基于ThingsCloud平臺的冷鏈監控系統設計與實現

摘要：在冷鏈市場需求不斷擴大的情況下，針對現階段我國冷鏈物流管理技術面臨著無統一數據系統支持、實時性差、監管脫節、無法進行預警、損失率大等問題，文章設計開發了一套冷鏈監控系統。該系統借助傳感技術采集GPS、溫濕度信息，采用MQTT通信協議將采集數據上傳至ThingsCloud云平臺，通過云平臺實現多個車載網關與中心監控端的數據交互，對冷藏車資源進行有效的跟蹤定位和監測，為冷鏈物流創造了一種嶄新的智慧管理和控制冷藏車輛資源的科學模式。

關鍵詞：智慧冷鏈；ThingsCloud云平臺；MQTT；實時監控

中圖分類號：F252；TP277" 文獻標志碼：A

作者簡介：劉金敏（2001— ），女，本科生；研究方向：計算機技術，物聯網，大數據。

0" 引言

近年來，冷鏈市場需求逐漸增加，因此，運輸過程中的食品安全問題也備受關注。國務院辦公廳印發的《“十四五”冷鏈物流發展規劃》中明確指出，要強化冷鏈物流全方位支撐、加強冷鏈物流全鏈條監管。而我國冷鏈物流管理技術面臨著無統一數據支持、實時性差、監管脫節、無法預警、損失率大等問題［1］，因此，從技術角度而言，設計開發一套冷鏈監控系統，可以實現運輸過程中的信息實時監控和共享，為冷鏈運輸安全提供保障。ThingsCloud是新一代物聯網設備統一接入平臺，基于該平臺進行系統的開發，能夠縮短開發周期、減低運營成本、方便系統的部署和實施。

1" 系統整體設計

按照物聯網體系架構來設計的冷鏈監控系統分為網絡層、應用層和感知層［2］。網絡層利用有線或無線網絡對采集的數據、控制臺的控制指令進行編碼、認證，并傳輸到應用層和感知層。應用層將采集的數據進行分類處理、云計算以及發出指令等操作，數據最終在中心監控軟件中呈現，方便管理人員及用戶實時掌握冷鏈運輸車的狀況。感知層通過GPS傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等采集到冷鏈運輸車內的實時參數。系統整體架構如圖1所示。

系統整體架構主要分為中心監控、云物聯網平臺、車載網關3個部分。其中，中心監控和云物聯網平臺屬于應用層，車載網關屬于傳感層。本方案采用NanoPi NEO開發板作為車載網關的主控器，主要記錄冷鏈運輸車的地理位置、車廂內環境情況等數據，這些數據通過4G模塊發送到ThingsCloud云平臺。車載網關與云平臺通信時，采用MQTT通信協議。云平臺接收到冷鏈運輸車的數據后進行數據處理、監控閾值、告警規則、遠程控制等操作。云平臺負責將車載網關與中心監控進行過組網實現數據交互，用戶可以通過中心監控來訪問監控數據界面，主要包括溫度、濕度、定位等信息［3］。

2" 系統主要功能設計

2.1" 冷鏈監管服務云平臺關鍵技術

2.1.1" MQTT協議

MQTT是一種基于標準的消息傳遞協議或規則集，用于機器對機器的通信，能夠針對工業環境中有限的帶寬、有限的計算能力以及不穩定的網絡環境做出針對性的優化，使其適用于相關采集設備的消息推送并為遠程連接設備提供實時可靠的消息服務［4］。協議工作在TCP/IP協議上，由TCP/IP協議提供穩定的網絡連接；協議基于發布/訂閱模型工作，使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。客戶端通過向 MQTT 代理發送CONNECT消息來啟動連接。代理通過響應CONNACK消息來確認已建立連接。MQTT通信原理如圖2所示。

2.1.2" ThingsCloud云平臺

ThingsCloud 是新一代物聯網設備統一接入的平臺，可接入各類網關、傳感器、執行器、控制器、通信模組、智能硬件等，實現數據采集、遠程控制、數據分析、告警通知、智能聯動，在設備和用戶之間建立開箱即用的云平臺和云應用。DTU （Data Transfer Unit）是一種常見的物聯網通信終端產品，起到網關的作用，它一邊通過串口或無線技術連接各種傳感器、控制器、執行器等，另一邊通過 Wi-Fi、Ethernet、2G/3G/4G/5G、NB-IoT 等方式連接互聯網，接入云端服務。

本系統采用DTU MQTT方式接ThingsCloud物聯網平臺。首先，在云平臺創建項目，進入項目為DTU創建相應的設備，獲得設備MQTT連接參數，然后配置DTU連接云平臺，完成 DTU和云平臺連接的身份認證配置。

2.2" 車載網關的設計與實現

車載網關的功能包括與云平臺建立通信連接、創建線程、配置與讀取GPS定位模塊、讀取溫濕度傳感器的信息、規范數據的發送格式、上傳數據。其中，規范數據的發送格式擬采用輕量級的數據交換格式（JSON）以保證采集器與云平臺之間所傳輸的數據一致性及處理便捷性。車載網關功能架構如圖3所示。

2.2.1" 溫濕度傳感器數據采集過程

溫濕度傳感器選擇DHT11。數據讀取是基于C語言編寫的Matrix API reference manual庫實現。該庫主要給Matrix配件模塊使用，除常用的GPIO庫之外，還包括I2C庫、SPI庫、UART庫和軟件PWM庫等庫。此外，該庫還包含一個命令行工具GPIO，可用于設置、讀寫GPIO管腳，亦可在Shell腳本中使用以達到控制GPIO管腳的目的。就此，本設計從該庫中的demo：matrix-temperature_and_humidity_sensor工程文件中析出可簡化獲取溫度、濕度信息過程的關鍵代碼，即通過Linux設備驅動加載方式modprobe將指定的DHT11溫濕度傳感器直接加載入內核，極大地簡化了開發工作。在Linux操作系統中，目錄、字符設備、塊設備、 套接字、進程、線程、管道等概念實體皆被視為一個“文件”，并通過文件描述符訪問。因此，讀取溫度、濕度數據的程序設計過程中只需將管腳視為文件并打開讀取即可。綜上所述，DHT11溫濕度傳感器的工作流程如圖4所示。

2.2.2" GPS定位模塊程序設計

GPS定位模塊選擇Air530。該模塊與Nanopi NEO接口采用UART串口通信方式，數據的輸出則采用Air530支持的NMEA-0183協議V4.1版。該協議串行通信默認參數為：波特率9600 bps，數據位8 bit，開始位1 bit，停止位1 bit，無奇偶校驗，此亦為Air530初始化串口配置信息。NMEA-0183協議包含有十多種數據幀，Air530則默認輸出其中的GGA、GSA、GSV、RMC和VTG 5種。其數據幀以“$”開頭，隨后的消息ID指明使用何種語句標識（衛星系統）以及使用何種輸出格式，后面以逗號分隔數據體，末尾為校驗和，并以lt;CRgt;lt;LFgt;以示消息結束。綜上所述，GPS定位模塊工作流程如圖5所示。

2.3" 監控中心主要功能

2.3.1" 數據顯示與存儲

監控中心根據檢測數據界面所顯示的環境溫、濕度、地理位置信息，定期進行數據存儲與處理，當發現數據異常時，及時做出應對措施。

2.3.2" 報警處理

當車載網關接到報警或數據異常的信號時，第一時間通知相關人員，同時根據數據異常狀況調節車載中的溫度、濕度等，及時使車內環境恢復正常值。

3" ThingsCloud云平臺處理數據

系統以NanoPi NEO開發板為主控模塊，通過低功耗無線溫濕度采集、冷鏈監測一體機、定位模塊等獲取冷藏車溫濕度監控數據，在物聯網云平臺實時顯示冷鏈運輸車內的情況。該平臺通過對冷鏈運輸車進行監控，防止因超溫失效造成成本損耗，確保設備運行環境溫度可控［5］。當冷藏車內環境異常時，用戶登錄手機App會發生告警，以此確保車內條件時刻符合冷藏要求。

4" 結語

本文提出了一種新型智慧冷鏈物流監控系統，車載網關利用傳感器采集冷鏈物流車輛的實時環境參數，基于MQTT通信協議通過4G模塊對傳感器數據進行傳輸，連接ThingsCloud云平臺組網實現多個車載監控端與中心監控端的數據交互，實時監控數據并設置報警功能，實現了對冷藏車資源的有效跟蹤定位管理。

參考文獻

［1］劉化君.物聯網體系結構研究［J］.中國新通信，2010（9）：17-21.

［2］周柳慧.物聯網智能網關的開發及應用［D］.杭州：浙江大學，2018.

［3］陳志強，吳海青.一種新型冷鏈物流監控系統的設計與實現［J］.物流科技，2024（4）：158-160，171.

［4］吳俊輝，吳桂初，陳沖，等.基于MQTT協議的物聯網網關設計［J］.溫州大學學報（自然科學版），2019（4）：54-61.

［5］鄧波，宋宇迎，莊建萍，等.基于物聯網技術的智慧冷鏈監測系統設計及在農產品質量安全檢測機構中的應用［J］.農產品質量與安全，2023（5）：33-36.

（編輯" 王雪芬）

Design and implementation of cold chain monitoring system based on ThingsCloud platform

LIU" Jinmin， DING" Xingchen， ZHENG" Shufang

（Tongda College of Nanjing University of Posts and Telecommunications， Yangzhou 225127， China）

Abstract： In the face of the increasing demand for cold chain market， this paper designs and develops a cold chain monitoring system to solve the problems of lack of unified data system support， poor real-time performance， disconnection in supervision， inability to issue warnings， and high loss rate in cold chain logistics management in China at present. The system utilizes sensing technology to collect GPS and temperature and humidity information， and transmits the collected data to ThingsCloud cloud platform via MQTT communication protocol. Through the cloud platform， it realizes data interaction between multiple onboard gateways and the central monitoring end， effectively tracks and monitors cold storage vehicles， and creates a new intelligent management and control mode for cold chain logistics by scientifically managing and utilizing cold storage vehicle resources.

Key words： Intelligent cold chain; ThingsCloud cloud platform; MQTT; Real-time monitoring