温湿度实时记录仪及智能监控平台

2020-11-13杨平刘在英张丽晓

微型电脑应用 2020年10期

杨平刘在英张丽晓

摘要：论文实现了一个基于蜂窝网路的温湿度实时记录仪，硬件采用芯片级设计方案，在信号、功耗、续航、定位及稳定性等方面较同类产品有了很大的提升。智能监控平台包括6个子系统：GIS地理信息系统、用户管理系统、设备管理系统、数据处理系统、数据分析系统和实时报警系统，对冷链物流的全过程中的温湿度、位置等信息进行实时监控与管理。该设备已经投入市场，收到用户的一致好评。

关键词：冷链物流;温度控制;智能监控

中图分类号：TP277.2

文献标志码：A

IntelligentMonitoringSystemforRealtime

RecorderofTemperatureandHumidity

YANGPing，LIUZaiying，ZHANGLixiao

（

SchoolofInformationScienceandTechnology，ShanghaiSandaUniversity，Shanghai201209，China

）

Abstract：Thepaperrealizesarealtimerecorderfortemperatureandhumiditypositioningbasedoncellularnetwork.Thehardwaredesignadoptschipleveldesignscheme，whichhasgreatlyimprovedtheperformanceofsignal，powerconsumption，batterylife，positioningandstability.Theintelligentmonitoringplatformhassixsubsystems：GISgeographicinformationsubsystem，usermanagementsubsystem，equipmentmanagementsubsystem，dataprocessingsubsystem，dataanalysissubsystemandrealtimealarmsubsystemtomonitorandmanagethetemperatureandhumidityofcoldchainlogisticsinrealtime.Theequipmenthasbeenputintothemarketandreceivedfavorablecommentsfromusers.

Keywords：coldchainlogistics;temperaturecontrol;intelligentmonitoring

0引言

隨着国民经济的飞速发展和人民生活水平的日益提高，人们对于食品和药品的安全也越来越重视。2019年6月29日通过《中华人民共和国疫苗管理法》中第三十七条“疾病预防控制机构、接种单位、疫苗上市许可持有人、疫苗配送单位应当遵守疫苗储存、运输管理规范，保证疫苗质量。疫苗在储存、运输全过程中应当处于规定的温度环境，冷链储存、运输应当符合要求，并定时监测、记录温度。”[1]。冷链物流中，对物品存储时间、温度、湿度以及运输时间等参数都需要进行实时监测。传统人工采集和书面记录方法已经不能满足要求。从生产到销售环节采用全过程低温控制的冷链物流技术应运而生。冷链物流实时监控系统，实现了食品和药品运输过程的规范化、可控化、可视化[2]。

目前，冷链温度的监测多为射频识别技术（RFID）和安全数码卡（SD）温度记录系统，使用RFID的局限性有：（1）RFID需要配备专门的读取设备，不便于在移动物流过程中使用;（2）作用距离短（一般最长为几十米）;（3）数据的安全隐私保护不足[3]。所以，本文方案采用移动式蜂窝网络以及云平台数据处理技术，实时对冷链物流的全过程监控，实现了冷链物流过程中货物的地理位置信息和环境温湿度的实时采集、数据远程传输，监控中心的数据接收、存储、查询，地图显示及实时报警通知，对运输过程实时远程监控，保障了冷链运输过程中物品的质量安全。

1系统总体设计

本系统包括硬件和软件两部分，硬件主要为无线温湿度实时记录仪，软件为智能监控云平台。通过记录仪设备进行实时数据采集，将采集到的货物或环境温湿度、位置等数据通过移动蜂窝网络传输到互联网云平台，在云平台上对数据进行记录、分析、报警和存储等，从而实现对冷链物流全链条的实时监控[4]。智能监控平台体系结构，如图1所示。

实现云平台的服务器有：网关服务器、数据库服务器（MySQL/Mongo/Redis）、WEB/WAP服务器、日志服务器、灾备服务器等。

2硬件设计

2.1终端设备的功能

硬件的设计分五个模块：温度显示模块、数据采集模块、

本地报警模块、网络通讯模块以及电源管理模块。设备的外观设计，如图2所示。

设备的大液晶屏，用来实时显示冷链设备内部的温湿度。数据采集模块，采用数字式温湿度传感芯片实时采集记录数据，本地报警模块，根据采集到的数据，实时监测货物的温湿度状况，一旦出现异常值，本地报警模块将自动触发声光报警，提醒人员尽快采取措施，同时将数据通过网络通讯模块上传到云平台。报警的机制可以根据客户要求设置。网络通讯模块，是整个产品的通讯和数据传输的枢纽，设备的温湿度、位置等数据采用私有协议，通过通讯模块实时传输到云平台，在云端进行进一步分析处理，并实时根据需要触发平台报警，从而实现冷链温湿度的立体化实时监控。电源管理模块则控制设备供电系统，尽可能为设备提供稳定持久的电力，并将低电、断电、充电等特殊状态实时上报云平台，以便管理人员及时采取相应措施。

2.2芯片级设计方案

大多传统物联网产品的数据传输部分均采用单个无线通信模块的设计方案，如图3所示。

虽然设计简单，但带来的问题是：功耗大，信号一般，一致性差，抗电磁干扰性差。综合多方面性能考虑，我们采用芯片级设计方案，如图4所示。

与模块级设计方案比较，芯片级设计方案的优势有：

（1）信号更稳定：射频芯片到天线之间的射频信号通路转接较少，信号损失也较小;

（2）体积更小，使用更方便：芯片级设计方案厚度更薄，设备可以做的更小巧。在更小的空间内做更优性能的产品;

（3）一致性好：无线温度计批量生产射频没有校准，但是模块与主板之间的连接，以及主板与天线连接方式的离散特性，导致整机的射频性能无法保证;

（4）功耗更优：通信单元的功耗，占总功耗的90%，如果使用模块设计方案，设计者无法从系统上对通信单元的功耗进行优化设计;

（5）数据更稳定：采用模块设计时射频信号与数字信号之间的电磁兼容设计考虑不足，导致通信单元工作时射频信号干扰温度数据采集单元的正常工作。

2.3测试结果

采用芯片级设计方案，在信号、功耗、续航、定位、稳定性方面性能有了很大的提升。

（1）信号

信号强度和接收灵敏度高于行业同类产品4个dB左右，等效于与基站的通信距离比采用模块设计方案远60%，有效工作范围较同类产品增大150%。

（2）功耗

在-80dBm～-90dBm的接收信号强度条件下，实测24小时的平均工作电流，行业同类产品普遍6毫安以上（甚至还有15毫安以上的产品），本方案采用芯片级设计，平均工作电流仅为3毫安以内。

（3）续航

通过对通讯单元芯片电路、固件驱动自主设计和优化，达到设备整体功耗最低的状态。测试采用内置3500mAH的电池，以每15分钟上报一次数据，平均工作时间达到50天以上。

（4）定位

考虑到实际运输过程中，车厢、货物包装内部是无法接收GPS信号的，本方案采用LBS定位方案。良好的接收灵敏度使本产品的定位盲区比行业同类产品减少60%左右。

（5）稳定性

在同样弱信号的情况下，测试采用模块化设计方案和采用芯片級设计方案的数据传输情况，如表1、表2所示。

测试结果表明采用芯片级设计方案传输数据，实时上报数据零丢失，性能更稳定。本方案在设计时，考虑了电磁兼容性设计和软件模拟仿真，有效规避了电磁干扰，保证系统各单元互不干扰，产品拥有更好的电磁兼容性，数据采集、传输也更稳定。

3软件设计

智能监控平台包括6个子系统，分别为：GIS地理信息系统、用户管理系统、设备管理系统、数据处理系统、实时报警系统、数据分析系统。云平台的功能结构，如图5所示。

3.1GIS地理信息系统

考虑到运输行业的位置不确定性，平台的GIS系统支持全球范围的数据信息。采用了独创的多种地图资源混合使

用的方式，既可以在国内使用，也可以支持海外的地图信息。自主研发的AI定位辅助功能，可自动纠偏，自主学习，提升定位的精度和速度。2019年6月设备在全球使用情况如图6所示。

3.2用户管理系统

平台支持有多级用户管理策略，分管理员、用户、子管理员、子用户多层级多种角色，根据用户的层级拥有不同的使用权限，管理员可以添加、删除子管理员和直属用户，并且给子管理员或直属用户分配、收回设备的使用及查看权限。子管理员可以建立直属的子用户，并对其权限进行调整分配。

3.3设备管理系统

使用者可以通过云平台的设备管理系统，对于设备进行：添加、删除、分配、回收等权限操作，也可以通过平台对设备进行远程参数设置，例如设置数据上报时间，数据采集时间，报警阈值，报警通知人，运输辅助信息，位置通知设定等。

记录间隔时间指的是设备每隔多少时间采集并记录一次数据，存储在设备本地。1分钟～60分钟可设置，根据设备类型不同而定，实际极限可以1秒采集一次。上报间隔时间指的是设备每隔多少时间，将本地数据同步到云服务器一次，并采集一次位置信息。此时间对设备续航时间有决定性影响，10～120分钟可选，实际极限可达到1分钟上报一次。

3.4数据处理系统

数据处理系统负责监控数据（温度、湿度、震动、光线、气压等）的采集、解包、分析、存储，设备状态（时间、电量、位置等）获取，以及设备数据的下发。

数据采用多节点分布式全备份方式存储，保障了数据的稳定和安全。

3.5数据分析系统

在数据分析系统中，当记录结束后，将自动生成PDF报表，设备端、平台端都可以查看;也可以在平台上查看更详尽的数据分析;并可根据时间、用户、设备等进行统计汇总，生成相关报告，便于后续的问题分析、追溯。

3.6实时报警系统

当设备端的监控数据超限时，将打破上传间隔时间的规律，直接上报平台。平台收到数据后，将根据用户预设的信息，通过短信、手机APP、电子邮件等方式通知相关人员及时处理。

位置通知功能，当设备抵达预设地点一定范围内时，平台可以通知设备或者相关人员，准备下一步工作。例如：抵达机场附近，通知设备进入飞行模式;或者抵达目的地，通知相关人员准备验货等。

3.7平台实现

根据数据类型不同，采用了不同的数据库存储方式，有MySQL、Mongo和Redis数据库，有效地提升了数据库的操作效率。

平台的Web前端采用Node.js进行设计开发;Web后端采用Java编写，实现与后台进行数据交互，为Web前端提供展示数据等功能;后台管理采用Java开发，完成Gateway和CoreCenter模块，实现对设备中数据的采集、解析，对数据库增、删、改、查等操作。

4总结