基于NBIOT的冷鏈運輸溫濕度監控管理系統設計與實現

王 偉

（青島職業技術學院，山東 青島 266555）

0 引言

2020年中國生鮮電商行業規模超4千億元，較2019年增長64.0%。其中網絡零售交易規模3 641.3億元，同比增長42.5%。相較于商業規模快速發展，我國冷鏈產業仍處于起步階段，規模化、系統化的冷鏈物流體系尚未形成，冷鏈各環節企業之間仍各自為戰，無法實現信息共享，冷鏈市場仍然存在巨大缺位。

目前國內有不少研究人員對冷鏈運輸產業的方案解決進行了不懈的努力探索。姜蕾等人提出了一套基于RS-485和Modbus通信協議的智能溫濕度檢測系統的解決方案[1]。李培江等人研究了基于iButton-Ds1923的冷鏈溫濕度檢測系統，通過1-wire協議與處理器通信,系統結構簡單，抗干擾能力強[2]。潘凌凌等人采用RFID技術和“互聯網+”技術實現了醫用血液的冷鏈運輸和存儲運行狀況監控[3]。賈進科等人對冷鏈運輸檢測系統中的傳感器節點進行設計，采用低功耗單片機對采集的數據進行處理然后用無線方式進行通信，解決系統功耗問題[4]。文獻5中將冷鏈信息平臺與智慧城市體系相結合,利用智慧城市體系中的信息優勢更加便利的采集冷鏈信息[5]。

基于此行業困境，筆者根據區域制冷產業鏈的完整布局優勢，實現貫穿冷庫、冷藏車、商超設備、電動保溫車、生鮮自提的全冷鏈產品線覆蓋，設計實現了該基于NB-IOT的便攜式冷鏈監控模塊系統。該系統將原本分散的冷鏈各環節整合在一條價值鏈上，實現了互聯網與傳統制冷產品的完美結合，實現了對冷鏈設備的無縫全程監控。

1 冷鏈運輸監控管理系統的結構

筆者設計實現的冷鏈運輸監控管理系統的具體功能包含：冷鏈運輸設備溫濕度與位置等信息采集、采集數據實時上傳、運輸任務監控管理等。系統結構如圖1所示。

1.1 數據采集傳輸模塊

數據采集傳輸模塊采用超低功耗、穩定可靠的NB/2G無線通信模組，搭配超低功耗芯片，實現對物品存儲環境實時不間斷測量與監控，保證物品儲存條件始終處于安全范圍內。模塊實現的具體功能如下：

1.1.1 無線傳感數據采集功能

數據采集監控模塊可在低溫、深低溫環境下獲取冷鏈數據全程不插電,采集數據包含冷鏈設備運行期間的溫度、濕度、設備電池電量、貨物識別碼等。模塊配備GPS模塊和移動通信模塊，可實現衛星定位和LBS基站定位功能,模塊支持自由設定傳感器采集間隔，實時采集數據，同步上傳云端服務器，可選2G版和NB版本。

1.1.2 超長距離強抗干擾的數據傳輸

模塊可實現公里級的無線傳輸距離，給全局監控更少的空間限制。傳輸信號穿透能力強，采用NB/2G無線數據傳輸，定位數據可上傳管理平臺，信號傳輸穿透能力強，冷藏箱、冷庫等密閉空間能正常傳輸工作。

1.1.3 報警功能

模塊支持報警功能，檢測到自身運行狀況異常，可實現聲光報警信息顯示。

1.2 冷鏈運輸數據監控管理平臺

數據監控管理平臺的設計采用B/S架構，用戶可以在任意電腦或者移動終端設備上登錄平臺對冷鏈運輸過程進行監控和管理。平臺管理的數據主要分為兩大類，第一類是數據監控模塊設備管理，可實現設備信息的增刪改查功能。第二類是依托具體設備開展的運輸任務及相關數據進行的管理，用戶可在平臺上給具體設備分配和結束運輸任務，并在任務運行期間監控到冷鏈監控模塊實時上傳的數據，包括設備運行的溫度、濕度和位置信息等。

2 數據采集傳輸模塊的設計與實現

模塊硬件設計采用無專門MCU方案設計，以降低硬件功耗，設計以廣和通ADP-L610系列芯片為主，輔助以AIR530采集GPS數據。

2.1 主芯片的設計

L610系列模塊是一款適用于TDD-LTE/FDDLTE/GSM多種網絡制式、多頻段的寬帶無線終端產品，選擇其作為硬件模塊的主模塊，首先是因為其睡眠模式下功耗只有1.8mA,能滿足系統設計的低功耗需求。該集成電路模塊可以在Talk/Data模式下實現語音和數據傳輸，也可以在AirPlane模式下作為普通MCU使用。

硬件設計中，傳感器、GPS、SIM卡模塊和LCD等均作為外部設備通過接口接入主芯片。主芯片的部分硬件原理設計如圖2所示。

2.2 GPS數據采集模塊設計

考慮到模塊在某些應用下需要更加精準的定位，設計中采用了更加成熟的GPS定位模塊AIR530，AIR530是一款高性能、高集成度的多模衛星導航模塊，具有體積小功耗低的特點，支持多種衛星導航系統，包括中國的北斗衛星導航系統BDS，美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，并實現多系統聯合定位。GPS數據采集模塊部分硬件電路設計如圖3所示。

圖3 GPS模塊部分硬件原理圖

3 系統的軟件設計與實現

整個系統的軟件主要包含兩部分，分別為數據采集傳輸模塊的嵌入式軟件和基于B/S架構的上位機軟件。

3.1 數據采集傳輸模塊嵌入式軟件的設計

數據采集傳輸模塊嵌入式軟件主要用于模塊控制系統的初始化、與上位機通信、根據模塊屬性設置完成各種傳感器數據的采集和存儲等功能。

模塊采用的L610芯片在AirPlane模式下可作為MCU使用，嵌入式軟件即運行在該芯片上，軟件接收用戶對系統的屬性設置，存在于模塊的FLASH里面，根據用戶設置的時間間隔定時采集溫度、濕度和定位信息，并實現把重要信息在LCD上顯示，根據用戶設定的報警值，在采集數據異常時觸發報警信號。

3.2 上位機軟件的設計

上位機軟件主要用于實現對系統中數據采集傳輸模塊的設備管理，運輸任務的管理和任務運行期間實時采集數據的查看等。

3.2.1 數據庫設計

數據庫中對任務實體、采集信息實體、設備實體等分別設計表進行數據管理，核心表的設計如下：

（1）任務表設計，該表用于存儲系統正在執行任務的情況，見表1。

表1 任務表設計

（2）采集信息表，該表用于存儲正在執行任務的設備實時上傳的設備采集信息，見表2。

表2 采集信息表

3.2.2 上位機應用程序設計

上位機軟件采用JavaWeb技術開發，系統功能相對簡單，開發人員也選擇了相對簡單的Sprint MVC框架，用戶從電腦端登錄后可以進行三項功能。

（1）設備管理功能模塊下，用戶可以對系統維護的設備進行增加、刪除等操作。

（2）任務管理功能模塊下，系統會查詢現有空閑的設備，供用戶選擇來分配其執行任務，用戶需要錄入任務的基本情況。

（3）信息查看功能模塊下，系統查詢目前正在運行的任務，用戶選擇后查看任務執行詳細情況，列出自任務開始執行后實時采集的設備溫濕度等運行情況，并在地圖組件上顯示設備的運行軌跡。

4 結語

本控制系統設計了一種基于NBIOT技術的冷鏈運輸管理系統，實現全冷鏈設備在運行中溫濕度、故障、位置等信息的實時監控及綜合信息管理。破解傳統生鮮產品在產地預冷、冷鏈長途運輸、零售終端存儲、冷鏈最后一公里配送、生鮮自提、家庭冷藏保鮮等各環節因配送斷鏈、信息斷流而造成的物品損毀，為用戶提供一個從產地到餐桌、從工廠到家庭的完美配送鏈條，大大推動了制冷產業的智能化水平。