高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄒朋君 劉韜

摘? 要：高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在高原地區(qū)發(fā)揮較大的商業(yè)用途。以川西高原為例，移動通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋村莊及主要交通道路。在高原企業(yè)向牧民收購農(nóng)牧產(chǎn)品時，本系統(tǒng)利用車輛移動解決了部分地區(qū)無移動通信網(wǎng)絡(luò)所造成的數(shù)據(jù)無法傳輸問題。運輸車輛返回工廠前，數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳至云端，企業(yè)可查看到運輸車輛的收購信息，做好進(jìn)廠驗收準(zhǔn)備和產(chǎn)量預(yù)估等工作。本系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)高原地區(qū)極具應(yīng)用價值，必將能提升高原企業(yè)的信息化程度。

關(guān)鍵詞：高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購;收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);非即時車載傳輸

中圖分類號：TP274.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

川西高原指四川省西部與青海、西藏交界的高海拔地區(qū)，平均海拔4000米以上，總面積約23.6萬平方公里。該地區(qū)草地物種豐富、氣候寒冷，畜牧業(yè)成為了當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕?jīng)濟來源。四川阿壩州紅原縣是川西高原4個典型發(fā)展畜牧業(yè)的縣之一，當(dāng)?shù)靥烊徊輬雒娣e達(dá)1158.03萬畝，牦牛存欄63萬余頭。近年來紅原奶粉廠不斷發(fā)展壯大，現(xiàn)年產(chǎn)量超過10萬噸，但是企業(yè)在鮮奶都收購環(huán)節(jié)信息化程度較低，制約了企業(yè)的發(fā)展。

本次研究以紅原奶粉廠鮮奶收購為背景。研究目的是解決紅原奶粉廠鮮奶收購過程中，由于川西高原移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全面，導(dǎo)致部分區(qū)域收購鮮奶時數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)耐袋c。研究過程中嘗試過利用車載無線電臺或北斗衛(wèi)星短報文功能來解決這一問題，利用無線電進(jìn)行傳輸開發(fā)難度大不易實現(xiàn)，北斗衛(wèi)星短報文傳輸長期使用費用高昂，因此最終設(shè)計了高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本系統(tǒng)利用收購運輸車輛收購過程中一直在運動的特點，在無移動通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)⑹召彅?shù)據(jù)臨時保存在車載終端，當(dāng)運輸車輛運行到有移動通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)⒆詣影l(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可以在運輸車輛回到企業(yè)之前就將收購數(shù)據(jù)先行傳回，企業(yè)可以提前做好進(jìn)廠驗收的準(zhǔn)備。從長期來看，本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動化處理，為未來企業(yè)產(chǎn)品向溯源方向發(fā)展也奠定了基礎(chǔ)。

1 整體方案設(shè)計

高原農(nóng)牧產(chǎn)品收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為三層，即數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層需實現(xiàn)收購信息的錄入。工作人員將手持終端連接上車載終端發(fā)射的WiFi信號后，打開收購專用APP進(jìn)行收購信息的錄入。以紅原奶粉廠為例，收購信息包括牧民信息、收購鮮奶重量、初檢是否通過、收購工作人員工號，以及運輸車輛編號。牧民信息的錄入，可以在奶粉廠統(tǒng)一配發(fā)的收奶桶上粘貼身份信息二維碼，收購時APP掃描二維碼識別錄入;亦或者收購現(xiàn)場讀取牧民的身份證，身份證閱讀器可通過藍(lán)牙無線連接手持終端，也可通過數(shù)據(jù)線連接手持終端。其他收購信息手動輸入即可。由于紅原奶粉廠收購價格透明且長期穩(wěn)定，因此收購信息傳到云端后，牧民應(yīng)得收益會再根據(jù)每千克收購價格乘以收購重量在云端計算，減少傳輸不必要的數(shù)據(jù)，提升傳輸速度并降低成本。

數(shù)據(jù)采集層還需實現(xiàn)運輸農(nóng)牧產(chǎn)品途中儲存環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的獲取，工作原理是通過溫度傳感器定時監(jiān)測運輸車輛儲存區(qū)域溫度數(shù)據(jù)傳輸給車載終端。溫度傳感器的選型需考慮高原寒冷氣候，紅原縣歷史最高溫度為28℃，歷史最低溫度為-30℃，因此傳感器工作溫度和測量范圍均需大于-30℃至28℃這個溫度區(qū)間。此外，溫度傳感器的選型還需考慮運輸物品、企業(yè)運輸需求、靈敏度、誤差范圍、部署位置及數(shù)量。

傳輸層主控部分為車載終端。數(shù)據(jù)輸入有兩個部分，其一為感知層溫度傳感器的定時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果保存到車載終端;其二為車載終端發(fā)射WiFi信號，建立與收購工作人員手持終端的連接，人機交互錄入收購數(shù)據(jù)。車載終端除了收集和保存數(shù)據(jù)外，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行切分打包處理，具體內(nèi)容將在本文下一節(jié)詳細(xì)介紹。

網(wǎng)絡(luò)層是本次研究的關(guān)鍵。川西高原尚未全面覆蓋移動通信網(wǎng)絡(luò)，因此企業(yè)在部分無移動信號地區(qū)收購時只能由工作人員手寫記錄統(tǒng)計，導(dǎo)致企業(yè)工作效率低、信息化程度低，并且錯誤率無法降低。研究過程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)收購時數(shù)據(jù)的傳輸量小、企業(yè)對數(shù)據(jù)實時性需求并非很高，因此本系統(tǒng)利用運輸車輛的位置變化，連接移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸可解決無移動通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸問題。

運輸車輛在每個站點收購時，只是部分站點沒有移動通信信號的覆蓋。因此，運輸車輛停在無信號的站點收購時，數(shù)據(jù)會保存在車載終端中;當(dāng)運輸車運行到有信號的站點，或運輸途中有信號時，由于數(shù)據(jù)量不大，可將數(shù)據(jù)快速發(fā)送至云端。由于移動通信網(wǎng)絡(luò)是利用電磁波進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，電磁波傳輸速度非?？?，甚至被運用到了地震預(yù)警中，因此運輸車回到企業(yè)之前數(shù)據(jù)可全部傳輸完畢。收購運輸車回到企業(yè)后，企業(yè)將車輛車牌號與云端數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，就可以進(jìn)行入廠檢驗等工作，整個過程綠色無紙化，并且避免了人工統(tǒng)計時計算錯誤等問題。

2 系統(tǒng)車載終端

2.1 車載終端的結(jié)構(gòu)

車載終端是系統(tǒng)中非常重要的部分，作為傳輸層的主控部分部署在收購運輸車上，隨車輛移動而移動。車載終端分為四個模塊，分別是無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和人機交互模塊。車載終端的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

無線通信模塊可分為兩個部分。向外傳輸數(shù)據(jù)部分，用于建立車載終端與移動通信網(wǎng)絡(luò)之間的連接，向云端傳輸數(shù)據(jù)。該部分采用雙模通信的方式，支持GPRS/GSM和TD-SCDMA，GPRS/GSM為第二代通訊技術(shù)（2G），支持中國移動和中國聯(lián)通兩家運營商;TD-SCDMA為第三代通訊技術(shù)（3G），是中國移動自主研發(fā)的3G網(wǎng)絡(luò)。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，2G與3G雙模通訊的方式足以在川西高原地區(qū)完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。之所以不使用4G進(jìn)行通信，是因為首先4G費用稍貴，設(shè)計系統(tǒng)時需考慮企業(yè)長期使用的成本問題;其次3G發(fā)展比較早，信號穩(wěn)定且覆蓋范圍廣。

無線通信模塊的WiFi部分用于人機交互，通過發(fā)射WiFi信號連接收購工作人員的手持終端進(jìn)行收購數(shù)據(jù)的錄入。無線通信技術(shù)中常用WiFi、ZigBee和藍(lán)牙三種，從傳輸距離上比較，是WiFi>藍(lán)牙>ZigBee，WiFi的傳輸距離在100-300米，意味著運輸車輛停靠稍遠(yuǎn)時，不影響農(nóng)牧產(chǎn)品收購工作的進(jìn)行;從傳輸速度上比較，是WiFi>藍(lán)牙>ZigBee，WiFi傳輸速度能達(dá)到300Mbps，藍(lán)牙傳輸速度為1Mbps，因此WiFi在傳輸速度上有很大的優(yōu)勢，雖然傳輸數(shù)據(jù)量不大，但縮短傳輸時間能提升工作人員的操作體驗;由于WiFi傳輸距離遠(yuǎn)且傳輸速度快，因此WiFi的功耗也是三者中最大的，但該模塊安裝在運輸車輛上，由汽車蓄電池進(jìn)行供電，WiFi稍高的功耗在本系統(tǒng)中影響不大。

數(shù)據(jù)處理模塊即車載終端主控模塊，可使用樹莓派（Raspberry Pi）或工控機，內(nèi)置Windows 10操作系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先數(shù)據(jù)處理模塊需要接收來自溫度傳感器和手持終端的數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)記錄時會有與之對應(yīng)的時間戳。數(shù)據(jù)處理模塊接收到數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)分類和打包處理，分類即溫度數(shù)據(jù)和收購數(shù)據(jù)是兩個文件不做合并，只在傳輸時將兩個文件打包傳輸;打包則是根據(jù)時間戳將記錄的數(shù)據(jù)切分為多段數(shù)據(jù)，再將兩個文件的同一時間段數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳輸。最后數(shù)據(jù)處理模塊控制無線通信模塊，嘗試連接移動通信網(wǎng)絡(luò)，若連接成功則將打包數(shù)據(jù)發(fā)送出去，若連接不成功則在后續(xù)運輸途中，記錄數(shù)據(jù)的同時不斷嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳感器模塊目前只設(shè)置了溫度傳感器，用于監(jiān)控運輸途中貨物的儲存環(huán)境溫度，實際應(yīng)用可根據(jù)企業(yè)所需額外增加傳感器設(shè)備。由于采用WiFi連接手持終端，因此人機交互模塊可使用智能手機、平板電腦、筆記本電腦等支持WiFi連接的設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程由車載終端的數(shù)據(jù)處理模塊控制，數(shù)據(jù)具體傳輸流程如圖3所示：

運輸車輛啟動后，車載終端通電啟動并復(fù)位初始化。運輸車輛駛離企業(yè)直至收購結(jié)束返回企業(yè)，溫度傳感器在整個過程中都會定時讀取運輸車貨物儲存區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，并將讀取時間和數(shù)據(jù)一條一條保存在車載終端。收購時手持終端錄入得數(shù)據(jù)不會與溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)合并在一起，分為兩個文件進(jìn)行保存。

在連接移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，本系統(tǒng)增加了一個本地數(shù)據(jù)存儲情況的判斷，即無法發(fā)送數(shù)據(jù)時，判斷本地數(shù)據(jù)存儲空間是否占用超過90%。數(shù)據(jù)存儲空間若已經(jīng)使用了90%及以上則暫停收購工作，剩余的10%數(shù)據(jù)存儲空間用于運輸車輛返回企業(yè)途中溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)的保存;反之則可以繼續(xù)收購工作。雖然紅原縣不會存在多區(qū)域無移動通信網(wǎng)絡(luò)的狀況，但企業(yè)如若在實際使用中出現(xiàn)了極端情況，該措施可避免給企業(yè)造成數(shù)據(jù)缺失所帶來的麻煩。

此外，整個傳輸過程中如何切分?jǐn)?shù)據(jù)打包發(fā)送是關(guān)鍵點。本系統(tǒng)設(shè)定收購工作人員在每個站點收購?fù)瓿珊簏c擊提交的時間，作為切分時間點。假設(shè)，收購路線為從企業(yè)出發(fā)，依次途經(jīng)A、B、C三個收購站點，再返回企業(yè)。運輸車輛在A點收購?fù)瓿珊螅瑪?shù)據(jù)切分時間段為運輸車輛從企業(yè)出發(fā)到A點收購收購?fù)瓿?，該時間段的兩個文件進(jìn)入打包待發(fā)送狀態(tài)，車載終端繼續(xù)記錄后續(xù)數(shù)據(jù)。若A點沒有移動通信網(wǎng)絡(luò)，在運輸車輛前往B點途中則會不斷嘗試連接網(wǎng)絡(luò)，直至完成數(shù)據(jù)的傳輸。

當(dāng)運輸車輛在B點完成收購，數(shù)據(jù)切分時間段為從上一次數(shù)據(jù)切分時間點到B點收購?fù)瓿?，即A到B路程和在B點收購?fù)Ａ魰r間段內(nèi)的溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)，以及在B點的收購數(shù)據(jù)。這是系統(tǒng)的第二次數(shù)據(jù)打包，在C收購?fù)瓿傻牡谌螖?shù)據(jù)打包同理。最后，運輸車輛在C點收購?fù)瓿珊蠓祷仄髽I(yè)，到達(dá)企業(yè)后收購工作人員點擊收購?fù)瓿?，由于返程途中沒有了收購信息，只會向云端傳輸返程的溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的研究針對高原地區(qū)農(nóng)牧產(chǎn)品收購工作中，數(shù)據(jù)無法實時傳輸這一痛點所展開，利用運輸車輛移動這一特點設(shè)計了非即時傳輸?shù)母咴r(nóng)牧產(chǎn)品收購數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅解決了收購工作中數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)膯栴}，還提升了高原企業(yè)的信息化程度。未來還將對本系統(tǒng)進(jìn)一步研究和調(diào)試，使其能夠落地到企業(yè)的實際生產(chǎn)中。

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收稿日期：2019-11-16

*基金項目：西南民族大學(xué)研究生創(chuàng)新型科研基金項目“無信號高原地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸可行性研究”（CX2019SP131）。

作者簡介：鄒朋君（1995—），男，云南紅河人，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。郵箱：zou2018@vip.qq.com。

通訊作者：劉韜（1978—），男，四川達(dá)州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。郵箱：21700053@swun.cn。