基于RFID冷鏈物流監(jiān)測系統(tǒng)

劉 影，王智霖，王 宛，韓康康，黃斯航，王乾壘

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平逐步提高，居民對冷藏類食品的需求量呈增長趨勢，因此對我國的冷鏈物流提出了較高要求。容易腐爛變質(zhì)的消費(fèi)品需保存在低溫環(huán)境中，但由于缺乏可實(shí)時(shí)共享的信息，食品的安全管理無法得到較好控制。通過電子信息技術(shù)將分散的物品信息進(jìn)行有效整合，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化社會(huì)冷鏈物流的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。

傳統(tǒng)物流模式只提供了貨物運(yùn)輸?shù)墓δ埽@然無法滿足需要實(shí)時(shí)監(jiān)控物品溫度的特殊物品的需求，目前大多數(shù)物流公司通過溫度檢測記錄儀記錄溫度，在貨物交接時(shí)一次性讀取貨物數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)檢測冷鏈物流系統(tǒng)中物品的過程狀態(tài)。還有一大部分產(chǎn)品無法進(jìn)行低溫運(yùn)輸銷售，且與發(fā)達(dá)國家相比差距明顯，大量的肉、水產(chǎn)品、奶類和豆制品沒有在冷鏈物流環(huán)境下運(yùn)銷。此外，我國還缺乏相應(yīng)的硬件設(shè)施，而原有的設(shè)備無法滿足冷鏈物系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且損耗較高，顯然不適合當(dāng)今的信息化社會(huì)，因此需要更加現(xiàn)代化的物流模式[2,3]。其中RFID技術(shù)可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)數(shù)據(jù)，識(shí)別距離遠(yuǎn)，在配送中心驗(yàn)貨、出入庫工作中，無需人工操作與車輛掃描，大大節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)效率，與人工作業(yè)相比，減少了盤點(diǎn)作業(yè)中的差錯(cuò)率，增強(qiáng)了物流系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。RFID技術(shù)也是近年來備受關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)分支實(shí)現(xiàn)技術(shù)，非常適合構(gòu)建短距離、小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和無線通信系統(tǒng)。

本文引入了RFID技術(shù)，主要從溫度監(jiān)測方面，通過基于OneNet平臺(tái)的可視化監(jiān)管中心，全程及時(shí)了解產(chǎn)品的溫度及位置信息，并在溫度超過所設(shè)定的范圍時(shí)及時(shí)補(bǔ)救，以保證產(chǎn)品質(zhì)量并提高作業(yè)效率和管理水平。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于RFID的冷鏈物流系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器和可視化監(jiān)管中心，如圖1所示。

（1）RFID電子標(biāo)簽負(fù)責(zé)采集冷鏈系統(tǒng)的溫度，并將采集的溫度信息發(fā)送到RFID閱讀器。

（2）RFID閱讀器將來自各RFID電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)和自身的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后上傳至OneNet平臺(tái)。

（3）可視化監(jiān)管中心基于OneNet平臺(tái)對冷鏈系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管，當(dāng)冷鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異常時(shí)可向監(jiān)管人員或用戶發(fā)送異常短信提醒，從而實(shí)現(xiàn)對冷鏈物流的全程可視化監(jiān)管。

圖1 冷鏈物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要由RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器和電源模塊組成。其中RFID電子標(biāo)簽負(fù)責(zé)將采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送到RFID閱讀器。RFID閱讀器將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)。

圖2 冷鏈物流系統(tǒng)硬件框圖

2.1 RFID電子標(biāo)簽

RFID電子標(biāo)簽框圖如圖3所示，主要包括核心處理模塊、nRF24L01無線模塊、溫度傳感模塊和電源模塊。

（1）核心處理模塊采用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位ARM微控制器STM32F103，該模塊主要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過控制nRF24L01模塊以無線方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)模塊。

（2）nRF24L01模塊采用NORDIC生產(chǎn)的工作在ISM頻段的無線收發(fā)模塊，該模塊通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

（3）溫濕度傳感模塊采用溫度傳感器DS18B20，該模塊主要負(fù)責(zé)采集冷鏈系統(tǒng)中物品的溫度信息。

圖3 RFID數(shù)據(jù)采集模塊框圖

2.2 RFID閱讀器

RFID閱讀器框圖如圖4所示，主要包括核心處理模塊、nRF24L01無線模塊、GPS模塊、GPRS模塊和電源模塊。

（1）核心處理模塊采用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位ARM微控制器STM32F103，該模塊主要負(fù)責(zé)將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)和自身位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過GPRS模塊發(fā)送到OneNet平臺(tái)。

（2）nRF24L01模塊采用NORDIC生產(chǎn)的工作在ISM頻段的無線收發(fā)模塊，用以接收RFID數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的溫濕度數(shù)據(jù)。

（3）GPS模塊采用UBLOX生產(chǎn)的NE0-7N模塊，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測冷鏈系統(tǒng)中物體的位置信息。

（4）GPRS模塊采用SIM800A，該模塊主要將冷鏈物流系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)。

圖4 RFID網(wǎng)關(guān)模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該冷鏈物流系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為RFID數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)、RFID網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計(jì)和可視化監(jiān)管中心軟件設(shè)計(jì)三部分。

3.1 RFID電子標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)

RFID電子標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

在打開RFID電子標(biāo)簽電源后，該標(biāo)簽會(huì)初始化溫度傳感器DS18B20和無線模塊nRF24L01，接著將溫度數(shù)據(jù)寫入nRF24L01，nRF24L01再將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，最終進(jìn)入下一個(gè)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送循環(huán)。

圖5 RFID電子標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 RFID閱讀器軟件設(shè)計(jì)

RFID閱讀器軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 RFID閱讀器軟件設(shè)計(jì)流程圖

在打開RFID閱讀器電源后，該閱讀器會(huì)初始化無線模塊nRF24L01，GPS定位模塊和GSM模塊，接著將從無線模塊nRF24L01中獲得的電子標(biāo)簽的溫度數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到GSM模塊，由GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNet平臺(tái)。如果獲得的數(shù)據(jù)存在異常，則系統(tǒng)會(huì)向管理人員或用戶發(fā)送報(bào)警短信。

3.3 可視化監(jiān)管中心軟件設(shè)計(jì)

可視化監(jiān)管中心基于中國移動(dòng)OneNet平臺(tái)而設(shè)計(jì)，該平臺(tái)可以提供簡便的海量連接、云端存儲(chǔ)、消息分發(fā)和大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，從而降低開發(fā)人員的研發(fā)、運(yùn)營和運(yùn)維成本[4]。根據(jù)OneNet平臺(tái)提供的基本框架，創(chuàng)建一個(gè)冷鏈物流監(jiān)測項(xiàng)目，便可對冷鏈物流系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測。

OneNet平臺(tái)的資源管理層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。在該平臺(tái)下，用戶、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、觸發(fā)器和數(shù)據(jù)流有如圖7所示的組織結(jié)構(gòu)形式[5]。根據(jù)OneNet平臺(tái)提供的基本框架，在創(chuàng)建的冷鏈物流監(jiān)測項(xiàng)目中添加一個(gè)監(jiān)測中心應(yīng)用。在監(jiān)測中心應(yīng)用中添加需要監(jiān)測的溫濕度和位置信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流。至此，則完成了可視化監(jiān)管中心的搭建。

圖7 OneNet平臺(tái)資源管理層次結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

RFID電子標(biāo)簽將獲取的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID閱讀器，RFID閱讀器將溫度數(shù)據(jù)和位置信息一起上傳至OneNet平臺(tái)，最終在可視化監(jiān)管中心上顯示。

圖8所示為基于OneNet平臺(tái)的可視化監(jiān)管中心上顯示的冷鏈系統(tǒng)中物品的位置信息圖。圖9所示為在可視化監(jiān)管中心中顯示的冷鏈物流系統(tǒng)中物品的溫度數(shù)據(jù)圖。圖10為物體溫度超過限制溫度后冷鏈系統(tǒng)向管理人員發(fā)送的報(bào)警短信圖。

圖8 位置信息圖

圖9 溫度數(shù)據(jù)圖

圖10 報(bào)警短信圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)和OneNet平臺(tái)的冷鏈物流監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對冷鏈物流系統(tǒng)中物品的定位追蹤和物品溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，管理人員可通過基于OneNet平臺(tái)的可視化監(jiān)管中心監(jiān)測物品的實(shí)時(shí)位置和實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)物品的溫度異常時(shí)，管理人員或用戶還可以收到系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)警短信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了冷鏈物流的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。

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[2]王昀海.現(xiàn)代企業(yè)物流調(diào)度模型與監(jiān)控研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2015.

[3]張建奎.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流平臺(tái)上的運(yùn)用分析[J].中國市場，2017（32）：137-138.

[4]中國移動(dòng)通信集團(tuán).概述－中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)[EB/OL].[2016-01-05].https：//open.iot.10086.cn/doc/art242.html#65．

[5]中國移動(dòng)通信集團(tuán).概述－中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)[EB/OL].[2016-01-05].https：//open.iot.10086.cn/doc/art245.html#68．

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[7]羅珩，陸偉奇，于梅，等.WSN技術(shù)在冷鏈物流動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（10）：18-22.

[8]任敏，胡永生.基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的冷鏈物流發(fā)展對策研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：93-94.