疫情常态化下冷库防疫监控一体化系统设计

齐彦，王菲，彭洲，山朋林

（西北民族大学，甘肃兰州，730124）

0 引言

“生鲜电商”的崛起，带动了冷链的迅猛发展，而作为冷链供应链系统的核心枢纽，冷库更成为了资本市场运作热捧的投资对象。数据显示，2021年我国冷库总量可达7322万吨，并且每年将以10%的速度增长，冷库建设将进入蓬勃发展的时期。然而，目前国内冷库建设和运营水平相对滞后，信息化管理体系建设迫在眉睫，一套较为完善的冷库监管系统就显得十分重要。2020年新冠疫情席卷全球。冷链传播疫情形式十分严峻。而冷链运输中一个重要环节就是冷库，所以冷库防疫工作势在必行。基于以上情况我们提出了冷库防疫监控一体化系统。

1 当前冷库面临的问题

■1.1 冷链传播疫情

近日，在我国青岛、兰州、哈尔滨等多地区在冷链食品包装上或食品表面检出新冠病毒。可见通过冷链新冠病毒依旧潜伏在我们身边，所以冷链疫情防控工作不容小觑，作为冷链中重要环节冷库的防疫工作十分重要。然而目前绝大多数冷库的防疫工作依然是由人工来完成，这样耗费了人力物力的同时，冷库的工作效率也有所下降。

■1.2 冷库的远程监管

目前我国大多数冷库管理仍然是采用人工线下的方式来进行，在信息化飞速发展的现在就显得有点格格不入。对于冷库来说，线上管理系统既可以节省人力物力又可以提高工作人员工作效率，实现对冷库的远程监控就显得十分重要。

■1.3 出库入库信息记录

传统冷库出库入库的信息记录都是由人工来完成，很容易发生信息的遗漏，工作人员也很难做到清楚每一个入库货物的具体位置、出库入库时间等信息，这样不利于对冷库的高效管理。

■1.4 冷库环境参数采集

冷库内储存的大多都是易腐物品，如果冷库制冷系统出现故障不能及时的处理，将会造成很大的损失。传统的冷库管理采用的是人工巡查的方式，往往会出现巡查不到位的情况，无法及时的发现故障，这就使得冷库内的食品的质量得不到保障。所以可以实时获取冷库内部环境参数就显得十分重要。

2 本设计实现的功能及特色

■2.1 本设计硬件实现的功能

2.1.1 检测工作人员健康码和体温

工作人员想要进入冷库首先要通过硬件检测健康码和体温。两者若有一项检测异常，都会触发报警系统，并且对工作人员进行拍照记录，然后会将图片上传到华为云服务器进行数据共享，同时下发至工作人员客户端进行记录，以便对检测异常人员进行健康回访。

2.1.2 检测入库物品是否经过疫检

入库前首先要对物品进行扫码，从而获取物品信息，判断该物品是否经过疫检，如果物品经过疫检且合格，再加上工作人员健康码和体温均合格门禁打开，人员方可进入冷库。若入库物品未经过疫检，或者疫检不合格也会触发报警系统，并且对入库物品进行拍照记录，然后会将图片和通过扫码获得的物品信息上传到云服务器进行数据共享，同时下发至工作人员客户端进行记录。

2.1.3 出库入库功能

物品进入冷库，工作人员可以任意将物品放入某一区域，冷库区域化检测模块检测到物品放入，则会将物品信息和所在区域的位置信息，同时上传至客户端记录，在工作人员客户端会将信息可视化的体现出来，例如A区第3层放入的物品为苹果入库时间也会有详细的记录。工作人员若将物品取走则出库完成，客户端自动将该区域信息清除。无论出库入库在客户端都会有货物信息的状态记录，以方便追溯物品动向。

2.1.4 环境参数检测功能

冷库内部还装有温湿度传感器，会实时的将冷库内部每

个区域的温湿度打包发送至工作人员客户端，并在客户端对应的区域显示出来，当冷库内温度或湿度异常就会触发报警系统，系统会自动将异常区域的具体位置信息发送至工作人员手机，以便工作人员尽快处理异常情况。

■2.2 软件实现的功能

2.2.1 实时显示冷库内部状态

在工作人员客户端会实时显示冷库内部状态，如每个区域的环境温湿度、冷库温湿度平均值、每个区域的占用情况、冷库的总占用情况等，且单击某一区域便可获得该区域的具体情况，如物品名称、入库时间等。这样便可以让工作人员在远程更加直观的了解到冷库内部情况，从而方便工作人员对冷库进行管理。

2.2.2 出库入库信息记录

在工作人员客户端会对出库入库的物品信息进行记录，包括入库或出库时间、物品名称、所在区域、当前状态等。

2.2.3 异常人员信息记录

当硬件检测到工作人员健康异常，就会对工作人员进行拍照记录，图片和拍照时间等信息会上传至客户端进行记录，以便对检测异常人员进行健康回访。

■2.3 本设计的特色

(1)我们引入冷库防疫这一概念，通过硬件检测来代替人工检测，极大地节省了人力物力，从冷链的节点冷库入手有效的防止了冷链传播疫情。

(2)我们将云服务器和冷库相结合实现了数据共享和对冷库的远程监控，有效的提高了工作人员的工作效率，使得工作人员对冷库的管理更加方便。

(3)我们将冷库区域化，即方便了出库入库和对冷库剩余容量的检测，同时也使得工作人员可以更直观的了解冷库内的情况。

(4)我们的系统具有很强的扩展能力，硬件之间的通讯是通过ZigBee来完成的，这就为后期加入其他的扩展模块提供了方便。我们的客户端是由java编成，java具有面向对象的特点，这就让系统具有了更好的可扩展性和可维护性。

3 防疫监控一体化系统设计方案

■3.1 防疫监控一体化系统框图

防疫监控一体化系统硬件设计框图如图1所示，防疫监控一体化系统软件功能框图如图2所示。

图1 防疫监控一体化系统硬件设计框图

图2 防疫监控一体化系统软件功能框图

■3.2 具体设计方案

本设计遵循物联网三层结构[1]设计，最底层感知层，包含了获取数据的传感器模块，网络层我们用到了ZigBee、mqtt协议和TCP/IP协议。应用层用到了华为云平台和用java开发的客户端。

图3 防疫监控一体化系统层次结构图

工作人员想要进入冷库首先要对健康码和体温进行检测。若两者均正常，门禁打开工作人员方可进入冷库，若有一项检测异常，都会触发报警系统，并且对工作人员进行拍照记录，然后会将图片上传到华为云服务器进行数据共享，同时下发至工作人员客户端进行记录，以便对检测异常人员进行健康回访。进入冷库首先要对货物扫码进行入库处理，扫码枪将物品信息提取出来保存，冷库区域化检测模块检测到物品放入，则会将物品信息和所在区域的位置信息，同时上传至客户端记录，工作人员若将物品取走则出库完成，客户端自动将该区域信息清除。冷库内部还有温湿度传感器，会实时的将冷库内部温湿度发送至工作人员客户端。

3.2.1 单片机控制器STM系列单片机

STM32系列[2]专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex®-M0，M0+，M3, M4和M7内核,在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列；新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合STM32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。

在本设计中用于接收各个模块传来的数据，将数据处理后发送至WiFi模块进行数据上传。

3.2.2 ESP32模块

ESP-WROOM-32是一款通用型WiFi-BT-BLEMCU模组，功能强大，用途广泛。此款模组的核心是ESP32芯片，具有可扩展、自适应的特点。两个CPU核可以被单独控制或上电。时钟频率的调节范围为80MHz ~240MHz。用户可以切断CPU的电源，利用低功耗协处理器来不断地监测外设的状态变化或某些模拟量是否超出阈值。ESP32还集成了丰富的外设，包括电容式触摸传感器、霍尔传感器、低噪声传感放大器，SD卡接口、以太网接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S和I2C等。

在本设计中用于接收STM32单片机传递来的数据，整合后上传至云服务器。

3.2.3 温湿度传感器模块

DHT22也被称为AM2302，具有标准的单总线接口。该传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

在本设计中用于采集冷库内部温湿度数据，然后将数据传递至Zigbee模块后传至STM32单片机。

3.2.4 体温检测模块

MLX90614是一款由迈来芯公司提供的低成本，无接触温度计。输出数据和物体温度呈线性比例，具有高精度和高分辨率。T0-39金属封装里同时集成了红外感应热电雄探器芯片MLX81101(温度是通过PTC或是PTAT元件测量和信号处理专用集成芯片MLX90302，专门用于处理红外传感器输出信号。用以阻碍可见光和近红外光辐射的光学滤波器（可传播长波）集成在封装内提供对环境和日光的免疫。滤波器的波长通带为5.5~14μm。由于集成了低噪声放大器、17位模数转换器和强大的数字信号处理芯片MLX90302，使得高精度和高分辨度的温度计得以实现。

在本设计中用于采集工作人员体温，体温异常的话将会触发报警系统。

3.2.5 K210模块

Maix Bit开发板是SIPEED公司Maix产品线的一员，基于嘉楠堪智科技的边缘智能计算芯片K210(RISC-V架构64位双核)设计的一款AOT开发板。开发板设计小巧精悍，板载Type-C接口和USB-UART电路，用户可以直接通过 USB Type-C线连接电脑进行开发，配置128 Mbit Flash、LCDDVP、Micro SD卡等接口并把所有IO引出，方便用户扩展。

在本设计中用于健康码的识别，异常则会触发报警系统。

3.2.6 Zigbee模块

Zigbee[3]技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术，其由IEEE.802.15.4无线标准开发而来，拥有低复杂度和短距离以及低成本和低功耗等优点。其使用了2.4GHz频段，这个标准定义了Zigbee技术在IEEE.802.15.4标准媒体上支持的应用服务。Zigbee联盟的主要发展方向是建立一个基础构架，这个构架基于互联网平台以及配置文件，并拥有低成本和可伸缩嵌入式的优点。搭建物联网开发平台，有利于研究成果的转化和产学研对，是实现物联网的简单途径。

在本设计中用于各个模块之间的通信，将温湿度等信息通过无线的方式传递给STM32进行数据处理。

3.2.7 漫反射传感模块

漫反射光电开关是漫反射光电接近开关的简称，是利用被检测物对光束的漫反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。所有能反射光线的物体均可被检测。当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；

在本设计中用来检测指定区域是否被占用，将信息通过Zigbee模块传递至STM32进行处理。

3.2.8 扫码枪模块

常见的平板式扫描枪一般由光源、光学透镜、扫描模组、模拟数字转换电路加塑料外壳构成。它利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中处理。当扫描一副图像的时候，光源照射到图像上后反射光穿过透镜会聚到扫描模组上，由扫描模组把光信号转换成模拟数字信号（即电压，它与接受到的光的强度有关），同时指出那个像数的灰暗程度。这时候模拟-数字转换电路把模拟电压转换成数字讯号，传送到电脑。颜色用RGB三色的8、10、12位来量化，既把信号处理成上述位数的图像输出。如果有更高的量化位数，意味着图像能有更丰富的层次和深度，但颜色范围已超出人眼的识别能力，所以在可分辨的范围内对于我们来说，更高位数的扫描枪扫描出来的效果就是颜色衔接平滑，能够看到更多的画面细节。

在本设计中扫码枪通过对物品二维码的扫描，判断物品是否经过疫检的同时，提取并保存物品信息，然后将信息发送至STM32进行处理。

■3.3 防疫监控一体化系统设计流程图

防疫监控一体化系统设计流程图如图4所示。

图4 防疫监控一体化系统设计流程图

4 结束语

当下正是疫情肆虐的时期，我们当代大学生不一定能做出什么可以有效遏制住病毒传播的大事，但我们也想为疫情防控事业出一份力。在这种心理的促使下，我们想到了这个思路，能力、时间有限不能将作品做到完美，不过该设计的可扩展能力很强，后期我们还会增加智能机器人来代替人工入库，这样便可实现冷库的无人化管理。冷链传播疫情归根到底还是由物品上携带的新冠病毒传播到人身上，无人化管理便可以在最大程度上抑制冷链传播疫情。如果可以我们还会将冷库系统推广至各个地区，我们后台可以监视各个地区的异常情况，这样一旦发现病毒我们就可以在第一时间得到信息从而做出最及时的反应来遏制疫情的扩散。我们不是个例，相信在全国人民的不懈努力下我们终将战胜新冠病毒。