冷链物流监控系统设计

摘要 系统针对冷链物流需求设计，包括终端设备与服务器。终端设备采用单片机低功耗、传感器、远程无线监控、数据管理与压缩、GPRS基站定位技术，使得终端设备能够良好地服务于冷链物流。服务器采用B／S服务器网络技术，用户可以登陆网页配置终端设备工作参数，并可以查看终端设备过程状态。系统在冷链物流的实际应用过程中，表现出良好的实际应用价值，对冷链监控有一定的意义，在市场中具有广泛的发展前景。
关键词 冷链物流；传感器；监控系统；物联网

    目前，中国食品工业协会指出，全国由于冷链物流管理缺失或存在问题，导致每年约1 200万吨水果和1．3亿吨蔬菜的浪费，总价值超过1 000亿元人民币。震惊全国的山西疫苗事件等，表明监管水平低下，直接影响食品安全和医疗安全。冷链物流监控系统的形成，将带动一些相应产业，像速冻产业和蔬菜产业提高到一个新水平。本系统是针对冷链物流的监控进行的，系统包括终端设备与服务器，采用GPRS数据传输、终端低功耗技术、服务器数据管理，对冷链全过程实时监控。经过实际的测试，系统满足了冷链物流业管理信息化的要求，促进了冷链物流、药品运输的发展。

1 系统设计
    系统主要针对冷链的全过程进行实时监控，需要对温、湿、光度及地理位置等信息进行采集并处理，通过GPRS数据分组的方式无线传输数据到服务器；系统设计综合各种因素，提高了对环境的突变的响应速度；设计的服务器端是B／S模式，通过互联网或手机实时监控物品的状态，方便用户随时随地地查看运输途中物品的环境参数，以减小经济损失。如图1所示，是系统的构成框图，包括终端设备、互联网、B／S架构服务器。

1．1 终端硬件设计
    系统终端硬件部分是以MSP430为核心设计，采集冷链的环境特征数据并处理，通过SIM300的GPRS数据分组功能接入互联网服务器。终端电路包括电池管理部分、箱子开关状态监测传感器、工作位置监测传感器、温度传感器、光度传感器、湿度传感器。终端硬件构成框图如图2所示。

1．1．1 硬件电路设计
    设计选用美国TI公司MSP430F149芯片为控制核心，通过串口控制GPRS模块数据传输；利用其内部集成的A／D模块检测湿度；利用其60 kB Flash存储器存储大量的数据，保证整个运输过程数据可靠保存；利用其内部模拟比较器检测外部光强度。系统设计以CN3063电池充电管理芯片为中心的电池管理电路，提供了充电状态指示，提供电池温度保护电路。采用低功耗LDO稳压芯片TLV70033提供3．3 V供电，如图3
所示。系统选用光敏电阻作为光强度检测传感器，检测一定强度的光，如图4所示，CA0与CA1为单片机内部模拟比较器正负输入端子，调节W1可以调整检测光照强度阈值。利用DS18B20测量环境温度，其在稳定测量这测量中稳定精度高。电路在设计中还利用霍尔开关TP4913检测工作位置和工作状态，通过霍尔开关，使产品的整体封装更简单，成本更低。

1．1．2 硬件低功耗设计
    系统硬件功耗要求严格，必须保证系统平均功耗<4．2 mW。因此，采用低功耗技术的MCU，其活动模式280μA@1 MHz，待机电流<1μA；电池管理芯片的睡眠电流<3μA；选用SIM300，提供GPRS分组数据传输，其待机电流<1 mA。
    硬件系统低功耗策略主要集中在以下几个部分：MCU工作频率为2 MHz；工作电压2．7 V，并关闭所有不需要的资源；SIM300支持软件关机、开机、指令待机功能，为系统提供了有效的低功耗方法；为减小传感器部分的静态功耗，在不影响其精度的情况下，采用限流电阻方法减小其静态功耗，如图4所示，串联电阻R24；选用低静态功耗，高效率LDO电源管理芯片，保证电源消耗尽可能低而且电源纹波尽可能小。
以上硬件整体的低功耗设计与芯片选型，使得硬件系统静态电流消耗<200μA。
1．2 软件设计
1．2．1 软件整体设计
    针对冷链物品运输的全过程进行实时状态监控，系统通过终端设备检测冷链环境参数、地理位置并探测危险信息，通过UDP的方式链接到互联网服务器，发送状态数据和接收终端设备工作参数。冷链物品管理器以网页的方式呈现，用户通过远程计算机或手机实时查看和管理物品状态，如图5所示。

1．2．2 终端软件设计
    终端软件设计主要包括传感器状态检测、GPRS数据分组链路控制、数据备份、远程控制、低功耗控制等。传感器状态检测是通过外部中断来处理，单片机通过IO口变化检测各个传感器状态，降低系统功耗、缩短响应时间。GPRS数据分组链路是以UDP的方式与服务器链接，是SIM300的成熟技术，而且SIM300还提供了地理位置信息、实时时间、电池电量，通过AT指令即可获得；通过分析UDP返回的数据包，终端设备可以获得飞行模式起止时间、数据发送间隔、数据采集周期、数据存储深度、温度报警上下限、时间同步等信息。数据备份，把采集的重要信息存储在Flash中用于备份，采用数据压缩处理，使得单片机存储数据深度可达7天以上，而且整个存储空间通过循环覆盖的方式记录，保证了Flash读写均衡。终端软件综合了有效的低功耗软件设计思路。终端系统通过霍尔开关监测工作位置，当离开工作位置时，整个系统完全关闭，处于微安级功耗。
1．2．3 服务器软件设计
    终端系统通过UDP的方式与服务器交互数据。服务器端软件端开启了一个Socket监听进程，按照自定义数据的协议接收有效的分组数据，并保存到本地数据库。数据分组中包括了帧头、数据长度、数据、校验位。所有终端上传的数据，通过唯一的ID信息进行管理。在服务器已有的PHP平台上，运行了查看与管理终端数据的网页，网页提供了用户管理终端的平台，用户可以查看冷链整个过程的物品状态，确保物品的安全。如表1所示。

2 系统测试
    冷链物品的监控系统在产品化过程中，对产品的外形和性能进行综合考虑，克服了安装、环境恶劣等难题。系统低功耗设计，在电池电量有限的条件下，完成了7天的冷链监控任务，满足冷链的工作时间要求。使用内部Flash可以备份7天的数据，保证系统可以长时间的处于航空模式而不丢失数据。通过网站，可以随时随地地查看当前物品的状态与位置，并可以配置终端的工作参数。根据移动提供的GPRS基站数据库可以得到基站点的有效GPS坐标，可以在地图上显示物品的移动轨迹和对应物品状态。

3 结束语
    系统设计采用了单片机硬件低功耗技术与软件低功耗管理技术、低功耗GPRS数据分组传输技术，使得终端的工作时间满足需求。系统利用成熟的服务器数据管理技术与Web网页技术使得冷链管理高效、可靠。经测试，该系统稳定可靠，满足了冷链的要求，在冷链物品的运输过程监控中表现良好。将这种物联网技术应用于物流管理中将是趋势，并且具有广泛的产业需求。