基于ONENET云平台的冷链物流车载终端监控系统设计

刘桄志 刘千

【摘 要】随着人们生活水平大幅度提升，人们更加关心食品的品质，如果食品在运输过程中，因储藏环境不达标造成食品腐烂，这就会给企业造成严重的损失。所以在食品运输过程中，对食品的温湿度PH值的监控就显得尤为重要。近些年，冷链物流的作用就迅猛地凸显了出来。通过对冷链物流系统的研究，结合了相关技术，针对冷链物流过程中的温湿度和PH值等实际环境需求设了计一款基于ONENET云平台和RFID的冷流物流车载监控系统。此监控系统可以实现食品在运输过程中的温湿度和PH值以及地理位置和食品属性地采集并将这些信息发送到云平台中供用户使用，实现了食品品质的保障和溯源。设计中用到了温湿度以及PH传感技术，GPS技术，RFID技术，4G技术、图像采集技术、PWM技术。

【关键词】冷链物流;GPS定位;4G;RFID射频识别;图像采集;传感器

引言

随着人类科技、医疗等方面的迅速发展，人们不仅满足于果腹的需求，对食品的品质也有了更高的要求。据调查，我国2018年水果和蔬菜的总量分别达到27000万吨、9.02亿吨居全球首位。但是28%的蔬果在运输、储藏和销售环节中产生一定的损耗[1]，所以冷链物流也显得尤为重要。据调查，在2016年果蔬产物在运输中产生的亏损占运输总量的30%[2]。这就表明，在果蔬产品运输过程中，温度和湿度的监控对果蔬产品的保鲜有着重要的作用。在冷链运输过程中，冷藏车内的温湿度控制对生鲜、药品等货物的品质有着至关重要的作用[3]。但是在实际运输的过程中，冷藏车内部缺少对温度湿度环境信息的监控记录和报警功能。除此之外市场上的冷链物流的监控系统对车辆信息，发车时间只能采取简单的手动记录，并且还不能对车辆进行定位。这就造成了食品运输过程不可溯源以及冷藏车内的温湿度发生变化却未采取相应的补救措施而造成的食品，药品的变质。对于以上问题，本文利用温湿度传感技术，PH传感技术，GPS全球定位技术，RFID射频识别技术[6]等物联网技术相结合设计一套可以实时查看冷链运输车辆内温度湿度和水产箱的PH值，并且利用全球定位技术可以远程观测到冷藏车的地理位置，应用射频识别技术记录货物的属性的冷链运输监控系统。

一、车载终端监控系统总体设计

在实际的冷链物流运输中的[4]，生鲜食品对于温湿度要求标准较高，因为在冷藏车内只有制冷设备却没有温度监控系统的情况下，一旦制冷设备出现问题或者车厢门意外开启，温度会发生变化，造成食品变质。在安装车载监控系统以后[5]，如果冷藏车内的温度变化到不利于货物储藏的温度阈值时，车载监控系统将会报警，告知管理人员。

除了冷链运输的环境温度之外，车载终端的监控系统还需要对运输货物进行识别，保证管理人员知道当前冷藏车中运送的是什么货物，采用射频识别技术极大地简化了物流运输过程中的出库入库记录，提高了货物出库和入库的效率。所以车载终端监控系统还需要加入RFID模块，对货物上的电子标签进行扫描，将货物信息录入到监控系统中来。管理人员还要了解货车的地理位置信息，方面管理人员对调度进行优化，让货物以最高的效率运输到目的地。除此之外因为冷藏车是实时移动的，所以监控系统上传监控和报警信息就要通过4G网络将信息发送到ONENET云平台上。这些监控信息供管理人员参考。根据车载终端监控系统的需求分析，设计出整个监控过程以及信息发送示意如图1所示。

根据冷链物流车载终端监控系统示意图可知监控系统可分感知层、网络层、应用层三个方面。在感知层，首先系统获取被运送货物的信息，随后采集冷藏车内的温度、湿度、以及水产箱中的PH值，如果这些参数不在正常范围内会发生报警，此外获取冷藏车的地理位置信息;在网络层，车载终端监控系统将采集的所有信息通过4G网络上传到云服务器上;在网络层，通过网页和手机APP查看冷藏车实时监控数据，此外还可以通过手机APP远程控制车厢门的开关，这里用舵机模拟。冷链监控系统结构分析图2所示。

具体功能说明如下：

（1）车载终端监控系统通过温湿度传感器和PH传感器采集车内的温湿度和水产箱内的PH值;通过GPS/BEIDOU模块获取冷藏车当前的定位信息;通过超高频读写器射频模块获取被运输货物的货号。讲这些信息通过车载终端上的LCD显示屏显示出来。如果车厢内环境参数不在正常范围之内就会发生报警。

（2）车载终端监控系统使用4G模块，通过4G网络用MQTT协议将感知层采集的信息发送到ONENET云平台上。

（3）在ONENET云平台上设置UI界面和数据流显示温湿度、PH值和物品的货物信息。通过GIS技术将经纬度信息在云平台上以地图的形式显示。这让管理者使用网页或者手机APP查看车载终端监控系统的远程采集的环境监控信息。此外还可以通过ONENET云平台手机APP控制车厢门的开关。

二、车载终端监控系统软、硬件设计

1.硬件设计

此系統的硬件部分主要包括以下几个模块：MCU主控模块、电源模块、温湿度采集模块、PH传感块、GPS全球定位系统模块、4G无线传输模块、LCD显示模块、摄像头模块、舵机模块、SWD下载模块、USB串口模块、按键模块、RFID射频识别模块。硬件系统结构示意图如图3所示。MCU主控模块是车载终端监控系统的核心单元，主要负责整个系统的数据处理和和采集，对各个功能模块的控制。电源模块给车载终端供电，保证系统有稳定的供电并能正常工作。温湿度采集模块主要负责采集冷藏车内的温湿度并将采集的数据以MCU支持的通讯协议传送给MCU。PH值采集模块主要负责采集水产箱中的PH值，并将这个PH值转为电压值输入到MCU当中。RFID无线射频识别模块主要负责识别货物的电子标签信息，并将信息数据发送给MCU。GPS模块主要负责获取冷藏车的地理位置信息。LCD显示模块主要是将上述采集的信息显示在LCD显示屏上。按键模块用于用户对系统的设置。4G无线传输模块主要是将上述冷藏车的各种信息数据通过4G蜂窝网络上传到云平台中。摄像头模块主要用车厢内图像的采集。SWD程序下载模块用于将程序下载到FLASH中，用来固化程序。USB串口模块用于下载程序或者调试系统。

2.软件设计

在对车载终端监控系统的硬件结构和模块功能以及接口进行设计后，在实际过程中要实现对环境变量监控以及发送到云平台还需要软件的配合，嵌入式的软件设计是根据特定的硬件平台进行设计。软件和硬件结合，并且协调配合，最终实现远程监控冷藏车内的环境情况。

软件是整个车载终端监控系统的大脑，所以软件的设计的好坏决定一个系统运行的稳定性。在软件设计上此项目主要采用了模块化设计方法。主要包括了温湿度采集模块程序方案设计、PH传感模块程序方案设计、GPS模块程序方案设计、RFID射频识别模块程序方案设计、4GDTU模块程序方案设计、LCD显示方案、摄像头模块图像采集程序方案设计。最终通过定时器和按键实现各个模块之间的逻辑。

三、系统测试

由于场地、车辆客观条件限制，我们的测试环境主要是室内环境。首先是将车载终端上电，观察各个模块是否正运行并且检测是否收到正确的数据。接下来登陆云平台观察云平台和手机APP上数据流的数据和车载终端监控系统LCD显示的数据是否一致，地点标定是否正确，并且测试数据传输的实时性。

测试条件如下：

（1）测试地点：黑龙江省宝清县

（2）实验器件和设备：STM32F10ZET6开发板、温湿度传感模块、PH传感模块、GPS/BEIDOU定位模块、4GDTU模塊、RFID射频识别模块，及相关测试软件。在测试中，分为车载终端测试、云平台和手机APP测试。

车载终端上电后，LCD显示的数据如图4所示。车载终端视频监控界面如图5所示。

登陆ONENET云平台网页。通过车载终端的按键手动上报数据，观察数据网页上是否及时更新数据并且是否和车载终端显示的数据一致。结果表明。云平台的数据及时更新并且云平台的数据和车载终端显示的数据一致。除此之外，查看云平台的位置标定是否正确。云平台还可以存储一定的数据点。

登陆手机APP，观察到得到的数据和网页上的数据相同，并且数据的实时性也符合预期要求。APP中的位置标定也和网页中的相同，是终端所在的位置。通过手机APP我们还可以下发控制命令到车载终端，我们可以通过APP远程控制车厢的车门开关（这里用舵机模拟车厢的开关），并且可以通过APP来获取目前冷藏车的GPS定位信息。经过测试，发现控制效果很好，延时很低。手机APP界面如图6所示。

四、结语

本文针对冷流物流过程中的实际需求，对影响冷链运输货物的质量的环境因素进行分析，并从感知层、网络层、应用层三个方面提出了一套基于物联网技术的冷链物流车载终端监控系统，实现了对车内温湿度监控、PH值测定、冷藏车的定位、货物的识别、冷藏车厢内的视频监控、数据上传到云平台等功能。加强了冷链物流的数字化、规范化、可视化，便于冷链物流的管理。

参考文献：

[1]童光森，超市生鲜蔬果损耗因素及对策研究[J].四川旅游学院报，2019（06）：30-32.

[2]蔡焱，基于GPS和RFID的冷链物流远程监控系统车载终端的设计和应用[D].华南理工大学，2017.

[3]喜崇彬，零售冷链物流发展新变化——访京东冷链战略规划负责人李秀强[J].物流技术与应用，2020，25（03）：108-110.

[4]孙明燕，兰洪杰，黄锋权.冷链定义浅析[J].物流技术，2007，26（10）：29-31.

[5]仇佳威，冷藏车监控系统设计与开发[D].沈阳工业大学，2019.

[6]李博文，基于RFID冷链物联网应用系统设计[D].华北理工大学，2017.

项目名称：

基于物联传感网络及无源无线传感系统的冷物流品质感知与可追溯平台，项目编号：S202010429088，项目基金：S202010429088

（作者单位：青岛理工大学信息与控制工程学院）