鲜活农产品物流实时监控系统设计

摘要：针对鲜活农产品物流过程，开发成型的物流过程实时监控系统，以便实时地跟踪管理鲜活农产品的物流过程，从而提高农产品运输效率。物流过程实时监控系统包括鲜活农产品温湿度检测、车辆速度路线信息采集、无线数据传输、物流过程监控中心数据处理四个子系统，利用GPS、ZigBee技术、GPRS网络及Internet实现对农副产品整个物流过程的监控和管理，以及提高农副产品运输效率，为农产品的市场准入制度与溯源机制服务。
关键词：鲜活农产品；农产品物流；物流管理；物流过程监控；数据采集处理

    “新鲜”是农产品的生命和价值所在，由于鲜活农产品的含水量高、保鲜期短极易腐烂变质，大大限制了运输途径和交易时间，因此对运输效率和保鲜条件有很高要求。“鲜活农产品物流过程实时监控系统”项目对运输鲜活农副产品的物流车辆进行跟踪，包括车辆信息、当前位置、时速、农副产品的存储温度、湿度等信息。通过对从产地到全国各大批发市场运输过程中产品的状态进行监测，确保鲜活农副产品在运输途中不受损害，降低运输损耗。同时，以此为基础，建立市场准入制度与溯源机制，禁止存在问题的鲜活农副产品进入市场销售，如果出现问题也可以追本溯源。

1 物流过程的流程设计
    农副产品的物流过程自农副产品的产地装货出发开始，经过运输车辆行驶过程直至农副产品到达目的地，再将销售情况反馈给产地，完成一次物流运输过程。物流过程实时监控系统需要对整个物流过程进行实时地监控及跟踪管理。
    农副产品运输车辆在空间上具有移动性，车辆散布范围广、数量多、距离远、还有可能途经偏僻地段，不应该受地域限制；在时间上具有实时性，并要求长期连续运行。但农产品批发市场所在地的工作人员必须对各运输车辆内的农产品的温度和湿度信息和相关信息实现全程实时监测和监督，才能保障农副产品在运输过程不会因温湿度控制不当而变质，从而减少不必要的浪费，保证农副产品质量安全。物流过程的流程设计如图1所示。

    根据以上分析，农副产品物流过程实时监控系统需要完成的主要功能可以分为鲜活农产品温湿度检测、车辆速度路线信息采集、无线数据传输、物流过程监控中心数据处理四部分。

2 系统总体框图
    鲜活农产品物流过程实时监控系统总体框架如图2所示。
    其中，环境参数采集模块和车载终端子系统是安装在运输设备上的，环境采集模块负责实时地检测所运输物品的温度和湿度信息，定时将采集的信息通过ZigBee通信协议传递给车载终端。车载终端集成GPS模块、ZigBee无线模块和GPRS通信模块，负责将GPS信息、接收的温度湿度信息通过GPRS模块传递给监控中心。无线通信子系统负责接收GPRS信息并将GPRS网络的数据转化为Internet网络的格式传递给监控中心。物流过程监控中心是整个系统的大脑，负责对所有物流过程进行监控和管理，发现并报告异常，同时定时将收集到的信息存储到数据库中。
2．1 环境参数采集子系统
    该子系统主要安装在运输车内，实时地采集所运输的鲜活农产品的温度和湿度信息数据，并及时将这些数据传输到车载终端子系统，便于实时反馈给物流过程监控中心。环境参数采集子系统是整个鲜活农产品物流过程监控系统十分重要的部分，负责实时检测鲜活农产品运输过程的温度和湿度，并通过ZigBee短距离无线通信网络发送给车载终端。温湿度检测系统由温湿度传感器和ZigBee短距离无线模块两部分组成。温湿度传感器放置于封闭的运输车厢内，温湿度传感器采集到温度信息和湿度信息后，通过MCU实时传给ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块将这些信息通过无线网络发送给驾驶舱内的车载终端，车载终端将这些信息以及GPS模块获得的车辆状态(车速、位置)信息打包后
通过GPRS网络直接传输到物流过程监控中心。
2．2 车载终端子系统
    车载终端子系统实际上就是一个基于ARM的嵌入式平台，它包括ZigBee无线通信模块，GPS模块以及GPRS模块。它的功能主要提供运输鲜活农产品的运输工具的各种状态信息，包括车辆定位信息以及运输工具的各种环境参数信息。其定位信息是通过GPS模块获得，通过GPRS模块发送给服务器，同样也可以通过TCP／IP套接字给服务器发送各种请求，来获得相应的服务。同时，车载终端接收环境参数采集模块通过Zig-
Bee无线网络传输来的环境参数信息，经过处理后通过GPRS发送到物流过程监控中心。
    本工程中，该子系统处理器使用的是Philips公司的ARM7 LPC2100系列，ARM嵌入式开发平台的GPRS扩展模块采用的GPRS模块型号为SIM3000，并且GPS定位信息的接收采用的是Garmin公司生产的GPS15L／H接收机。
2．3 无线通信子系统
    无线通信子系统实际上是建立在运输车和物流过程监控中心的数据传输通道，由于运输车的移动性、分散性，同时考虑通信成本和可靠性，采用GPRS无线通信方式实现无线数据传输系统。无线通信子系统可以依托中国移动或者联通提供的服务，但监控中心接入的是Internet网络，数据从GPRS网络到Internet网络需要进行一定的处理转换。
    车载终端通过GPRS将分组报文从基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)，SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或X．25网络。来自因特网标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。SGSN是GSM网络结构中的一个节点，它与MSC处于网络体系的同一层。SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络结构与移动台之间的接口。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM网络和外部分组交换网的网关。通过GGSN将GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP／IP或X.25网络。
2．4 物流过程监控子系统
    物流过程监控子系统作为整个系统的神经中枢，负责接收来自无线通信子系统发来的数据并进行实时的处理和显示，形成直观的操作界面便于对物流过程进行监控和管理。
    该子系统完成和车载终端的实时无线通信、数据库存储、温湿度曲线显示和温湿度实时报警等功能。首先物流过程监控中心可以对鲜活农产品实时温湿度和相关信息数据包进行接收和发送；GPRS网络通过GGSN将报文传送到Internet网络，物流中心的服务器只要有一个公网的IP地址就可以获得这个信息。然后监控中心子系统把接收的所有信息进行相关处理并且实时存储于后台数据库中；最后用户通过监控中心子系统的软件界面可以进行直观的温湿度曲线显示、车辆位置信息的电子地图显示、数据库查询和远程参数设置等操作。

3 物流过程监控子系统设计
    根据以上分析，将整个监控中心系统主要分为3个模块进行设计：数据包收发和处理模块、数据库管理模块和可视化界面模块。系统整体设计框架如图3所示。

3．1 数据包收发和处理模块
    数据包收发和处理模块主要负责从Internet上获取来自无线终端的信息数据。设计时必须考虑的是车辆的移动性，以及如何能实时地将数据传送到监控中心服务器等问题。
    车载终端需要传送数据时，首先将所收集到的信息数据进行基于TCP／IP的打包处理，打包过后的数据通过GSM网络将数据传送给最近的BSS(基站子系统)，BSS会和最近的SGSN通信，其后SGSN通过GPRS网络将数据发送到GGSN，在GGSN对该数据包进行相关处理后，将该数据发送到Internet或X．25网络。进入到Internet上的IP数据包可以很容易地传输到物流过程监控中心。因此，监控中心数据包的收发和处理模块只需考虑接收和处理来自Intenet的IP数据包。
3．1．1 数据帧格式设计
    本系统主要功能是记录农副产品的状态，每次传输的数据量小而且突发性强，因此采用UDP协议传输数据。同时，由于UDP协议为不可靠的传输协议，其并不提供数据传送的保障机制，因此实现时必须添加保障信息传输可靠性的确认机制。在本系统中，当监控中心向终端发送数据时，要求终端返回接收正确或错误的确认信息，监控中心收到正确的确认信息后数据下传进程才完毕。否则，监控中心将在规定的时间内重发，直到收到正确的确认信息或发送次数标志溢出才终止。
    在数据包收发和处理模块设计实现过程中最主要的就是对数据包进行操作，车载终端和物流过程监控中心在交互通信过程中，所涉及的主要数据帧类型包括：
    GPS数据包：GPS数据包是由车载终端上的GPS模块获得的GPS信息交给车载终端后，由车载终端上的程序进行封装的。
    车载终端注册信息帧：车载终端开机后需要首先在监控中心进行注册，只有注册通过才能通过监控中心对车载终端进行实时地跟踪和管理，车载注册信息就是由车载终端发送给监控中心请求注册的报文。
    车载终端客户登录帧：车载终端登录后，操作人员需要使用自己的用户ID通过车载终端登录到监控中心系统，监控中心根据这一信息来实现车载终端和客户的关联。
    车载终端发送登记商品信息帧：在物流起点需要将运输货物的信息通过车载终端传送到监控中心。这一信息主要是将运输货物和车载终端进行关联。信息中会包含货物运输所需要的温度和湿度限制，监控中心根据这一信息来判断货物的实时运输条件是否满足要求，如果越界则会发出警报。
    车载终端发送地理位置帧：车载终端可以实时地查询自己所在的位置信息，这一信息通过车载终端向监控中心上报GPS信息获得，监控中心根据GPS信息查询GIS地图数据库获得车载终端所在位置的名称，再传递给车载终端。这样车载终端就可以知道运输车辆当时所在地理位置的名称。
    各类数据帧设置的数据格式统一采用ASCII字符，同时在GPRS／CDMA网络无信号的情况下使用短信方式传输，短信格式与数据帧的格式定义保持一致。数据帧定义示例如图4所示。

3．1．2 数据包的收发
    移动终端通过GPRS网络向监控中心发送数据时，终端应用程序要先对数据封装，再通过AT命令控制GPRS模块发送。具体实现时的步骤如下：
    (1)对数据进行UDP封装，将采集到的待发送的信息数据放到UDP格式的数据段中，对此帧UDP数据和8字节首部信息一起按规则计算，生成UDP校验和，完成UDP数据封装。
    (2)根据IP协议为此帧UDP建立20字节的IP头，对IP头进行校验计算，得出IP头的校验值，完成IP封装。
    (3)完成PPP封装，PPP格式的标志字符为0x7E，在进行PPP封装前先要检查数据中是否有标志字符，当遇到字符0x7E时，连续传送2个字符0x7D和0x5E，以实现标志字符的转义，当遇到转义字符0x7D时，连续传送2个字符0x7D和0x5D，以实现转义字符的转义。
    (4)将数据放入PPP帧格式的信息段中，生成CRC校验，完成PPP封装。
    (5)终端通过AT命令控制GPRS模块向网络发PPP呼叫，建立PPP通信链路连接，并发送封装好的数据。
3．1．3 数据包的处理
    在接收到数据包之后，根据数据包类型的不同，选取相应的处理流程。如ACK包是属于接收方在自己正确无误接收到发送方发的数据包后，所反馈回的一个确认数据包；而对于正常的数据包，将调用相关的解包过程函数。根据收到的包的类型转而进入相关处理模块，对于整个物流过程中所采集到的各项信息数据将实时存储在数据库当中。
    如果有要发送的报文，可经过监控中心上层程序，按照帧格式封装好后直接调用发送接口函数发送。当然监控中心也可以主动发出请求，这样就可直接调用发送处理进行报文的封装，然后调用发送函数进行发送。
3．2 数据存储模块
    数据存储模块将读取的数据包进行解析校验，若校验正确将实时存入后台数据库，并发送反馈信息给GPRS终端，可用于实时温湿度曲线图显示、实时数据显示和温湿度报警指示。
3．3 软件界面模块
    软件界面模块分为多个功能模块，其中实时温湿度曲线显示、数据的统计分析、数据库查询与数据管理和用户管理等人机操作是基于SQL Servet数据库事件触发机制来完成的。软件的通信启动、关闭服务以及车载终端及温湿度采集模块参数设置等界面操作是调用通信动态链接库的发送函数来完成的。

4 结语
    本系统依托国家发改委国债项目“全国大中型农产品批发市场信息化建设项目”扩展部分的关键系统研发，针对的主要对象是全国大中型农产品批发市场鲜活农产品物流过程，开发成型的监控系统，通过该信息系统对从产地到全国各大批发市场运输过程中产品的状态进行监测。
    从系统测试及使用结果看，本系统基本满足了设计需求。但是也存在一些不足，如无线数据传输时间延迟的存在，导致监控中心收到的车辆监控数据不能真实反映移动车辆的实时状态；车辆定位的实时性与通信费用的矛盾；系统功能上，可进一步增强传统车辆监控平台的GIS功能，如规划功能、紧急援助等。系统构架上，可进一步利用Web Service技术改良鲜活农副产品物流过程监控系统的架构模式。