基于物联网技术的冷链信息追踪与报警装置研究

徐中干

【摘 要】文章基于物联网技术、数据检测技术和制冷设备技术，设计了一套冷链物流信息追踪与报警装置。装置通过ZigBee和GPRS模块进行数据采集，通过云端大数据进行统计和分析。装置不仅可以实现冷链所涉及货物在库在途温度、湿度等信息的全程实时监控及货物定位，同时提供了重要信息的多通道报警功能。文章设计的装置对于解决冷链系统控制存在的不足和提高冷链系统信息的透明度和可控性具有重要的现实意义。

【关键词】物联网;冷链物流;ZigBee;报警装置

【中图分类号】TN915.5-34 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）04-0044-03

0 引言

冷链物流泛指冷藏冷冻类物品在生产、贮藏、运输到消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下，以保证质量、减少损耗及变质的一项系统工程。近年来，随着冷链物流市场快速地扩大，随之产生了不少问题。国内许多大型商贸公司虽然设有冷链物流部，但都没有统一的管理标准，在软件与硬件设施上存在一些严重的问题[1]。据不完全统计，农产品、海产品、奶制品损失率大约占到2.5%，主要原因是过程温度监控不到位。药品行业的货物运输也是冷链的一个大客户群体。在之前查处的药品质量变质案件中，大约有30%的案件是因冷藏冷冻药品在运输与存储等方面未达到冷链规范要求，导致药品严重变质等，造成不必要的医疗事故[2]。

冷链的监控主要涉及在库与在途温度、湿度监控两个方面。在冷库中只要配备了自动控制系统，通常就能实现在冷藏冷冻库的温度与湿度的实时自动监控，但对于在途运输中温度、湿度的监控，由于技术上存在一定的困难，只能在货物到达目的地验收时才能发现问题并进行处理。在库和在途温度、湿度监控系统的应用，可以规范冷链产品的出入库，使运输操作标准流程化，防止人为原因导致的冷链货品过长时间暴露在不符合要求的温度、湿度环境中造成不可估量的损失[3]。

本文针对现有冷链信息采集的不足和时常出现的“断链”现象，利用物联网技术设计一种冷链信息追踪及报警系统，可以实现冷链所涉及货物的在库和在途信息的全程实时监控，同时能对冷链中偏离设定值的信息和安全信息实施多通道报警功能，从而大幅提高冷链系统信息的透明度和可控性，具有广阔的应用价值。

1 系统总体设计方案

1.1 系统总体架构

系统的总体架构分为3层，如图1所示。

第一层：现场数据采集层。主要实现在途和在库监控中的信息数据采集，包括温度采集、湿度采集、压力采集等。该层主要基于ZigBee构建的无线网络，把各种传感器采集到的技术数据统一汇总至主控ARM芯片，然后通过GPRS无线传输汇报给云端的服务器。

第二层：云服务层。主要对采集到的数据进行过滤、去除噪音，然后入库、提取和分析等。结合各种设定的规则，对需要监控的冷链信息出现技术数据偏移时进行告警，然后通过各种手段，包括短信、邮件、电话等，通知相应的管理负责人。这一层主要是构建一个信息分析、存储和告警的系统。

第三层：用户访问层。主要提供了对实时监控数据的展示、历史告警信息及用户自定义的规则设置，用户通过手机App或者PC端的浏览器，通过一定的登录校验，就可以进入系统当中进行相应的数据查看、操作和规则上传、下载等。

1.2 数据采集通信协议

当前，比较常见的无线网络协议有802.11b、ZigBee与蓝牙等[4]，这几种通信协议的通信范围与数据速率等的主要特点见表1。

冷链相关信息的追踪与监测具有低速率、小范围、无线传输等特点。本文采用ZigBee协议实现冷链现场参数的实时采集与监控。

1.3 数据上报和告警通信协议

目前，手机App软件与PC浏览器等的数据传输方式最常用的是HTTP协议，以及在该协议基础上的一种更为安全的HTTPS协议。本系统中的现场实时数据传输到云端，系统提供的用户访问服务都基于HTTPS协议。

2 数据采集部分设计

2.1 ZigBee数据采集

2.1.1 传感器数据采集

传感器监测节点主要是实时采集在途或在库的冷链信息，包括温度、压力、湿度等方面的技术数据[5]。因此，ARM芯片、ZigBee模块、传感器和电源是构成监测节点的必要构成部分。由传感器采集到的技术数据快速地输入到ZigBee网络，然后发送技术数据至主控节点，根据时钟信号，设定睡眠与定时唤醒功能。传感器技术数据采集流程图如图2所示。

2.1.2 协调器处理流程

网络协调器的主要作用为建立与维护ZigBee网络，快速转发主控节点下发的网络配置命令，并向主控节点传递冷链各个环节监测的各种实时技术数据信息[6]。因此，网络协调器需要由微处理器、上位机的通信接口、ZigBee射频模块与电源模块构成。

协调器初始化时，重置网络协议栈，然后接收由传感器检测的各项技术数据，以及时转送至网络并分配节点，准确无误地接收技术数据进行通信。协调器处理流程图如图3所示。

2.2 主控节点的设计

主控节点的最主要功能是接收来自采集节点的温度、湿度、气体压力等数据，并将这些数据通过GPRS传给云端的监控中心[7]，其硬件设计主要包括处理器及其外围接口电路如GPRS通信、ZigBee通信等。主控节点中的ZigBee模块与处理器STM32F107之间采用串口方式进行通信。主控节点硬件组成方框图如图4所示。

2.2.1 GPRS模块的设计

选用SIM800 GPRS模块，其是一种四频GSM/GPRS模块，SMT封装，其性能稳定，性价比较高，可以满足客户的多种需求。该模块的主要特點及性能见表2。

2.2.2 GPS模块的设计

该系统是采用飞凌嵌入式技术有限公司的VK1613 GPS集成模块用以运输定位识别，此模块是一个完整的卫星定位接收设备，具有全方位功能，可以满足专业定位的较高要求;并且体积小、功耗低，可以适应用户的各种需要。该产品采用了新一代SIRFIII功耗低芯片，灵敏度超高，在城乡结合、山高低洼等信号较弱的公路小道上，都能实现准确、快速的定位功能;可以广泛应用于多种GPS终端产品的开发。该模块的主要特点和性能见表3。

3 云端系统总体设计

云服务器总体架构设计如图5所示。云端系统总体上采用B/S的架构，对采集到的技术数据进行存储、分析与告警等。系统处理分为4个部分：数据分析、数据存储、动态展示及即时告警，构建了一个完善的控制体系。

（1）数据分析。包括设备管理、组织管理、权限管理等。设备管理是对各个在途和在库的无线采集设备进行统一的登记管理、版本控制和开关机及启停等操作。用户管理、组织管理和权限管理主要是把告警和监控的数据授权给不同的组织和用户访问，满足不同组织和用户的个性化需求。规则引擎主要提供各种告警的引擎规则配置，便于在不同的环境、设备条件下，全方位地追踪和监控告警信息。

（2）數据存储。提供各种不同数据的存储，包括关系型数据库MySQL，实时图片的摄取、上传后保存到云服务器便于后期追溯和观察分析，还有诸多日志信息可以存储到NoSQL的数据库。

（3）动态展示。提供Dashboard的大屏实时监控，分区域和各种场景监控等，为了满足各个不同地区用户访问的性能要求，需要提供CDN、负载均衡等手段，同时为了保障线上的应用安全和数据安全，需构建相应的防火墙与入侵检测等设备进行防护保障。

（4）即时告警。提供了多样化的告警手段，包括短信、邮件、电话及IM的实时通知，例如连接钉钉的告警API，目的是为了让告警信息尽可能快速、全面地通知到相关的管理负责人。

4 结语

在冷链物流中引入了物联网技术，使冷链在运输与保存过程中得到稳定的监控并加以合理处理，使冷链物流的品质得到有效的保障。基于物联网技术、检测技术与制冷技术研究的基础上，自主设计了一套冷链信息追踪与报警装置，主要包括基于ZigBee和GPRS的数据采集设备和进行数据分析及告警的云端服务器。项目的主要创新点为控制集成模块化、不间断的实时监控、设备运行导致货物损坏危险报警及定位、数据传输多样化及安全、节能、环保等。

参 考 文 献

[1]蔡依平，李映炼.物联网在新鲜食品冷链物流中的应用[J].上海电力学院学报，2015（11）：55-59.

[2]白璐.农产品冷链物流中物联网应用体系的构建[J].现代经济信息，2018（4）：336.

[3]吴冬燕，石瑞华.基于物联网的食品冷链安全监控系统研究[J].食品工业，2016（9）：174-176.

[4]刘亮.基于ZigBee和GPRS的冷链监测系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

[5]赵鹏.基于ZigBee技术的冷链无线监测系统的研制[D].北京：中国人民解放军军事医学科学院，2009.

[6]孙卓.基于WSN和ZigBee的水质监测系统设计[J].电子设计工程，2017（24）：96-100.

[7]齐林，韩玉冰，张小栓，等.基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统[J].农业机械学报，2012（8）：134-140.

[责任编辑：钟声贤]