冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 系統(tǒng)針對(duì)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(wú)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(yè)配置終端設(shè)備工作參數(shù)，并可以查看終端設(shè)備過(guò)程狀態(tài)。系統(tǒng)在冷鏈物流的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)冷鏈監(jiān)控有一定的意義，在市場(chǎng)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(guó)食品工業(yè)協(xié)會(huì)指出，全國(guó)由于冷鏈物流管理缺失或存在問(wèn)題，導(dǎo)致每年約1 200萬(wàn)噸水果和1．3億噸蔬菜的浪費(fèi)，總價(jià)值超過(guò)1 000億元人民幣。震驚全國(guó)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(dòng)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(duì)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(duì)冷鏈全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)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(duì)冷鏈的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要對(duì)溫、濕、光度及地理位置等信息進(jìn)行采集并處理，通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)分組的方式無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器、工作位置監(jiān)測(cè)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(guó)TI公司MSP430F149芯片為控制核心，通過(guò)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(cè)濕度；利用其60 kB Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，保證整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程數(shù)據(jù)可靠保存；利用其內(nèi)部模擬比較器檢測(cè)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(cè)傳感器，檢測(cè)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(cè)光照強(qiáng)度閾值。利用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，其在穩(wěn)定測(cè)量這測(cè)量中穩(wěn)定精度高。電路在設(shè)計(jì)中還利用霍爾開(kāi)關(guān)TP4913檢測(cè)工作位置和工作狀態(tài)，通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)，使產(chǎn)品的整體封裝更簡(jiǎn)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(dòng)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(kāi)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(duì)冷鏈物品運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)通過(guò)終端設(shè)備檢測(cè)冷鏈環(huán)境參數(shù)、地理位置并探測(cè)危險(xiǎn)信息，通過(guò)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(yè)的方式呈現(xiàn)，用戶通過(guò)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(cè)、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(cè)是通過(guò)外部中斷來(lái)處理，單片機(jī)通過(guò)IO口變化檢測(cè)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(guò)AT指令即可獲得；通過(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)深度可達(dá)7天以上，而且整個(gè)存儲(chǔ)空間通過(guò)循環(huán)覆蓋的方式記錄，保證了Flash讀寫(xiě)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(guò)霍爾開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)工作位置，當(dāng)離開(kāi)工作位置時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)完全關(guān)閉，處于微安級(jí)功耗。
1．2．3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
    終端系統(tǒng)通過(guò)UDP的方式與服務(wù)器交互數(shù)據(jù)。服務(wù)器端軟件端開(kāi)啟了一個(gè)Socket監(jiān)聽(tīng)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(kù)。數(shù)據(jù)分組中包括了幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位。所有終端上傳的數(shù)據(jù)，通過(guò)唯一的ID信息進(jìn)行管理。在服務(wù)器已有的PHP平臺(tái)上，運(yùn)行了查看與管理終端數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)，網(wǎng)頁(yè)提供了用戶管理終端的平臺(tái)，用戶可以查看冷鏈整個(gè)過(guò)程的物品狀態(tài)，確保物品的安全。如表1所示。

2 系統(tǒng)測(cè)試
    冷鏈物品的監(jiān)控系統(tǒng)在產(chǎn)品化過(guò)程中，對(duì)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(zhǎng)時(shí)間的處于航空模式而不丟失數(shù)據(jù)。通過(guò)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(dòng)提供的GPRS基站數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)軌跡和對(duì)應(yīng)物品狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    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(yè)技術(shù)使得冷鏈管理高效、可靠。經(jīng)測(cè)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(guò)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(shì)，并且具有廣泛的產(chǎn)業(yè)需求。