务器具有自动监控和短信报警功能，能够自动发现异常的温度信息，并向设备责任人发送报警短信。采用温湿度数据记录仪外接温度传感器的方案，可以借助温湿度数据记录仪自身具有一定的存储空间的设计，使温湿度数据记录仪可以缓存一定时间量的温度监测数据。在该系统日常运行过程中也发现基于RS-485串行总线架构的冷链监控系统，在管理和维护方面带来的一些不便。

1.1 温湿度数据记录仪存在较多的限制，不利于扩展

单个温湿度数据记录仪能够外接的传感器的数量有限（一般为1～4个）且支持的传感器品牌比较单一。对于冷链设备数量较多，物理位置不集中的情况下，则需要安装多个温湿度记录仪。同样，即使多个冷链设备集中在一个房间，但是数量超过温湿度记录仪支持的外接传感器数量，也需要安装多个温湿度记录仪。

1.2 数据传输总线不灵活，无法利用现有的以太网络

由于整个系统数据传输采用RS-485串行总线的标准，当需要增加一个冷链设备间时，无法直接利用该房间已有的以太网端口，还是需要铺设RS-485串行总线所使用的线缆。即使只是某个冷链设备从一个冷链设备间搬至另外一个冷链设备间的情况发生时，仍可能需要对原有的RS-485串行总线线路走向进行调整。

1.3 集中告警机制存在管理漏洞

中心服务器负责集中存储和管理温湿度记录数据，同时提供对冷链设备的温湿度数据进行监控，一旦发生异常时便向预设好的设备责任人发送告警短信的功能。如RS-485串行总线发生故障，各冷链设备的温湿度监控数据就无法及时传送到中心服务器。假如在故障期间某冷链设备温湿度发生异常，异常的温湿度信息虽然已经被温湿度记录仪所记录，但无法上传至中心服务器，中心服务器也就无法发出报警短信。虽然总线故障修复后，数据仍会上传，中心服务器届时也会发出报警短信，但已经错过了温湿度发生异常的第一时间。同样，总线上任何一个设备发生故障，必将影响总线数据传输，导致其他正常设备监控的数据也无法上传至中心服务器。

2 树莓派介绍

树莓派（英文名为：Raspberry Pi，简写为RPi，或者RasPi/RPi）是一款只有一张信用卡大小，搭载ARM架构处理器的单板计算机。树莓派作为一款极其廉价的单板计算机不仅具有USB接口、快速以太网接口、SD卡扩展接口及HDMI高清视频输出接口这类常规接口，还具有一个26Pin的插座，该插座集合了GPIO，I2C，SPI接口。通过该插座可以连接光线、温度、湿度、灰尘等等各类传感器。

树莓派可以搭载Linux操作系统，使用C语言或者python语言编写简单的程序代码，可轻松连接各类支持GPIO或者I2C接口的温湿度传感器，将获取温湿度数据存储于标准格式的文本文件，也可以支持江温湿度数据存储于MySQL数据库中。

3 树莓派应用探讨

3.1 突破外接设备数量、品牌限制

一个标准的树莓派具有8个GPIO外部接口，1个I2C总线接口。连接到I2C总线的电子器件之间通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线传递信息。因此，支持I2C接口的任何品牌温湿度传感器，只要设备地址不同即可同时接入。对于部分设备地址相同的温湿度传感器，则可以在单个树莓派上级联IO拓展板，实现相同设备地址的多个温湿度传感器同时在线。因此单个树莓派足以替代温湿度数据记录仪，通过I2C总线直接连接温湿度传感器，且支持同时连接的温湿度传感器数量远远大于温湿度数据记录仪。

3.2 抛弃RS-485总线，改用TCP/IP协议传输数据

树莓派具有标准的RJ45以太网接口，可以通过冷链设备间墙面有线网络端口轻松接入内部局域网向中心服务器传送各冷链设备的温湿度数据。即使冷链设备间没有预留有线网络端口，也可以通过外接USB接口的无线网卡，通过无线热点接入网络，这就减少了RS-485总线布线的工程量，在简化布线工程量的同时最大程度地减少了对外立面美观性的破坏。采用了以太网的星型结构也避免了总线型结构时常发生的单一设备故障导致其他设备无法数据上传的问题发生。

3.3 完善报警机制，实现多重报警防护体系

通过将单一中心服务器集中发送报警短信的模式改为各冷链设备间安装的树莓派直接发送报警的模式，可以使各设备间安装的树莓派按照预先设定的规则，实时判断从温湿度传感器获取温湿度信息，及时发送报警短信。采用短信服务商提供的WebService接口的方式可以使各树莓派独自发送报警短信，并且相互之间无不干扰。同时通过树莓派自带的GPIO接口可以连接声光报警器，实现在冷链设备间现场提供声光报警提醒值班人员。

树莓派丰富的外部接口不仅能连接温湿度传感器、声光报警器等设备，也可以连接各种摄像头，甚至机械臂等外部设备，提升安保监控等级，实现远程遥控操作等各种功能。因此，在非极端的环境下，将树莓派应用于冷链监控系统之中，不仅在大幅度降低冷链监控系统建设经费的同时，可以提供更完善的监控机制和更加智能的控制功能。

主要参考文献

[1]李文胜.基于树莓派的嵌入式Linux开发教学探索[J].电子技术与软件工程，2014（9）.

[2]谷吉海.药品冷链监控系统数据传输程序设计[J].包装工程，2014（5）.