機械冷藏車遠程可視化全況監控系統的設計與實現

翁衛兵，吳 堅

（浙江科技學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310023）

1 前言

冷鏈（Cold Chain）是為保持新鮮食品及冷凍食品等的品質，使其在從生產到消費的過程中，始終處于低溫狀態的配有專門設備設施的物流網絡[1]。機械冷藏車是冷鏈的重要組成部分。隨著我國公路冷藏運輸率的提高和冷藏車保有量的增長，公路冷藏運輸總量占全部冷藏運輸總量的比例上升到35%左右。雖然我國目前果蔬、肉類、水產品冷鏈流通率分別達到5%、15%、23%，冷藏運輸率分別達到15%、30%、40%[2]，冷鏈物流的規?？焖僭鲩L，但是與發達國家80%以上的冷藏運輸率[3]相比還有很大的差距，這主要原因為我國機械冷藏車制冷技術和工藝落后，缺乏規范式的保鮮冷鏈運輸車廂和溫度控制設施，無法為易腐食品流通系統地提供低溫保障[4]。

隨著我國政府的重視和行業技術的發展，我國機械冷藏車數量將呈現快速增長趨勢，現階段冷藏車保有量為4萬臺左右[5]，2010年6月國家發展與改革委員會出臺的《農產品冷鏈物流發展規劃》中提到，“鼓勵大型冷鏈物流企業購置冷藏運輸車輛，到2015年，爭取全社會新增冷藏運輸車4萬輛”[2]。

在冷鏈管理中，對機械冷藏車的運行狀況進行有效的遠程、實時監控是保證運輸物品質量安全和實現食品質量數據供應鏈全程溯源的必要條件，包括冷藏車運行狀態、冷藏車廂內的溫/濕度狀況、廂門的開關狀態、冷藏車運動軌跡、駕駛室和車廂內實時圖像等。

針對上述問題，國內外一些研究機構和高校都進行了相應的研究并開發出了相應的產品，對冷藏車的運行狀態、車廂內溫/濕度局部狀態、廂門開關狀態等進行實時遠程監控[6-15]，但是這些解決方案都僅是實現了上述目標的局部功能，針對駕駛室和車廂內實時圖像、車廂內溫/濕度整體狀態還未有文獻和產品涉及。

機械冷藏車遠程可視化全況監控系統針對以上問題，使用全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）、無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）、圖像處理等技術，實現了機械冷藏車的遠程可視化全況監控。

2 系統的技術要求及主要功能

2.1 技術要求

基于冷鏈對機械冷藏車的要求，系統硬件設備必須滿足的技術要求如下：

（1）工作環境：-25℃～60℃；

（2）車輛運行速度:最大120km/h；

（3）溫度調節范圍：-5℃～25℃；

（4）控點溫度控制精度：±0.5℃；

（5）發動機功率：150kW以下；

（6）底盤總體尺寸：≤8 630×2 470×3 565mm；

（7）實際容積：15m3～25m3；

（8）工作濕度：95%。

圖1 系統總體架構

2.2 主要功能

（1）遠程車輛/廂狀態實時監控：遠程實時監控車輛的運行軌跡、發動機狀態、車內溫/濕度整體狀態、油耗狀況、車廂門開關狀態；當監測到車廂內溫/濕度超出預設數值上限或低于下限時，系統能自動識別事故類型，并及時向司機、監控中心報警；

（2）遠程可視化監控：紅外夜視攝像頭可隨時抓拍車廂和駕駛室內部圖片，并與駕駛員實時通訊；

（3）終端具有電瓶電壓監控功能：當電瓶電壓低于安全值時，能夠向控制中心報警；

（4）地理圖形信息查詢功能：可對當前的地圖進行無級放大與縮小操作，以便了解機械冷藏車所在位置的詳細情況或了解更大區域甚至全局的整體情況，可利用鼠標來實現地圖的漫游；

（5）歷史數據檢索與歷史軌跡回放：可隨時查詢某車輛的位置匯報記錄、某段時間接收的車輛報警信息、某段時間的受警記錄等詳細記錄。并可選定某車某時間段的位置記錄，在圖形臺上進行軌跡回放。

3 系統的總體架構

機械冷藏車遠程可視化全況監控系統主要分為四個子系統：廂體與貨架子系統、車載控制單元子系統、通信網絡子系統和后臺可視化監控管理子系統。系統的總體架構如圖1所示。

3.1 廂體與貨架子系統

廂體與貨架子系統由車廂內10個溫/濕度傳感器、2個紅外夜視攝像頭、1個門開關控制器組成。

3.2 車載控制單元子系統

車載控制單元子系統主要由車載控制單元、車載電腦、GPS模塊、GPRS模塊、車輛狀態控制單元和紅外夜視攝像頭組成。

3.3 通信網絡子系統

通信網絡子系統是車載控制單元子系統和后臺可視化監控管理子系統的通信媒介，由GPRS網絡和Internet網絡組成。

3.4 后臺可視化監控管理子系統

后臺可視化監控管理子系統是系統的監控管理中心，由通信服務器、數據服務器、WEB服務器、路由器、防火墻組成。用戶可以通過互聯網登錄可視化監控管理子系統后臺，實現對機械冷藏車的監控和管理。

4 系統硬件設計

4.1 廂體與貨架子系統

4.1.1 車廂。尺寸5 120mm×2 050mm×2 100mm，內容積22m3，內外玻璃鋼，中間保溫層厚度為80mm，駕駛室配環保冷媒R134A空調，車輛標配2只24V容量為105AH蓄電池。為避免車廂未來內部增加光氫離子消毒機以及加濕器可能導致的電力供應不足，在本系統中增配2只24V容量為105AH蓄電池。

4.1.2 溫度傳感器。型號WS-T05，測量范圍：-40℃～100℃；測量精度：±0.5℃；分辨率：0.1℃；記錄容量：14 800組～30 900組；記錄間隔：2s～24h連續可調；通訊接口：RS-232或USB。

4.1.3 濕度傳感器。型號WS-H05，測量范圍：0～100%RH；測量精度：±2%RH；分辨率：1%RH。

4.1.4 門開關控制器。AML05系列雙回路限動開關，結構牢固，由鋅合金及強化塑膠組成，結構小，可防水、防油。觸點間距：0.5mm，操作許可速度：0.1mm/s~0.5m/s，操作許可頻率：20次/min，壽命10萬次以上。

4.1.5 紅外夜視攝像頭。采用紅外線LED燈，有效距離>1.5m；圖像分辨率：30萬像素；圖像制式：PAL/NTS制式；芯片組成：DSP，中星微ZC0301Plus；主芯片：韓國現代HV7131D；彩色：24位真彩色。

4.2 車載控制單元子系統

4.2.1 車載電腦。大國車載電腦，Win7操作系統，7英寸車載觸摸屏；

4.2.2 GPS模塊。接收器類型20個頻道，水平定位精度<2.5m，暖啟動：35s，冷啟動：42s。動態條件：海拔高度<18km，速度<515m/s，加速度<4g。

4.2.3 GPRS模塊。西門子MC39i模塊，工業級產品，具有透明數據傳輸（模塊內嵌完整的TCP/IP協議棧，提供RS-232/485接口，為用戶的數據設備提供透明傳輸通道）、永遠在線（模塊一開機就能自動附著到GPRS網絡上，并建立數據通信鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據）和組網簡單靈活（在移動GPRS覆蓋的地區可以隨時隨地構建虛擬移動數據通信專用網絡）等特點。

4.2.4 PLC。西門子S7-224XP，2路模擬量輸入；

4.2.5 紅外夜視攝像頭。與廂體與貨架子系統內攝像頭相同。

4.3 后臺可視化監控管理子系統

通信服務器、數據服務器和WEB服務器在同一臺Dell PowerEdge T410塔式服務器上運行。

5 系統軟件設計

系統軟件采用B/S（Browser/Server，瀏覽器和服務器）結構，包含通信軟件、用戶管理軟件、后臺監控管理軟件，MS Visual Studio.Net開發，在Windows Server 2000/XP環境下編譯、運行。

5.1 數據庫

系統需要存儲的數據包括長期溫/濕度數據、冷藏車車輛狀況運行數據、車輛行駛歷史軌跡數據、車輛監控圖片數據，數據存儲量大，結合成本因素，系統數據庫采用MSSQL Server 2000。同時為了提高查詢、存取數據的性能，系統針對需要頻繁操作的數據處理過程（如車輛運行狀況數據）使用了存儲過程和索引等高級特性，使系統的數據庫整體性能大幅提升。

5.2 通信軟件

通信軟件在整個系統中起著聯系車載控制單元子系統和后臺可視化監控管理子系統的作用，負責從GPRS模塊接收車載控制單元發到后臺可視化監控管理子系統中通信服務器的數據，按照相應協議來分析數據后寫入數據服務器中的數據庫。同時，通信軟件定時查詢數據庫中由后臺可視化監控管理子系統發出的指令隊列，向車載控制單元發送控制命令。通信軟件在設計過程中考慮到了系統穩定性、可靠性、可維護性和可擴展性，利用模塊化和分層的設計原則進行設計。通信軟件的層次結構包括底層通信層、鏈路協議解析層、命令解析層、數據庫操作層。

5.3 后臺可視化監控管理軟件

后臺可視化監控管理軟件是用戶監控和管理指定機械冷藏車的交互平臺。基于該軟件，用戶不僅可以實時查詢指定機械冷藏車的工作狀態，根據時間窗口查詢指定機械冷藏車的歷史工作狀態，還可以給指定的單個/成組機械冷藏車發送操作指令。

后臺可視化監控管理軟件由用戶管理、車輛監控、報表中心和參數設置等4個模塊組成。

5.3.1 用戶管理模塊。用戶管理模塊主要具備用戶身份的驗證、用戶基本資料的修改、用戶退出等功能。

5.3.2 車輛監控模塊。（1）查詢特定機械冷藏車當前/歷史運行參數（速度、油耗、所處位置信息、運行軌跡、制冷機組運行狀態等）；（2）查詢車廂當前/歷史工作狀態（車廂內溫度數據、濕度數據、圖像、車廂門開關狀態等）；（3）查詢指定車輛的相關信息；（4）對指定機械冷藏車進行拍照記錄（如圖2所示）；（5）發送指令給特定冷藏車或者滿足指定條件的成組冷藏車。模塊中的地圖工具具有放大、縮小、平移、長度測試、視野保存、地圖刷新、前后試圖、搜索等功能。

圖2 車廂實時照片

5.3.3 報表中心模塊。具有根據時間窗口來查詢指定機械冷藏車的工作時間報表、溫/濕度報表、停車報表、狀態報表、跟蹤報表、超速報表和警情報表等功能。溫/濕度報表如圖3所示。

5.3.4 參數設置模塊。包括常用報警設置（超速、持續行駛時間過長、停車未熄火、油耗過高報警等參數修改、保存等）、區域報警設置（區域設定、進區域報警、出區域報警、區域內/外開車廂門報警、區域內/外停車報警、區域限速報警等參數的修改、保存等）和溫/濕度報警設置（溫/濕度傳感器的最高/最低報警值修改、保存）等。

6 結論

本系統以WSN、圖像處理等技術為基礎，對機械冷藏車速度、油耗、所處位置信息、運行軌跡、制冷機組運行狀態等運行參數和車廂內溫度數據、濕度數據、圖像、車廂門開關狀態等工作狀態進行實時采集；以GPS、GPRS等技術為通信手段，實現了地面監控中心對機械冷藏車的遠程可視化全況監控，解決了機械冷藏車的監控管理問題。

2011年8月開始，可視化監控冷鏈運輸車開始場地實驗和道路實驗，運輸特色水果水蜜桃，經過近1 500km的道路試驗和500km的冷藏試驗，初步達到預期的目的和效果。首次道路試驗共400余km，往返浙江杭州和奉化運輸特色水果—水蜜桃。冷藏運輸往返過程中分別設定溫度為5℃和15℃，濕度100%和80%。車廂初始環境溫度為30℃，車廂達到熱平衡時間在1h左右，車廂回風夾層中3個溫度傳感器誤差在1℃內，濕度誤差為±2%。至今運行穩定，狀態良好，現在已經在浙江、重慶等地區開始推廣使用。管理人員不僅可以遠程方便地查看車輛的位置、速度等信息，還可以實時全面查看車廂內溫/濕度、門開關、圖像等狀況，降低了機械冷藏車管理費用，提高了工作效率，實現了物流運輸車輛全程跟蹤與可視化管理，保證了貨物品質與運輸安全，是實現我國冷鏈全程溯源監管的關鍵技術支撐。

本系統數據傳輸實時性好，可對各車輛溫/濕度測量儀器設備進行遠程控制，建設成本低、監控數據全面，具有良好的可擴展性，系統的傳輸容量大、數據傳送速率高，通信費用低、通信可靠性強，電子地圖顯示直觀，不僅為冷鏈關鍵環節—機械冷藏車的調度和監控提供了一個方便、經濟、快捷的解決方案，對于其他特種車輛的遠程可視化全況監控系統的建設也具有良好的借鑒意義。

圖3 溫/濕度報表

[1]GB/T 18354-2001,物流術語[S].

[2]國家發展與改革委員會.農產品冷鏈物流發展規劃[Z].2010.

[3]韓林.我國冷藏保溫車產業現狀及市場分析[J].商用汽車,2004,(8):72-74.

[4]郭法霞.淺論我國冷鏈物流存在的問題及發展策略[J].河北交通科技,2009,6(4):45-47.

[5]中國冷鏈產業網.我國冷藏車將迎來黃金發展期[EB/OL].http://www.lenglian.org.cn/rwzf/7857.shtm l,2010-08-26.

[6]李洋,張永輝.基于物聯網技術的冷藏車智能監控系統[J].通信技術,2010,l43(11):59-60,97.

[7]張巖鋒,梁晉,馬雪梅,等.機械冷藏車遠程監控系統的設計和實現[J].鐵道學報,2005,27(1):119-123.

[8]蘇子林,韓曉玲.基于GIS/GPS/GSM的車輛監控系統的設計與實現[J].計算機工程與應用,2003,(19):206-208,226.

[9]潘迪夫,趙杰.基于GPS/GSM/GIS技術的鐵路冷藏車運行狀態監測與信息管理系統[J].鐵道科學與工程學報,2005,112(14):92-96.

[10]馮雷.基于LBS的路運可視化監控管理公共服務系統[J].物流技術(裝備版),2011,(10):73-76.

[11]鄒曉紅.基于短信業務的冷藏車溫度監測系統的研究[J].信息技術,2005,(10):112-113,116.

[12]周業興,張曉莉.冷藏車車廂多點溫度監測系統設計[J].裝備制造技術,2011,(10):82-85.

[13]宋習,劉嘯峰.鐵路機械冷藏車遠程信息監控系統[J].鐵路計算機應用,2003,12(10):14-17.

[14]Harry J S,Kevin Felichko.Remote monitoring system:US,7952485 B2[P].2011-05-31.

[15]Luis R,Loredana L,Pilar B,et al.A review of wireless sensor technologies and applications in agriculture and food industry:state of the art and current trends[J].Sensors,2009,9(6),4 728-4 750.