基于ONENET云平臺的冷鏈物流車載終端監控系統設計

劉桄志 劉千

【摘 要】隨著人們生活水平大幅度提升，人們更加關心食品的品質，如果食品在運輸過程中，因儲藏環境不達標造成食品腐爛，這就會給企業造成嚴重的損失。所以在食品運輸過程中，對食品的溫濕度PH值的監控就顯得尤為重要。近些年，冷鏈物流的作用就迅猛地凸顯了出來。通過對冷鏈物流系統的研究，結合了相關技術，針對冷鏈物流過程中的溫濕度和PH值等實際環境需求設了計一款基于ONENET云平臺和RFID的冷流物流車載監控系統。此監控系統可以實現食品在運輸過程中的溫濕度和PH值以及地理位置和食品屬性地采集并將這些信息發送到云平臺中供用戶使用，實現了食品品質的保障和溯源。設計中用到了溫濕度以及PH傳感技術，GPS技術，RFID技術，4G技術、圖像采集技術、PWM技術。

【關鍵詞】冷鏈物流;GPS定位;4G;RFID射頻識別;圖像采集;傳感器

引言

隨著人類科技、醫療等方面的迅速發展，人們不僅滿足于果腹的需求，對食品的品質也有了更高的要求。據調查，我國2018年水果和蔬菜的總量分別達到27000萬噸、9.02億噸居全球首位。但是28%的蔬果在運輸、儲藏和銷售環節中產生一定的損耗[1]，所以冷鏈物流也顯得尤為重要。據調查，在2016年果蔬產物在運輸中產生的虧損占運輸總量的30%[2]。這就表明，在果蔬產品運輸過程中，溫度和濕度的監控對果蔬產品的保鮮有著重要的作用。在冷鏈運輸過程中，冷藏車內的溫濕度控制對生鮮、藥品等貨物的品質有著至關重要的作用[3]。但是在實際運輸的過程中，冷藏車內部缺少對溫度濕度環境信息的監控記錄和報警功能。除此之外市場上的冷鏈物流的監控系統對車輛信息，發車時間只能采取簡單的手動記錄，并且還不能對車輛進行定位。這就造成了食品運輸過程不可溯源以及冷藏車內的溫濕度發生變化卻未采取相應的補救措施而造成的食品，藥品的變質。對于以上問題，本文利用溫濕度傳感技術，PH傳感技術，GPS全球定位技術，RFID射頻識別技術[6]等物聯網技術相結合設計一套可以實時查看冷鏈運輸車輛內溫度濕度和水產箱的PH值，并且利用全球定位技術可以遠程觀測到冷藏車的地理位置，應用射頻識別技術記錄貨物的屬性的冷鏈運輸監控系統。

一、車載終端監控系統總體設計

在實際的冷鏈物流運輸中的[4]，生鮮食品對于溫濕度要求標準較高，因為在冷藏車內只有制冷設備卻沒有溫度監控系統的情況下，一旦制冷設備出現問題或者車廂門意外開啟，溫度會發生變化，造成食品變質。在安裝車載監控系統以后[5]，如果冷藏車內的溫度變化到不利于貨物儲藏的溫度閾值時，車載監控系統將會報警，告知管理人員。

除了冷鏈運輸的環境溫度之外，車載終端的監控系統還需要對運輸貨物進行識別，保證管理人員知道當前冷藏車中運送的是什么貨物，采用射頻識別技術極大地簡化了物流運輸過程中的出庫入庫記錄，提高了貨物出庫和入庫的效率。所以車載終端監控系統還需要加入RFID模塊，對貨物上的電子標簽進行掃描，將貨物信息錄入到監控系統中來。管理人員還要了解貨車的地理位置信息，方面管理人員對調度進行優化，讓貨物以最高的效率運輸到目的地。除此之外因為冷藏車是實時移動的，所以監控系統上傳監控和報警信息就要通過4G網絡將信息發送到ONENET云平臺上。這些監控信息供管理人員參考。根據車載終端監控系統的需求分析，設計出整個監控過程以及信息發送示意如圖1所示。

根據冷鏈物流車載終端監控系統示意圖可知監控系統可分感知層、網絡層、應用層三個方面。在感知層，首先系統獲取被運送貨物的信息，隨后采集冷藏車內的溫度、濕度、以及水產箱中的PH值，如果這些參數不在正常范圍內會發生報警，此外獲取冷藏車的地理位置信息;在網絡層，車載終端監控系統將采集的所有信息通過4G網絡上傳到云服務器上;在網絡層，通過網頁和手機APP查看冷藏車實時監控數據，此外還可以通過手機APP遠程控制車廂門的開關，這里用舵機模擬。冷鏈監控系統結構分析圖2所示。

具體功能說明如下：

（1）車載終端監控系統通過溫濕度傳感器和PH傳感器采集車內的溫濕度和水產箱內的PH值;通過GPS/BEIDOU模塊獲取冷藏車當前的定位信息;通過超高頻讀寫器射頻模塊獲取被運輸貨物的貨號。講這些信息通過車載終端上的LCD顯示屏顯示出來。如果車廂內環境參數不在正常范圍之內就會發生報警。

（2）車載終端監控系統使用4G模塊，通過4G網絡用MQTT協議將感知層采集的信息發送到ONENET云平臺上。

（3）在ONENET云平臺上設置UI界面和數據流顯示溫濕度、PH值和物品的貨物信息。通過GIS技術將經緯度信息在云平臺上以地圖的形式顯示。這讓管理者使用網頁或者手機APP查看車載終端監控系統的遠程采集的環境監控信息。此外還可以通過ONENET云平臺手機APP控制車廂門的開關。

二、車載終端監控系統軟、硬件設計

1.硬件設計

此系統的硬件部分主要包括以下幾個模塊：MCU主控模塊、電源模塊、溫濕度采集模塊、PH傳感塊、GPS全球定位系統模塊、4G無線傳輸模塊、LCD顯示模塊、攝像頭模塊、舵機模塊、SWD下載模塊、USB串口模塊、按鍵模塊、RFID射頻識別模塊。硬件系統結構示意圖如圖3所示。MCU主控模塊是車載終端監控系統的核心單元，主要負責整個系統的數據處理和和采集，對各個功能模塊的控制。電源模塊給車載終端供電，保證系統有穩定的供電并能正常工作。溫濕度采集模塊主要負責采集冷藏車內的溫濕度并將采集的數據以MCU支持的通訊協議傳送給MCU。PH值采集模塊主要負責采集水產箱中的PH值，并將這個PH值轉為電壓值輸入到MCU當中。RFID無線射頻識別模塊主要負責識別貨物的電子標簽信息，并將信息數據發送給MCU。GPS模塊主要負責獲取冷藏車的地理位置信息。LCD顯示模塊主要是將上述采集的信息顯示在LCD顯示屏上。按鍵模塊用于用戶對系統的設置。4G無線傳輸模塊主要是將上述冷藏車的各種信息數據通過4G蜂窩網絡上傳到云平臺中。攝像頭模塊主要用車廂內圖像的采集。SWD程序下載模塊用于將程序下載到FLASH中，用來固化程序。USB串口模塊用于下載程序或者調試系統。

2.軟件設計

在對車載終端監控系統的硬件結構和模塊功能以及接口進行設計后，在實際過程中要實現對環境變量監控以及發送到云平臺還需要軟件的配合，嵌入式的軟件設計是根據特定的硬件平臺進行設計。軟件和硬件結合，并且協調配合，最終實現遠程監控冷藏車內的環境情況。

軟件是整個車載終端監控系統的大腦，所以軟件的設計的好壞決定一個系統運行的穩定性。在軟件設計上此項目主要采用了模塊化設計方法。主要包括了溫濕度采集模塊程序方案設計、PH傳感模塊程序方案設計、GPS模塊程序方案設計、RFID射頻識別模塊程序方案設計、4GDTU模塊程序方案設計、LCD顯示方案、攝像頭模塊圖像采集程序方案設計。最終通過定時器和按鍵實現各個模塊之間的邏輯。

三、系統測試

由于場地、車輛客觀條件限制，我們的測試環境主要是室內環境。首先是將車載終端上電，觀察各個模塊是否正運行并且檢測是否收到正確的數據。接下來登陸云平臺觀察云平臺和手機APP上數據流的數據和車載終端監控系統LCD顯示的數據是否一致，地點標定是否正確，并且測試數據傳輸的實時性。

測試條件如下：

（1）測試地點：黑龍江省寶清縣

（2）實驗器件和設備：STM32F10ZET6開發板、溫濕度傳感模塊、PH傳感模塊、GPS/BEIDOU定位模塊、4GDTU模塊、RFID射頻識別模塊，及相關測試軟件。在測試中，分為車載終端測試、云平臺和手機APP測試。

車載終端上電后，LCD顯示的數據如圖4所示。車載終端視頻監控界面如圖5所示。

登陸ONENET云平臺網頁。通過車載終端的按鍵手動上報數據，觀察數據網頁上是否及時更新數據并且是否和車載終端顯示的數據一致。結果表明。云平臺的數據及時更新并且云平臺的數據和車載終端顯示的數據一致。除此之外，查看云平臺的位置標定是否正確。云平臺還可以存儲一定的數據點。

登陸手機APP，觀察到得到的數據和網頁上的數據相同，并且數據的實時性也符合預期要求。APP中的位置標定也和網頁中的相同，是終端所在的位置。通過手機APP我們還可以下發控制命令到車載終端，我們可以通過APP遠程控制車廂的車門開關（這里用舵機模擬車廂的開關），并且可以通過APP來獲取目前冷藏車的GPS定位信息。經過測試，發現控制效果很好，延時很低。手機APP界面如圖6所示。

四、結語

本文針對冷流物流過程中的實際需求，對影響冷鏈運輸貨物的質量的環境因素進行分析，并從感知層、網絡層、應用層三個方面提出了一套基于物聯網技術的冷鏈物流車載終端監控系統，實現了對車內溫濕度監控、PH值測定、冷藏車的定位、貨物的識別、冷藏車廂內的視頻監控、數據上傳到云平臺等功能。加強了冷鏈物流的數字化、規范化、可視化，便于冷鏈物流的管理。

參考文獻：

[1]童光森，超市生鮮蔬果損耗因素及對策研究[J].四川旅游學院報，2019（06）：30-32.

[2]蔡焱，基于GPS和RFID的冷鏈物流遠程監控系統車載終端的設計和應用[D].華南理工大學，2017.

[3]喜崇彬，零售冷鏈物流發展新變化——訪京東冷鏈戰略規劃負責人李秀強[J].物流技術與應用，2020，25（03）：108-110.

[4]孫明燕，蘭洪杰，黃鋒權.冷鏈定義淺析[J].物流技術，2007，26（10）：29-31.

[5]仇佳威，冷藏車監控系統設計與開發[D].沈陽工業大學，2019.

[6]李博文，基于RFID冷鏈物聯網應用系統設計[D].華北理工大學，2017.

項目名稱：

基于物聯傳感網絡及無源無線傳感系統的冷物流品質感知與可追溯平臺，項目編號：S202010429088，項目基金：S202010429088

（作者單位：青島理工大學信息與控制工程學院）