冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要 系統(tǒng)針對冷鏈物流需求設(shè)計(jì),包括終端設(shè)備與服務(wù)器。終端設(shè)備采用單片機(jī)低功耗、傳感器、遠(yuǎn)程無線監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與壓縮、GPRS基站定位技術(shù),使得終端設(shè)備能夠良好地服務(wù)于冷鏈物流。服務(wù)器采用B/S服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),用戶可以登陸網(wǎng)頁配置終端設(shè)備工作參數(shù),并可以查看終端設(shè)備過程狀態(tài)。系統(tǒng)在冷鏈物流的實(shí)際應(yīng)用過程中,表現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,對冷鏈監(jiān)控有一定的意義,在市場中具有廣泛的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞 冷鏈物流;傳感器;監(jiān)控系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)
目前,中國食品工業(yè)協(xié)會指出,全國由于冷鏈物流管理缺失或存在問題,導(dǎo)致每年約1 200萬噸水果和1.3億噸蔬菜的浪費(fèi),總價(jià)值超過1 000億元人民幣。震驚全國的山西疫苗事件等,表明監(jiān)管水平低下,直接影響食品安全和醫(yī)療安全。冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)的形成,將帶動一些相應(yīng)產(chǎn)業(yè),像速凍產(chǎn)業(yè)和蔬菜產(chǎn)業(yè)提高到一個(gè)新水平。本系統(tǒng)是針對冷鏈物流的監(jiān)控進(jìn)行的,系統(tǒng)包括終端設(shè)備與服務(wù)器,采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸、終端低功耗技術(shù)、服務(wù)器數(shù)據(jù)管理,對冷鏈全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過實(shí)際的測試,系統(tǒng)滿足了冷鏈物流業(yè)管理信息化的要求,促進(jìn)了冷鏈物流、藥品運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要針對冷鏈的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,需要對溫、濕、光度及地理位置等信息進(jìn)行采集并處理,通過GPRS數(shù)據(jù)分組的方式無線傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器;系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合各種因素,提高了對環(huán)境的突變的響應(yīng)速度;設(shè)計(jì)的服務(wù)器端是B/S模式,通過互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控物品的狀態(tài),方便用戶隨時(shí)隨地地查看運(yùn)輸途中物品的環(huán)境參數(shù),以減小經(jīng)濟(jì)損失。如圖1所示,是系統(tǒng)的構(gòu)成框圖,包括終端設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、B/S架構(gòu)服務(wù)器。
1.1 終端硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)終端硬件部分是以MSP430為核心設(shè)計(jì),采集冷鏈的環(huán)境特征數(shù)據(jù)并處理,通過SIM300的GPRS數(shù)據(jù)分組功能接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。終端電路包括電池管理部分、箱子開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測傳感器、工作位置監(jiān)測傳感器、溫度傳感器、光度傳感器、濕度傳感器。終端硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。
1.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)選用美國TI公司MSP430F149芯片為控制核心,通過串口控制GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸;利用其內(nèi)部集成的A/D模塊檢測濕度;利用其60 kB Flash存儲器存儲大量的數(shù)據(jù),保證整個(gè)運(yùn)輸過程數(shù)據(jù)可靠保存;利用其內(nèi)部模擬比較器檢測外部光強(qiáng)度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以CN3063電池充電管理芯片為中心的電池管理電路,提供了充電狀態(tài)指示,提供電池溫度保護(hù)電路。采用低功耗LDO穩(wěn)壓芯片TLV70033提供3.3 V供電,如圖3
所示。系統(tǒng)選用光敏電阻作為光強(qiáng)度檢測傳感器,檢測一定強(qiáng)度的光,如圖4所示,CA0與CA1為單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器正負(fù)輸入端子,調(diào)節(jié)W1可以調(diào)整檢測光照強(qiáng)度閾值。利用DS18B20測量環(huán)境溫度,其在穩(wěn)定測量這測量中穩(wěn)定精度高。電路在設(shè)計(jì)中還利用霍爾開關(guān)TP4913檢測工作位置和工作狀態(tài),通過霍爾開關(guān),使產(chǎn)品的整體封裝更簡單,成本更低。
1.1.2 硬件低功耗設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件功耗要求嚴(yán)格,必須保證系統(tǒng)平均功耗<4.2 mW。因此,采用低功耗技術(shù)的MCU,其活動模式280μA@1 MHz,待機(jī)電流<1μA;電池管理芯片的睡眠電流<3μA;選用SIM300,提供GPRS分組數(shù)據(jù)傳輸,其待機(jī)電流<1 mA。
硬件系統(tǒng)低功耗策略主要集中在以下幾個(gè)部分:MCU工作頻率為2 MHz;工作電壓2.7 V,并關(guān)閉所有不需要的資源;SIM300支持軟件關(guān)機(jī)、開機(jī)、指令待機(jī)功能,為系統(tǒng)提供了有效的低功耗方法;為減小傳感器部分的靜態(tài)功耗,在不影響其精度的情況下,采用限流電阻方法減小其靜態(tài)功耗,如圖4所示,串聯(lián)電阻R24;選用低靜態(tài)功耗,高效率LDO電源管理芯片,保證電源消耗盡可能低而且電源紋波盡可能小。
以上硬件整體的低功耗設(shè)計(jì)與芯片選型,使得硬件系統(tǒng)靜態(tài)電流消耗<200μA。
1.2 軟件設(shè)計(jì)
1.2.1 軟件整體設(shè)計(jì)
針對冷鏈物品運(yùn)輸?shù)娜^程進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控,系統(tǒng)通過終端設(shè)備檢測冷鏈環(huán)境參數(shù)、地理位置并探測危險(xiǎn)信息,通過UDP的方式鏈接到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)和接收終端設(shè)備工作參數(shù)。冷鏈物品管理器以網(wǎng)頁的方式呈現(xiàn),用戶通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或手機(jī)實(shí)時(shí)查看和管理物品狀態(tài),如圖5所示。
1.2.2 終端軟件設(shè)計(jì)
終端軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器狀態(tài)檢測、GPRS數(shù)據(jù)分組鏈路控制、數(shù)據(jù)備份、遠(yuǎn)程控制、低功耗控制等。傳感器狀態(tài)檢測是通過外部中斷來處理,單片機(jī)通過IO口變化檢測各個(gè)傳感器狀態(tài),降低系統(tǒng)功耗、縮短響應(yīng)時(shí)間。GPRS數(shù)據(jù)分組鏈路是以UDP的方式與服務(wù)器鏈接,是SIM300的成熟技術(shù),而且SIM300還提供了地理位置信息、實(shí)時(shí)時(shí)間、電池電量,通過AT指令即可獲得;通過分析UDP返回的數(shù)據(jù)包,終端設(shè)備可以獲得飛行模式起止時(shí)間、數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)存儲深度、溫度報(bào)警上下限、時(shí)間同步等信息。數(shù)據(jù)備份,把采集的重要信息存儲在Flash中用于備份,采用數(shù)據(jù)壓縮處理,使得單片機(jī)存儲數(shù)據(jù)深度可達(dá)7天以上,而且整個(gè)存儲空間通過循環(huán)覆蓋的方式記錄,保證了Flash讀寫均衡。終端軟件綜合了有效的低功耗軟件設(shè)計(jì)思路。終端系統(tǒng)通過霍爾開關(guān)監(jiān)測工作位置,當(dāng)離開工作位置時(shí),整個(gè)系統(tǒng)完全關(guān)閉,處于微安級功耗。
1.2.3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
終端系統(tǒng)通過UDP的方式與服務(wù)器交互數(shù)據(jù)。服務(wù)器端軟件端開啟了一個(gè)Socket監(jiān)聽進(jìn)程,按照自定義數(shù)據(jù)的協(xié)議接收有效的分組數(shù)據(jù),并保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分組中包括了幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位。所有終端上傳的數(shù)據(jù),通過唯一的ID信息進(jìn)行管理。在服務(wù)器已有的PHP平臺上,運(yùn)行了查看與管理終端數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁,網(wǎng)頁提供了用戶管理終端的平臺,用戶可以查看冷鏈整個(gè)過程的物品狀態(tài),確保物品的安全。如表1所示。
2 系統(tǒng)測試
冷鏈物品的監(jiān)控系統(tǒng)在產(chǎn)品化過程中,對產(chǎn)品的外形和性能進(jìn)行綜合考慮,克服了安裝、環(huán)境惡劣等難題。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì),在電池電量有限的條件下,完成了7天的冷鏈監(jiān)控任務(wù),滿足冷鏈的工作時(shí)間要求。使用內(nèi)部Flash可以備份7天的數(shù)據(jù),保證系統(tǒng)可以長時(shí)間的處于航空模式而不丟失數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)站,可以隨時(shí)隨地地查看當(dāng)前物品的狀態(tài)與位置,并可以配置終端的工作參數(shù)。根據(jù)移動提供的GPRS基站數(shù)據(jù)庫可以得到基站點(diǎn)的有效GPS坐標(biāo),可以在地圖上顯示物品的移動軌跡和對應(yīng)物品狀態(tài)。
3 結(jié)束語
系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)硬件低功耗技術(shù)與軟件低功耗管理技術(shù)、低功耗GPRS數(shù)據(jù)分組傳輸技術(shù),使得終端的工作時(shí)間滿足需求。系統(tǒng)利用成熟的服務(wù)器數(shù)據(jù)管理技術(shù)與Web網(wǎng)頁技術(shù)使得冷鏈管理高效、可靠。經(jīng)測試,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,滿足了冷鏈的要求,在冷鏈物品的運(yùn)輸過程監(jiān)控中表現(xiàn)良好。將這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于物流管理中將是趨勢,并且具有廣泛的產(chǎn)業(yè)需求。