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基于物联网的冷链物流监测系统设计

来源:一卡通世界      2015-1-30 14:40:28

  摘 要:针对运输方面较为薄弱的冷链物流监测环节,利用无线传感器网络,设计了一种冷链物流监测系统。该方法能够通过温湿度传感器和GPS,来对冷链物流系统运输环境的温湿度进行实时监测,并对运输路线进行实时跟踪,以掌握冷链运输关键的温湿度和运营车辆信息,确保冷链运输的持续性和高效性,加强食品安全保障力度。

  0 引 言

  冷链物流(Cold Chain Logistics)泛指冷藏冷冻类食品在生产、贮藏运输、销售,直到消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下,以保证食品质量,减少食品损耗的一项系统工程[1,2]。它是随着科学技术的进步、制冷技术的发展而建立起来的,是以冷冻工艺学为基础、以制冷技术为手段的低温物流过程。

  由于易腐食品的时效性,要求冷链能够进行实时的低温环境监测功能,保持冷链的低温运输环境,因此保持低温环境是冷链系统的核心要求。如果对温度的控制不够准确的话,将会导致产品一系列品质降低[3]。

  冷链的每一个环节,从产品被采摘开始一直到被销售出去,都需要参与控制。链中的每个环节都会出错而使冷链断裂,或是在仓库的月台上,或在运输途中,或在存储过程中,或是在零售超市里,都很容易产生问题,影响到最终消费者的需求。当前,我国的冷链监测系统比较健全,在生产、贮藏和销售方面都采取了完善的监控措施。但是在运输方面的冷链监测较为薄弱,基于物联网的冷链系统使食品在规定的低温环境下进行运输,最大限度保持食品原有的新鲜程度、色泽及营养,保证食品质量安全[4]。

  1 冷链系统整体设计

  1.1 系统结构

  物联网结构可分为感知层、网络层和应用层。感知层的通信范围与传统互联网不同。物流冷链系统的感知层是信息采集的最底层,是对货物数据采集的终端。在感知层运用GPS 模块和车载温湿度传感器模块对车辆位置、运输环境的温湿度数据进行感知和采集[5]。

  网络层的主要功能是把感知层感知到数据利用处理器单元对数据分析处理,把相应数据通过GPRS 射频收发模块远距离、可靠的传输到服务器端,使数据通过网络进入上位机系统。

  应用层主要是对网络层发送过来的数据的处理与分析,通过Web 客户端操作界面或手机客户端操作界面,实现对结点的远程监控和管理功能。如可以通过手机终端设置设备的温度报警上下限,获取车辆位置信息,查看运营车辆信息。根据感知层、网络层和应用层的实现功能,冷链系统的结构图如图1 所示。

冷链系统结构

图1 冷链系统结构

  1.2 系统部署

  (1) 硬件部署

  设备放置在运输车辆的驾驶室内,通过车载蓄电池长期供电,实现24 小时的实时在线监控,温湿度传感器通过5~10 m的引线安装在后备运输车箱。

  (2) 软件部署

  VC 的C/S 系统只需将服务程序安装到服务器,运行即可提供服务。JSP 的B/S 系统采用Tomcat 7.0 为Web 端和手机端程序的发布服务,服务器端需要安装Java 虚拟机平台,SQL2008 数据库不属于同一台服务器中。

  2 硬件的组成和原理

  硬件系统负责感知层温湿度和车辆位置信号的采集,以及传输信息到网络层,硬件的组成如图2 所示。

硬件的组成

图2 系统下位机的硬件结构图

  放置在运输车厢中的温湿度传感器采集实时的温湿度数据,通过串口把温湿度传输到单片机,同时GPS 模块会自动输出车辆的经纬度到单片机。下位机硬件设备将数据准备好后,主动向主机发出链接请求,此请求通过设备内部的SIM卡并利用3G 网络访问服务器IP,然后建立SOCKET 握手连接,把采集到的温湿度信息和车辆位置信息上传到远程服务器,从而实现实时的冷链监控[6]。

  在通信链路异常的情况下,提示通信异常警报,并把相应的数据存储到本地SD 卡中。待到链接正常,下位机将首先发送积压数据到上位机,当积压数据全部传送完毕后,再传送刚刚监测到的数据。

  2.1 硬件模块

  ( 1)系统供电

  系统供电环境是24 V 车载蓄电池,系统最大耗电流在2 A 左右,需要5 V 和3.3 V 供电电压。采用输入电压范围为7~40 V、输出电压5 V 、输出电流最大支持3 A 的LM2596-5开关电源芯片为一级电源。5 V 电压输入到AMS1117-3.3 芯片作为二级电源,提供3.3 V 供电电压。

  (2) 数据采集模块

  数据采集终端的温湿度采集选用AM2302 电容式数字温湿度传感器,该传感器集成了温度和湿度两种传感器,温度测量范围为-40~+80 ℃,硬件体积小巧,接口简单,方便集成和使用。位置信息的采集选用Gstar GS-89 集成模块,上电后自动搜索卫星采集GPS 信息,通过串口将信息送给MCU,传输速率4 800 b/s,卫星格式采用GPRMC 标准格式。

  (3) 数据处理和传输

  控制芯片采用宏晶公司的STC12C5A60S2 系列,该款芯片集成双串口,内置1 KB 的扩展RAM 和60 KB 的ROM,并提供了1 KB 的E2PROM 和SPI 硬件接口,单片机通过两个串口以及SPI 接口和普通的IO 口对温湿度和位置信息进行处理。数据可以在驾驶室内的LCD 实时显示,驾驶员可以即时了解运输状况。无线通信模块采用SIM900B,该模块内置TCP/IP 传输协议,下行最大速率8 KB,上行最大速率4 KB,根据信号质量和传输编码的自行调整,最差环境下速率为1 KB。该模块和MCU 采用串口,通过AT 命令进行通信,传输采集到的数据发送到远程服务器[7]。

  3 系统软件

  C/S 服务器端的软件模块主要有车辆信息管理模块、任务信息管理模块、查询功能模块、短信模块和通信服务模块。车辆信息管理模块负责车辆信息的录入,车辆和上位机设备对应关系录入,车辆信息主要包括:驾驶员姓名、驾驶员手机号、车牌、单位名称等。

  任务信息管理模块把车辆的每次运输作业作为任务处理,车辆在每次运输作业之前需首先新建任务,每辆车只能在上次任务结束后才能新增新的任务。

  查询功能模块通过对任务的查询,实现对每次任务的温度信息的查询。

  短信模块短信设置完毕后可以实现收发短信功能,通过短信猫实现。

  通信服务模块完成上位机和下位机之间的通信功能。

  B/S 客户服务终端的软件模块有:权限管理、任务管理、GIS 跟踪、温湿度监测和车辆管理。用户可以通过网络设备,如:PC 机,手机等,在任意地点登录系统B/S 的客户端。通过客户端用户能够进行设置任务,对下位机探测器的参数进行设置[8]。

  同时系统通过数据共享的方式实现软件之间的互操作。用户使用B/S 的客户端进行日常操作,当需要修改硬件参数时,通过数据共享由C/S 服务执行修改命令,将硬件的参数进行修改。

  本系统的软件运行流程图如图3 所示,软件启动后,同时开启下位机监听和短信收发功能。下位机监听实现对下位连接的响应,当有下位机请求连接时,开始接受下位机数据并入库。如果当前设备有任务时,进行温度异常检查,异常时软件提示异常并给任务监察人员发送短息提示。当任务录入完毕后,由任务管理人员发送短信通知服务器任务开始或结束,开始短信格式是:车牌+“装货完毕”;结束短信的格式是:车牌+“卸货完毕”。查询功能针对车辆的任务进行查询,查询出指定任务的温度信息。

软件运行流程图

图3 软件运行流程图

  4 结 语

  本系统通过对冷链物流的温湿度和运送路线信息进行采集,在网络和信息平台上对采集到的信息进行分析处理,并对冷链物流车辆信息进行管理,实现了对冷链物流的实时监测,当出现运输异常时通过短信进行警报,保证了冷链物流的连续性和安全性。

  基于物联网的冷链物流监测系统的信息采集终端安装简便,通过管理平台可以实现大量的冷链车辆管理,保证食品质量安全,降低冷链物流损耗,有很好的应用前景。《物联网技术》杂志授权发布,严禁转载。

  参考文献

  [1] 周蓉. 物联网技术在食品冷链物流中的应用参考模型 [D]. 北京:北京交通大学,2012.

  [2] 骆大伟. 冷链物流发展现状及关键技术分析[J]. 物流科技,2011(12):116-118.

  [3]兰洪杰,康彪.食品冷链物流系统要素分析[J].物流技术,2010( 21):22-25.

  [4] 秦立公,吴娇,董津津,等. 基于物联网的冷链物流设备管控研究[J].安徽农业科学,2012( 18):376-379.

  [5] 王晓娟. 冷链设备无线监控系统采集模块的设计与实现 [D]. 青岛:中国海洋大学,2007.

  [6] 郑万溪,黄元庆,张鑫,等. 基于GPRS 通信技术的远程检测系统[J].传感器与微系统,2008(2):88-90.

  [7] 王靖宇.B/S 架构物联网环境监测系统的设计与实现 [D]. 天津:天津大学,2012.

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