基于物联网技术的冷链物流监测系统设计

□ 吕昳苗，宁鹏飞

(广州工商学院，广东 佛山 528100)

随着我国改革开放的深入推进，跨境电商平台的迅速发展，我国居民消费需求逐渐呈现出多元化、高标准、差异性等特点。特别是在国内爆出“冰块细菌门”、“僵尸肉”、过期疫苗等造成恶劣影响的事件后，居民对食品、药品的安全给予前所未有的关注。作为物流行业的分支，冷链物流以其在冷冻冷藏工艺方面的技术优势，逐步在现代物流环节中发挥着越来越重要的作用。以生鲜食品、药品为代表的产品从生产端到消费端的流动过程中，始终按相关标准处于规定温度湿度等范围内，是冷链物流要实现的目标之一。而消费者希望进一步获取包括产品溯源、流通加工环节中的各项指标、以及配送过程的实时地理位置等产品相关信息，以确保产品质量安全可靠。供应商希望减少上述产品在运输配送等过程中的变质损耗，从而降低物流成本。物联网正是在这种快速变化的市场环境中发展起来的一种以传感、无线射频、通信、数据库技术为核心的网络工具，它的发展和应用给冷链物流带来了翻天覆地的变化。

1 文献综述

1.1 冷链物流文献综述

在食品质量方面，Anna Nagurney、Min Yu[1]通过电弧乘法引入易腐产品供应模型，求解报废成本，Aiying Ronga et al[2]则通过一种混合整数线性规划模型，模拟食品质量退化，为配送系统设计提供决策参考。J.Moureh;E.Derens[3]建立冷冻食品托盘配送过程温度上升模型；在冷链设备方面，Myo Min Aung、Yoon Seok Chang[4]研究了外部环境特别是设备对于冷链物流的影响。在配送方面，翁心刚[5]建立了多核结构的冷链配送模型，陈红丽[6]建立了配送关键控制节点的监测指标体系；在物流绩效方面，史嘉兴，孙若莹[7]利用网络层次分析法(ANP)与模糊综合评价法(Fuzzy comprehensive evaluation)对冷链绩效进行综合评价；此外，陈镜宇[8]、王金妹[9]在冷链物流外包、高级计划排程等方面也做了相关研究。

1.2 物联网文献综述

在物联网的应用方面，许敏[10]利用物联网技术构建了水产品运输监控系统；马婷，李芳，单大亚[11]利用物联网RFID、WSN技术构建了一个冷链物流的跟踪与追溯系统；汪旭辉、张其林[12]提出了生鲜农产品的冷链物流框架体系，同时构建了物联网的信息平台。在物联网技术方面，陈海明、崔莉、谢开斌[13]对物联网的体系结构进行对比分析，并指出不同种类结构各自的适用范围与发展方向。

虽然目前国内外关于物联网技术在冷链物流中的应用已经有一定的研究基础，并取得了可观的研究成果，但是，大多数成果是从冷链物流的某个环节入手，探讨相应物联网技术应用的理论可行性。实际上，物联网要实现万物相连的目标，首要因素是对相关信息的感知采集与处理，因此，本文拟对监测系统选择一个合理可行的物联网体系结构模型，提出监控系统的基本框架结构，以解决现在冷链物流经常出现的无法实时获得数据信息、冷链环节中断而无预警造成产品质量安全隐患等问题。

2 我国冷链物流发展现状

2.1 冷链物流法律法规、标准缺失

我国的冷链物流法律法规及标准存在诸多问题，缺乏对冷链物流运作环节的法律法规约束，特别是目前第三方物流、第四方物流快速发展的背景下，对于各参与方的权益分配、合同违约认定、侵权责任承担等缺乏明确的法律法规支持，冷链物流出现的纠纷只能借鉴其他相关民事法律法规的规定来处理仲裁、诉讼。各地关于冷链物流运输工具标准、温度湿度控制标准、包装材料标准、储运周期等问题没有形成统一标准，无法对冷链物流设备进行系统性的标准化设计，对资源造成巨大的浪费。同时食品药品监管各部门均有自己的标准，相互不认可，造成现有监管标准的多头管理、分散交叉。

2.2 冷链物流基础设施薄弱、区域差异大

以运输冷藏车、冷库为例，到2017年为止，我国的运输冷藏车数量只有4万辆，远低于美国的16万辆、日本的12万辆[14]；冷库容量约为3610万吨，且多集中在东部沿海地区，中西部畜牧业集中地区及道路条件较差的华南鲜果种植山区冷库资源严重匮乏[15]，我国每年4亿吨农产品进入流通领域，绝大多数缺乏运输销售冷链保证。进入冷链系统的果蔬类、肉类、水产品仅占比5%、15%、23%，远低于美国、加拿大、日本、韩国、新加坡等发达国家的95%，每年造成的产品腐损分别高达20%～30%、12%、15%。随着冷链市场规模的逐年增长，基础设施环节成为制约冷链物流快速发展的短板之一。

2.3 冷链物流信息平台发展滞后，先进信息科技应用不足

3 物联网体系结构及相关技术

3.1 物联网的基本体系结构与特性比较

自2005年国际电信联盟提出物联网(Internet of things)一词，各国都积极进行包括体系结构、技术应用等在内的广泛的研究。欧盟的FP7设立SENSEI与IOT-A项目探索不同的物联网体系结构对实现技术的影响。体系结构设计是否合理直接影响着物联网技术的实现效果。建立体系结构的过程实际上是萃取出各类应用需求，以及筛选出组成系统的部件及部件间的组织关系。常见的抽取维度有功能维度、模型维度。

表1 物联网体系结构分类

表2 衡量物联网特性的指标

根据表2中的各项指标，可以对表1中的体系结构做一个对比分析，结果如下图所示：

水平性可扩展性环境感知性环境交互性自适应性安全性抗毁性互操作性Net workedAuto-IDuID IoT√USN√√√√Physical-net√√√√√M2M√√√√√SENSEI√√√√√√√IoT-A√√√√√√√√AOA√√√

图1 各类体系结构特性对比分析

可以看出USN结构更加接近物联网的各项性质，因此，本文选择USN结构作为监控系统的基本体系结构模型。

3.2 物联网的技术构成

3.2.1 无线传感网技术

无线传感网基本构成要素是传感器节点，收集监测区域内温度、湿度、压力、声音、光线等因素，目的是将上述监测信息数据收集、处理并传递给监测者。比较适用于大规模大范围数据监测。

3.2.2 射频识别(RFID)技术

RFID技术是集成了包括天线、无线通信、芯片等技术在内的一种靠发射高频或低频信号主要对运动中、远距离的物体进行识别、数据收集与处理的数据读写技术。

3.2.3 传感器及探测技术

㉛习近平:《共同创造亚洲和世界的美好未来——在博鳌亚洲论坛2013年年会上的主旨演讲》(2013年4月7日)，人民出版社2013年版，第4页。

传感器技术在朝着数字补偿、网络化、智能化、多功能复合的方向不断发展，其各项技术指标更加严格，补偿工艺更加完善，抵御自然灾害等风险的能力不断提高。

3.2.4 云计算技术

云计算技术是集软硬件、存储器、处理器等为一体的虚拟化软硬件解决方案。旨在为大量信息孤岛提供协同连接，为用户提供更多有价值的信息。

3.2.5 网络通信技术

数据传输主要依赖于网络通信技术，现有的通信技术包括IEE802.15.4、蓝牙、NFL、GPRS等。

3.3 物联网技术在冷链物流中的应用

3.3.1 物联网技术应用于冷链物流生产加工环节

传统生鲜食品生产加工环节开放程度较低，消费者发现产品质量出现问题，很难追究生产者责任，对于政府相关监督部门来说，由于生产加工环节的模糊性，质量问题溯源也是一个比较大的障碍，无法准确进行责任划分。引入物联网技术后，每个单项产品都会通过一定的编码规则在数据库建立产品质量档案，对于生产加工的各个环节都能实现连续的温度、湿度、环境菌落等指标监控，对应相应的责任人等各项信息，录入冷链物流系统的数据库。

3.3.2 物联网技术应用于冷链物流仓储配送环节

以RFID技术为例，在仓储环节能够实现产品信息的自动化读取录入，引导AGV小车正确运送到相应的货架或储存区，指引分拣员正确拣选产品并实现拣选路径优化，通过货位上设置的RFID标签或产品包装上的标签信息扫描，进行拣选产品的二次复核，极大地提高了拣选准确性和效率。并能够实时上传出库产品信息，保证仓储产品信息的准确性。在配送环节，结合GPS定位技术、GIS地理信息技术、RFID技术等实现车辆路线规划、车辆调度优化、在途产品、货物温度、湿度监控等可视化配送，从而保证在途产品、货物的质量与安全。

3.3.3 物联网技术应用于冷链物流销售环节

由于冷链物流在销售环节常常存在断链现象，如受一些地区政策限制，冷链运输车禁止进入人流密集地区的某些路段，导致配送至该段的产品必须转换运输工具，导致产品变质现象的发生。此外，在商超中，一些顾客从冷藏冷冻区取出产品后放弃购买，并未将产品归入原位，也会在一定程度上造成断链现象。通过产品上附带的RFID标签，RFID阅读器即可实时传送在冷藏冷冻区的温度信息，及时反馈给管理部门，也可以在顾客购买产品后一次性读取购物车内产品信息，生成价格结算清单，更新商超库存数据。及时传递给供应商进行产品补货。

3.4 利用物联网技术构建冷链物流监控体系

3.4.1 系统需求分析与总体设计

为了保证物联网技术的应用能够有效解决冷链物流的应用需求，并解决应用过程中出现的理论问题与实际技术问题，首先，必须做系统的需求分析，即建立一个从物联网信息采集、传递、融和、处理和应用角度的核心用例模型，并综合核心用例为一个关联模型。

监测系统的核心是物联网信息平台，主要用户包括政府监督部门、消费者、冷链物流企业、生产企业；主要功能模块包括运输管理系统(TMS)，仓储管理系统(WMS)，安全追溯系统、监控预警系统。

图2 冷链物流监测系统总体功能设计

3.4.2 基于USN物联网体系结构的监控系统设计

USN是由韩国电子与通讯技术研究所提出的物联网体系机构，从底至上分为感知层、传输层、处理层、应用层。感知层主要由EPC编码标签、传感器、摄像头、传感器组网、网关构成，通过与周边环境相关参数的感知，收集温度、湿度等指标，经由读写器上传控制系统经过数据过滤、校对、完整性检验等步骤，进行深入处理。最终应用层通过对收集的信息转化为视频、图像、文字等方式对产品信息进行监控、管理和应用。

USN以互联网作为网络基础设施，通过在感知层部署传感器来收集温度湿度、GPS定位等指标数据，经过将传感器与RFID网络集成，可以把采集的数据在后端服务器中进行处理，再提供给应用平台。作为一种典型的后端集中式体系结构，USN物联网中的信息处理业务和用户服务请求是由后端支撑平台或服务器来完成的。重点需要选择连接方式、通信协议、服务机制三个层次的实现方法。

互联网标准化组织IETF基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，可以运行在资源受限的低功率设备上，可以运行在多种介质上(如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网),有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低连接成本，同时采用IETF Ro LL工作组制定的RPL路由协议，从而实现物联网监控服务。

图3 RPL路由协议

图4 冷链运输车温湿度监测结果

4 结束语

本文着重讨论物联网监控系统的模型设计，对于物品的语义标注、查找、处理等不作过多探讨，但不能忽视其对物联网的重要影响。

为了进一步促进物联网技术应用于冷链物流系统建设，需要政府下大功夫创设一个利于冷链物流发展的法制环境，完善冷链物流基础设施建设，协调区域发展不平衡，努力推动先进物流信息技术的发展与应用，引入国外先进的冷链物流运作模式与管理经验，培养复合型冷链物流管理人才，才能推动我国冷链物流弯道超车，实现跨越性发展。