鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：針對鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流過程，開發(fā)成型的物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，以便實時地跟蹤管理鮮活農(nóng)產(chǎn)品的物流過程，從而提高農(nóng)產(chǎn)品運輸效率。物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)包括鮮活農(nóng)產(chǎn)品溫濕度檢測、車輛速度路線信息采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、物流過程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理四個子系統(tǒng)，利用GPS、ZigBee技術、GPRS網(wǎng)絡及Internet實現(xiàn)對農(nóng)副產(chǎn)品整個物流過程的監(jiān)控和管理，以及提高農(nóng)副產(chǎn)品運輸效率，為農(nóng)產(chǎn)品的市場準入制度與溯源機制服務。
關鍵詞：鮮活農(nóng)產(chǎn)品；農(nóng)產(chǎn)品物流；物流管理；物流過程監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集處理

    “新鮮”是農(nóng)產(chǎn)品的生命和價值所在，由于鮮活農(nóng)產(chǎn)品的含水量高、保鮮期短極易腐爛變質(zhì)，大大限制了運輸途徑和交易時間，因此對運輸效率和保鮮條件有很高要求。“鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)”項目對運輸鮮活農(nóng)副產(chǎn)品的物流車輛進行跟蹤，包括車輛信息、當前位置、時速、農(nóng)副產(chǎn)品的存儲溫度、濕度等信息。通過對從產(chǎn)地到全國各大批發(fā)市場運輸過程中產(chǎn)品的狀態(tài)進行監(jiān)測，確保鮮活農(nóng)副產(chǎn)品在運輸途中不受損害，降低運輸損耗。同時，以此為基礎，建立市場準入制度與溯源機制，禁止存在問題的鮮活農(nóng)副產(chǎn)品進入市場銷售，如果出現(xiàn)問題也可以追本溯源。

1 物流過程的流程設計
    農(nóng)副產(chǎn)品的物流過程自農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)地裝貨出發(fā)開始，經(jīng)過運輸車輛行駛過程直至農(nóng)副產(chǎn)品到達目的地，再將銷售情況反饋給產(chǎn)地，完成一次物流運輸過程。物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)需要對整個物流過程進行實時地監(jiān)控及跟蹤管理。
    農(nóng)副產(chǎn)品運輸車輛在空間上具有移動性，車輛散布范圍廣、數(shù)量多、距離遠、還有可能途經(jīng)偏僻地段，不應該受地域限制；在時間上具有實時性，并要求長期連續(xù)運行。但農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場所在地的工作人員必須對各運輸車輛內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品的溫度和濕度信息和相關信息實現(xiàn)全程實時監(jiān)測和監(jiān)督，才能保障農(nóng)副產(chǎn)品在運輸過程不會因溫濕度控制不當而變質(zhì)，從而減少不必要的浪費，保證農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全。物流過程的流程設計如圖1所示。

    根據(jù)以上分析，農(nóng)副產(chǎn)品物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)需要完成的主要功能可以分為鮮活農(nóng)產(chǎn)品溫濕度檢測、車輛速度路線信息采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、物流過程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理四部分。

2 系統(tǒng)總體框圖
    鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流過程實時監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖2所示。
    其中，環(huán)境參數(shù)采集模塊和車載終端子系統(tǒng)是安裝在運輸設備上的，環(huán)境采集模塊負責實時地檢測所運輸物品的溫度和濕度信息，定時將采集的信息通過ZigBee通信協(xié)議傳遞給車載終端。車載終端集成GPS模塊、ZigBee無線模塊和GPRS通信模塊，負責將GPS信息、接收的溫度濕度信息通過GPRS模塊傳遞給監(jiān)控中心。無線通信子系統(tǒng)負責接收GPRS信息并將GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Internet網(wǎng)絡的格式傳遞給監(jiān)控中心。物流過程監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的大腦，負責對所有物流過程進行監(jiān)控和管理，發(fā)現(xiàn)并報告異常，同時定時將收集到的信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。
2．1 環(huán)境參數(shù)采集子系統(tǒng)
    該子系統(tǒng)主要安裝在運輸車內(nèi)，實時地采集所運輸?shù)孽r活農(nóng)產(chǎn)品的溫度和濕度信息數(shù)據(jù)，并及時將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d終端子系統(tǒng)，便于實時反饋給物流過程監(jiān)控中心。環(huán)境參數(shù)采集子系統(tǒng)是整個鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流過程監(jiān)控系統(tǒng)十分重要的部分，負責實時檢測鮮活農(nóng)產(chǎn)品運輸過程的溫度和濕度，并通過ZigBee短距離無線通信網(wǎng)絡發(fā)送給車載終端。溫濕度檢測系統(tǒng)由溫濕度傳感器和ZigBee短距離無線模塊兩部分組成。溫濕度傳感器放置于封閉的運輸車廂內(nèi)，溫濕度傳感器采集到溫度信息和濕度信息后，通過MCU實時傳給ZigBee無線通信模塊，ZigBee無線通信模塊將這些信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給駕駛艙內(nèi)的車載終端，車載終端將這些信息以及GPS模塊獲得的車輛狀態(tài)(車速、位置)信息打包后
通過GPRS網(wǎng)絡直接傳輸?shù)轿锪鬟^程監(jiān)控中心。
2．2 車載終端子系統(tǒng)
    車載終端子系統(tǒng)實際上就是一個基于ARM的嵌入式平臺，它包括ZigBee無線通信模塊，GPS模塊以及GPRS模塊。它的功能主要提供運輸鮮活農(nóng)產(chǎn)品的運輸工具的各種狀態(tài)信息，包括車輛定位信息以及運輸工具的各種環(huán)境參數(shù)信息。其定位信息是通過GPS模塊獲得，通過GPRS模塊發(fā)送給服務器，同樣也可以通過TCP／IP套接字給服務器發(fā)送各種請求，來獲得相應的服務。同時，車載終端接收環(huán)境參數(shù)采集模塊通過Zig-
Bee無線網(wǎng)絡傳輸來的環(huán)境參數(shù)信息，經(jīng)過處理后通過GPRS發(fā)送到物流過程監(jiān)控中心。
    本工程中，該子系統(tǒng)處理器使用的是Philips公司的ARM7 LPC2100系列，ARM嵌入式開發(fā)平臺的GPRS擴展模塊采用的GPRS模塊型號為SIM3000，并且GPS定位信息的接收采用的是Garmin公司生產(chǎn)的GPS15L／H接收機。
2．3 無線通信子系統(tǒng)
    無線通信子系統(tǒng)實際上是建立在運輸車和物流過程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸通道，由于運輸車的移動性、分散性，同時考慮通信成本和可靠性，采用GPRS無線通信方式實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。無線通信子系統(tǒng)可以依托中國移動或者聯(lián)通提供的服務，但監(jiān)控中心接入的是Internet網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡到Internet網(wǎng)絡需要進行一定的處理轉(zhuǎn)換。
    車載終端通過GPRS將分組報文從基站發(fā)送到GPRS服務支持節(jié)點(SGSN)，SGSN與GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點(GGSN)進行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如因特網(wǎng)或X．25網(wǎng)絡。來自因特網(wǎng)標識有移動臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到移動臺上。SGSN是GSM網(wǎng)絡結構中的一個節(jié)點，它與MSC處于網(wǎng)絡體系的同一層。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網(wǎng)絡結構與移動臺之間的接口。SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN通過基于IP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)連接到SGSN，是連接GSM網(wǎng)絡和外部分組交換網(wǎng)的網(wǎng)關。通過GGSN將GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網(wǎng)絡。
2．4 物流過程監(jiān)控子系統(tǒng)
    物流過程監(jiān)控子系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負責接收來自無線通信子系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)并進行實時的處理和顯示，形成直觀的操作界面便于對物流過程進行監(jiān)控和管理。
    該子系統(tǒng)完成和車載終端的實時無線通信、數(shù)據(jù)庫存儲、溫濕度曲線顯示和溫濕度實時報警等功能。首先物流過程監(jiān)控中心可以對鮮活農(nóng)產(chǎn)品實時溫濕度和相關信息數(shù)據(jù)包進行接收和發(fā)送；GPRS網(wǎng)絡通過GGSN將報文傳送到Internet網(wǎng)絡，物流中心的服務器只要有一個公網(wǎng)的IP地址就可以獲得這個信息。然后監(jiān)控中心子系統(tǒng)把接收的所有信息進行相關處理并且實時存儲于后臺數(shù)據(jù)庫中；最后用戶通過監(jiān)控中心子系統(tǒng)的軟件界面可以進行直觀的溫濕度曲線顯示、車輛位置信息的電子地圖顯示、數(shù)據(jù)庫查詢和遠程參數(shù)設置等操作。

3 物流過程監(jiān)控子系統(tǒng)設計
    根據(jù)以上分析，將整個監(jiān)控中心系統(tǒng)主要分為3個模塊進行設計：數(shù)據(jù)包收發(fā)和處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和可視化界面模塊。系統(tǒng)整體設計框架如圖3所示。

3．1 數(shù)據(jù)包收發(fā)和處理模塊
    數(shù)據(jù)包收發(fā)和處理模塊主要負責從Internet上獲取來自無線終端的信息數(shù)據(jù)。設計時必須考慮的是車輛的移動性，以及如何能實時地將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心服務器等問題。
    車載終端需要傳送數(shù)據(jù)時，首先將所收集到的信息數(shù)據(jù)進行基于TCP／IP的打包處理，打包過后的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給最近的BSS(基站子系統(tǒng))，BSS會和最近的SGSN通信，其后SGSN通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到GGSN，在GGSN對該數(shù)據(jù)包進行相關處理后，將該數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet或X．25網(wǎng)絡。進入到Internet上的IP數(shù)據(jù)包可以很容易地傳輸?shù)轿锪鬟^程監(jiān)控中心。因此，監(jiān)控中心數(shù)據(jù)包的收發(fā)和處理模塊只需考慮接收和處理來自Intenet的IP數(shù)據(jù)包。
3．1．1 數(shù)據(jù)幀格式設計
    本系統(tǒng)主要功能是記錄農(nóng)副產(chǎn)品的狀態(tài)，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小而且突發(fā)性強，因此采用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。同時，由于UDP協(xié)議為不可靠的傳輸協(xié)議，其并不提供數(shù)據(jù)傳送的保障機制，因此實現(xiàn)時必須添加保障信息傳輸可靠性的確認機制。在本系統(tǒng)中，當監(jiān)控中心向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求終端返回接收正確或錯誤的確認信息，監(jiān)控中心收到正確的確認信息后數(shù)據(jù)下傳進程才完畢。否則，監(jiān)控中心將在規(guī)定的時間內(nèi)重發(fā)，直到收到正確的確認信息或發(fā)送次數(shù)標志溢出才終止。
    在數(shù)據(jù)包收發(fā)和處理模塊設計實現(xiàn)過程中最主要的就是對數(shù)據(jù)包進行操作，車載終端和物流過程監(jiān)控中心在交互通信過程中，所涉及的主要數(shù)據(jù)幀類型包括：
    GPS數(shù)據(jù)包：GPS數(shù)據(jù)包是由車載終端上的GPS模塊獲得的GPS信息交給車載終端后，由車載終端上的程序進行封裝的。
    車載終端注冊信息幀：車載終端開機后需要首先在監(jiān)控中心進行注冊，只有注冊通過才能通過監(jiān)控中心對車載終端進行實時地跟蹤和管理，車載注冊信息就是由車載終端發(fā)送給監(jiān)控中心請求注冊的報文。
    車載終端客戶登錄幀：車載終端登錄后，操作人員需要使用自己的用戶ID通過車載終端登錄到監(jiān)控中心系統(tǒng)，監(jiān)控中心根據(jù)這一信息來實現(xiàn)車載終端和客戶的關聯(lián)。
    車載終端發(fā)送登記商品信息幀：在物流起點需要將運輸貨物的信息通過車載終端傳送到監(jiān)控中心。這一信息主要是將運輸貨物和車載終端進行關聯(lián)。信息中會包含貨物運輸所需要的溫度和濕度限制，監(jiān)控中心根據(jù)這一信息來判斷貨物的實時運輸條件是否滿足要求，如果越界則會發(fā)出警報。
    車載終端發(fā)送地理位置幀：車載終端可以實時地查詢自己所在的位置信息，這一信息通過車載終端向監(jiān)控中心上報GPS信息獲得，監(jiān)控中心根據(jù)GPS信息查詢GIS地圖數(shù)據(jù)庫獲得車載終端所在位置的名稱，再傳遞給車載終端。這樣車載終端就可以知道運輸車輛當時所在地理位置的名稱。
    各類數(shù)據(jù)幀設置的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采用ASCII字符，同時在GPRS／CDMA網(wǎng)絡無信號的情況下使用短信方式傳輸，短信格式與數(shù)據(jù)幀的格式定義保持一致。數(shù)據(jù)幀定義示例如圖4所示。

3．1．2 數(shù)據(jù)包的收發(fā)
    移動終端通過GPRS網(wǎng)絡向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)時，終端應用程序要先對數(shù)據(jù)封裝，再通過AT命令控制GPRS模塊發(fā)送。具體實現(xiàn)時的步驟如下：
    (1)對數(shù)據(jù)進行UDP封裝，將采集到的待發(fā)送的信息數(shù)據(jù)放到UDP格式的數(shù)據(jù)段中，對此幀UDP數(shù)據(jù)和8字節(jié)首部信息一起按規(guī)則計算，生成UDP校驗和，完成UDP數(shù)據(jù)封裝。
    (2)根據(jù)IP協(xié)議為此幀UDP建立20字節(jié)的IP頭，對IP頭進行校驗計算，得出IP頭的校驗值，完成IP封裝。
    (3)完成PPP封裝，PPP格式的標志字符為0x7E，在進行PPP封裝前先要檢查數(shù)據(jù)中是否有標志字符，當遇到字符0x7E時，連續(xù)傳送2個字符0x7D和0x5E，以實現(xiàn)標志字符的轉(zhuǎn)義，當遇到轉(zhuǎn)義字符0x7D時，連續(xù)傳送2個字符0x7D和0x5D，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)義字符的轉(zhuǎn)義。
    (4)將數(shù)據(jù)放入PPP幀格式的信息段中，生成CRC校驗，完成PPP封裝。
    (5)終端通過AT命令控制GPRS模塊向網(wǎng)絡發(fā)PPP呼叫，建立PPP通信鏈路連接，并發(fā)送封裝好的數(shù)據(jù)。
3．1．3 數(shù)據(jù)包的處理
    在接收到數(shù)據(jù)包之后，根據(jù)數(shù)據(jù)包類型的不同，選取相應的處理流程。如ACK包是屬于接收方在自己正確無誤接收到發(fā)送方發(fā)的數(shù)據(jù)包后，所反饋回的一個確認數(shù)據(jù)包；而對于正常的數(shù)據(jù)包，將調(diào)用相關的解包過程函數(shù)。根據(jù)收到的包的類型轉(zhuǎn)而進入相關處理模塊，對于整個物流過程中所采集到的各項信息數(shù)據(jù)將實時存儲在數(shù)據(jù)庫當中。
    如果有要發(fā)送的報文，可經(jīng)過監(jiān)控中心上層程序，按照幀格式封裝好后直接調(diào)用發(fā)送接口函數(shù)發(fā)送。當然監(jiān)控中心也可以主動發(fā)出請求，這樣就可直接調(diào)用發(fā)送處理進行報文的封裝，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)進行發(fā)送。
3．2 數(shù)據(jù)存儲模塊
    數(shù)據(jù)存儲模塊將讀取的數(shù)據(jù)包進行解析校驗，若校驗正確將實時存入后臺數(shù)據(jù)庫，并發(fā)送反饋信息給GPRS終端，可用于實時溫濕度曲線圖顯示、實時數(shù)據(jù)顯示和溫濕度報警指示。
3．3 軟件界面模塊
    軟件界面模塊分為多個功能模塊，其中實時溫濕度曲線顯示、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)庫查詢與數(shù)據(jù)管理和用戶管理等人機操作是基于SQL Servet數(shù)據(jù)庫事件觸發(fā)機制來完成的。軟件的通信啟動、關閉服務以及車載終端及溫濕度采集模塊參數(shù)設置等界面操作是調(diào)用通信動態(tài)鏈接庫的發(fā)送函數(shù)來完成的。

4 結語
    本系統(tǒng)依托國家發(fā)改委國債項目“全國大中型農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場信息化建設項目”擴展部分的關鍵系統(tǒng)研發(fā)，針對的主要對象是全國大中型農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場鮮活農(nóng)產(chǎn)品物流過程，開發(fā)成型的監(jiān)控系統(tǒng)，通過該信息系統(tǒng)對從產(chǎn)地到全國各大批發(fā)市場運輸過程中產(chǎn)品的狀態(tài)進行監(jiān)測。
    從系統(tǒng)測試及使用結果看，本系統(tǒng)基本滿足了設計需求。但是也存在一些不足，如無線數(shù)據(jù)傳輸時間延遲的存在，導致監(jiān)控中心收到的車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)不能真實反映移動車輛的實時狀態(tài)；車輛定位的實時性與通信費用的矛盾；系統(tǒng)功能上，可進一步增強傳統(tǒng)車輛監(jiān)控平臺的GIS功能，如規(guī)劃功能、緊急援助等。系統(tǒng)構架上，可進一步利用Web Service技術改良鮮活農(nóng)副產(chǎn)品物流過程監(jiān)控系統(tǒng)的架構模式。