基于物联网技术的智慧冷链监测系统设计及在农产品质量安全检测机构中的应用

邓 波 宋宇迎 庄建萍 张维谊 丰东升

（1.上海市农产品质量安全中心， 上海 201708； 2.上海市嘉定区动物疫病预防控制中心， 上海 201899）

农产品质量安全关系着人民群众的健康， 提升农产品质量安全水平， 强化农产品质量安全监管，离不开农产品检测[1]。 根据 《中华人民共和国农产品质量安全法》 及农业农村部相关文件要求， 农产品质量安全检测机构只有通过“双认证” 考核（即检验检测机构资质认定和农产品质量安全检测机构考核）， 才能向社会提供具有法律效力的结果数据。

实验室对环境的监控要求是“双认证” 考核中的重要一环， 但传统的环境监控方式[2]不能满足实验室对温湿度的实时监控、 趋势分析、 预测预警、溯源管理及可视化导览需要， 且需要大量人力每天对冰箱、 保温箱和环境的温湿度进行记录， 效率低下且极易造成漏记， 影响实验室认证认可和数据溯源。 一旦温湿度长期处于异常状态， 对试剂、 标准品、 微生物培养、 检测数据及仪器设备均会产生较大的影响。 因此， 提高实验室对环境监控的智能化、 信息化水平， 将极大提高实验室质量管理水平和效率。 本研究设计了一套基于物联网技术的智慧冷链监测系统， 并在上海市农产品质量安全中心进行应用， 以期实现动态监测实验室冰箱、 仓库等温湿度的情况， 并实现实时提醒， 从而使整个实验室的环境监控变得更智能化与信息化[3]。

一、 智慧冷链监测系统的设计

本研究基于物联网和云计算平台， 建立了一套“智慧冷链监测系统”， 以及构建了“1 个云平台+N个监测终端” 的信息化监测管理模式 （见图1）。其中， 1 个云平台是指基于电信云的冷链监测平台， N 个监测终端包括冰箱冷链监测终端、 冷库冷链监测终端、 冷藏车冷链监测终端和保温箱冷链数据采集终端等。 智慧冷链监测系统涵盖了试剂、 样品等不同的流通或储存环节， 解决方案包括“仓储环节冷链监测解决方案”“物流环节冷链监测解决方案”“实验室冷链监测解决方案”， 实现了实验室的全程冷链不间断的监测和管理。

图1 智慧冷链监测系统整体逻辑架构图

（一） 整体设计系统以电信云服务器平台作为硬件的数据处理中心， 对北斗／GPS 模块的位置速度信息以及各类传感器的数据进行整合处理后，由4G 无线通信模块负责将整合信息传输给路由器， 然后连接服务器将数据传送给用户。 用户可以通过云平台所提供的手机App 来访问地图界面[4]，除了监控实验室环境温湿度外， 还能获取畜禽肉、牛乳等样品在冷链运输过程中的重要状态数据（如经纬度位置信息、 运输车辆的速度信息、 温湿度等）。

（二） 硬件设计

1.采集模块。 低功耗无线温湿度采集探头[5]是具有无线射频识别 （RFID） 功能的自动温湿度采集器， 用于冷链装备的温湿度数据采集和传输。 数据采集间隔可根据业务管理要求设置， 防尘、 防水等级达IP68， 具有高测温精度、 高数据存储容量、高抗电池干扰性、 高耐用性和低功耗的特点。

2.传输模块。 冷链监测一体机是具有高扩展性的自动数据接收器， 用于接收探头采集数据、 传输云平台和本地声光报警提醒， 数据传输间隔时间可定制设置， 主要工作模块包括TFT 彩屏模块、RFID 数据采集模块、 4G 无线网络通讯模块、 本地数据缓存模块、 信号断线自动重启模块、 数据快速转换处理模块、 声光报警模块、 不间断电源模块等。

3.定位模块。 便携式温度记录仪是一款用于冷链物流环节， 实时监测和记录温度数据的便携终端设备， 采用无线方式， 免去复杂的安装程序。 记录仪内置大容量电池， 适用于国内冷链运输过程中的温度监测和记录， 可通用U 盘下载相关温度数据。该产品基于GSM 系统设计， 实现国内全覆盖的基站定位和温度数据实时追踪。

（三） 软件设计

1.MQ 遥测传输 （MQTT） 通信技术。 MQTT是一个面向IoT 应用程序的轻量级连接协议。 智慧冷链监测系统基于此协议与物联网平台进行通信，通过跟踪样品冷链运输过程中的监控设备传输的数据， 来获取服务器的地址、 端口、 设备名等信息，从而确保设备与服务器一对一的通信。

2.客户端人机交互界面设计。 智慧冷链监测系统通过云服务器进行部署， 数据通过智能网关经由4G 网络上传到云服务器， 服务器将数据分发到存储主数据库， 并触发预警服务。 系统可根据预警设定， 经云报警通道， 触发短信、 电话语音、 微信等预警， 将异常情况通知给用户。 用户可通过手机、电脑、 监测中心大屏等设备， 登录到业务服务系统， 查询实时数据、 历史数据、 预警数据等。

二、 智慧冷链监测系统在农产品质量安全检测机构的应用

（一） 应用实践情况上海市农产品质量安全中心于2021 年开始部署智慧冷链监测系统， 经过3 个月的安装和调试， 现已正式投入运行近2 年。该系统主要部署于仓储环节（如冷库和冰箱） 和运输环节 （如保温箱和冷藏车）（见表1）。 其中， 仓储设备中安装了冷链监测一体机、 低功耗无线温湿度采集探头和无线深低温采集探头， 探头均由具备资质的第三方检测机构校准后投入使用； 运输设备中安装了便携式温度记录仪和便携式云打印机。 在中心一楼大厅， 安装了冷链中控大屏， 使用冷链监测管理软件对温湿度进行实时监控和预测预警。

表1 智慧冷链系统产品一览表

1.在实验室环境监控方面的应用。 系统通过温湿度探头， 可以直观地记录不同时间各监控点的温湿度， 以及冷链系统的状态， 形成温湿度采集数据库（包括冰箱所在楼层和位置、 冰箱编号、 运行状态、 温湿度探头编号、 温度、 湿度、 记录时间等信息）。 这些数据可以设置报警范围， 通过手机App等及时进行异常提示（包括断电和失去信号）。

系统应用后带来的主要益处有：（1） 系统使用前， 实验人员需每天早晚记录各个冰箱、 冷柜的温度， 有些冰箱冷柜实施了双人双锁， 需要有授权人员才能操作。 记录一遍所有温度， 往往需要3 个人， 每人30 min 左右。 系统使用后， 实现了自动采集， 解放了人力， 提高了效率。（2） 系统使用前，由于各种客观原因， 存在温湿度漏记、 忘记的情况， 不利于实验室准确溯源。 系统使用后， 避开了人为因素， 由系统进行自动记录， 所有记录真实可信。 （3） 系统使用前， 由于温度计需要从冷柜里取出再记录， 造成记录不准确。 系统使用后， 所有探头监测的数据均通过无线传输， 不用开关冰箱和冷库门， 记录均为真实内部温度。 （4） 系统使用前，只在早晚进行一次记录， 其他时间不能实时监控，但到了夏天， 冰箱温度容易波动， 造成试剂存放温度偏离， 影响试剂质量。 系统使用后， 可以实时监控， 温度异常会立即报警， 管理员可以及时发现问题并予以纠正。

2.在样品运输环节的应用。 系统设计时， 考虑了样品运输环节等多种场景的应用需求， 开发了丰富的人机交互界面。 通过获取各模块的重要状态数据（包括地理位置、 温度、 运输车辆的速度等状态信息）， 实现了在运输环节中， 对需要冷鲜保藏的样品进行温度监控， 以及对运输时间进行管理。 通过中控大屏， 可以在地图上实时显示车辆的行驶信息和运输样品的温度情况。

系统应用后主要优势在于：系统使用前， 采样人员采集肉蛋奶等样品后， 放入冷藏箱或车载冰箱， 通过温度计进行温度监控。 采样人员通常只在放入和取出样品时记录温度， 中间运输环节缺少温度记录。 同时， 观测温度刻度时， 需要取出温度计， 造成记录不准确。 系统使用后， 可以通过便携式温度记录仪进行无线实时记录， 也可通过便携云打印机打印运输途中的温度曲线 （每5 min 采集1次温度）， 在样品交接时提供， 便于样品的温度控制， 确保检测结果的准确可靠。

3.在质量体系管理方面的应用。 系统可以对冷链的设备情况、 报警情况、 处理情况等进行评估（如某时间段， 冷链设备总数、 报警总数、 人为造成次数、 未及时处理次数等， 由系统综合计算出冷链管理评估值）， 并可对不同的设备进行评定 （针对某一台设备， 单独计算其温度情况、 超温报警情况、 设备故障次数等， 综合计算某设备评估值），既能为质量管理中仪器设备的校准和维护提供参考数据， 也是设备期间核查的一种方式和补充， 能够反映设备长期运行的偏离度。

系统应用前后的主要区别体现在：（1） 系统使用前， 实验室的温湿度记录数据量大， 但并没有画成曲线对试剂的质量进行监控， 也没有与精密仪器环境要求进行准确匹配， 失去了记录温湿度的意义。 系统使用后， 可基于收集的温湿度数据自动生成折线图， 构建趋势图， 从而可以监控冰箱、 冷库的温控效率和稳定性， 为仪器设备的维护保养提供参考。 温度探头通过计量校准， 数据可以直接用于实验检测过程， 如使用该系统的温湿度数据对菌种培养进行监控。 （2） 系统使用前， 存在温湿度随意记录等情况， 且人工记录的频次较低， 不能实时覆盖， 当出现检测结果异常， 需要对检测过程进行溯源时， 通常很难从温湿度监控角度发现问题。 系统使用后， 利用实时环境记录， 可以有效地追踪试剂是否长期偏离设定温度、 精密仪器所处的环境条件是否长期处于异常等， 从而实现对质量体系中试剂、 环境、 设备的动态串联。

（二） 应用成效

1.以智能监控为手段， 降低了人工管理成本。系统以SMT32 为主控模块， 通过低功耗无线温湿度采集探头、 冷链监测一体机、 定位模块、 便携式温度记录仪等获取实验室冰箱内、 培养箱内、 仪器室环境、 采样车辆等空间的温湿度监控数据， 并与数据接收器进行无线对接， 通过可视化软件系统进行展示， 从而实现实验室冷链自动监测和管理功能， 极大降低了人工大量重复测温的成本。

2.以预测预警为手段， 减少了经济损耗成本。实验室在日常运行管理中， 常因温度的监控不及时， 造成试剂失效、 精密仪器损坏、 检测结果有误需要重做实验等情况， 导致实验室试剂损耗报废量大、 仪器维护维修成本难以下降、 重复实验造成经济损失和时间延误。 该系统通过冷链报警、 曲线趋势预警分析等， 对试剂、 设备、 实验过程等进行监控， 确保试剂保藏条件符合要求， 防止试剂因超温失效造成成本损耗； 确保设备运行环境温度可控，防止因温度过载造成设备损坏产生维修费用； 确保检测过程温度控制合理和可追溯， 防止重复实验造成经济和社会效益损失。

3.以场景应用为根本， 提高了质量管理效能。该系统通过在上海市农产品质量安全中心的应用，证实了其具有极强可行性， 对减少实验室人力、 提高温湿度监测时效、 加强检测环境控制、 保障检测机构管理与运行有重要意义。 系统实现了环境和地理位置的实时和自动化管理， 实现了无纸化管理，极大降低了人为错误， 提高了对“双认证” 农产品质量安全检测实验室的环境控制效率和准确性， 提高了质量管理水平， 特别适用于对温湿度及样品运输有严格要求的实验室、 精密设备房等场所。 系统具有功耗小、 运行稳定、 数据量小、 施工方便和可无限扩展等特点， 有很强的现实应用价值[6]。

三、 结语

智慧冷链监测系统的建立， 为减轻实验室工作量、 提高记录的准确性和真实性、 实现质量控制追溯和超温预警等均起到了积极作用， 推动了实验室的智能化和信息化建设。 后期， 系统可以在提高电池续航、 提升信息发送强度、 减少数据包丢失等方面进行改进， 进一步丰富温湿度监控数据的统计分析展示效果， 进一步完善场景应用的人性化水平。未来， 应力争实现系统与温控设备的智能化对接，通过手机终端远程操控空调、 除湿机或加湿器等，对温湿度进行调节； 也应争取实现系统与仪器设备的对接， 预录各个设备运行所需的环境条件， 通过系统对设备进行运行强度和负载的调节， 减少设备的故障率， 增加精密仪器的寿命。

本文引用格式： 邓波， 宋宇迎， 庄建萍， 等.基于物联网技术的智慧冷链监测系统设计及在农产品质量安全检测机构中的应用［J］.农产品质量与安全，2023 （5）： 33-36.

DENGBo， SONGYuying， ZHUANGJianping，et al.Design of intelligent cold chain monitoring system based on internet of things technology and its application in agricultural product quality and safety testing institutions ［ J］.Quality and Safety of Agro-products， 2023 （5）： 33-36.