翁衛(wèi)兵，吳 堅

（浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 前言

冷鏈（Cold Chain）是為保持新鮮食品及冷凍食品等的品質(zhì)，使其在從生產(chǎn)到消費的過程中，始終處于低溫狀態(tài)的配有專門設(shè)備設(shè)施的物流網(wǎng)絡(luò)[1]。機械冷藏車是冷鏈的重要組成部分。隨著我國公路冷藏運輸率的提高和冷藏車保有量的增長，公路冷藏運輸總量占全部冷藏運輸總量的比例上升到35%左右。雖然我國目前果蔬、肉類、水產(chǎn)品冷鏈流通率分別達到5%、15%、23%，冷藏運輸率分別達到15%、30%、40%[2]，冷鏈物流的規(guī)?？焖僭鲩L，但是與發(fā)達國家80%以上的冷藏運輸率[3]相比還有很大的差距，這主要原因為我國機械冷藏車制冷技術(shù)和工藝落后，缺乏規(guī)范式的保鮮冷鏈運輸車廂和溫度控制設(shè)施，無法為易腐食品流通系統(tǒng)地提供低溫保障[4]。

隨著我國政府的重視和行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國機械冷藏車數(shù)量將呈現(xiàn)快速增長趨勢，現(xiàn)階段冷藏車保有量為4萬臺左右[5]，2010年6月國家發(fā)展與改革委員會出臺的《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》中提到，“鼓勵大型冷鏈物流企業(yè)購置冷藏運輸車輛，到2015年，爭取全社會新增冷藏運輸車4萬輛”[2]。

在冷鏈管理中，對機械冷藏車的運行狀況進行有效的遠程、實時監(jiān)控是保證運輸物品質(zhì)量安全和實現(xiàn)食品質(zhì)量數(shù)據(jù)供應(yīng)鏈全程溯源的必要條件，包括冷藏車運行狀態(tài)、冷藏車廂內(nèi)的溫/濕度狀況、廂門的開關(guān)狀態(tài)、冷藏車運動軌跡、駕駛室和車廂內(nèi)實時圖像等。

針對上述問題，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)和高校都進行了相應(yīng)的研究并開發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品，對冷藏車的運行狀態(tài)、車廂內(nèi)溫/濕度局部狀態(tài)、廂門開關(guān)狀態(tài)等進行實時遠程監(jiān)控[6-15]，但是這些解決方案都僅是實現(xiàn)了上述目標(biāo)的局部功能，針對駕駛室和車廂內(nèi)實時圖像、車廂內(nèi)溫/濕度整體狀態(tài)還未有文獻和產(chǎn)品涉及。

機械冷藏車遠程可視化全況監(jiān)控系統(tǒng)針對以上問題，使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）、無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）、圖像處理等技術(shù)，實現(xiàn)了機械冷藏車的遠程可視化全況監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的技術(shù)要求及主要功能

2.1 技術(shù)要求

基于冷鏈對機械冷藏車的要求，系統(tǒng)硬件設(shè)備必須滿足的技術(shù)要求如下：

（1）工作環(huán)境：-25℃～60℃；

（2）車輛運行速度:最大120km/h；

（3）溫度調(diào)節(jié)范圍：-5℃～25℃；

（4）控點溫度控制精度：±0.5℃；

（5）發(fā)動機功率：150kW以下；

（6）底盤總體尺寸：≤8 630×2 470×3 565mm；

（7）實際容積：15m3～25m3；

（8）工作濕度：95%。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 主要功能

（1）遠程車輛/廂狀態(tài)實時監(jiān)控：遠程實時監(jiān)控車輛的運行軌跡、發(fā)動機狀態(tài)、車內(nèi)溫/濕度整體狀態(tài)、油耗狀況、車廂門開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)監(jiān)測到車廂內(nèi)溫/濕度超出預(yù)設(shè)數(shù)值上限或低于下限時，系統(tǒng)能自動識別事故類型，并及時向司機、監(jiān)控中心報警；

（2）遠程可視化監(jiān)控：紅外夜視攝像頭可隨時抓拍車廂和駕駛室內(nèi)部圖片，并與駕駛員實時通訊；

（3）終端具有電瓶電壓監(jiān)控功能：當(dāng)電瓶電壓低于安全值時，能夠向控制中心報警；

（4）地理圖形信息查詢功能：可對當(dāng)前的地圖進行無級放大與縮小操作，以便了解機械冷藏車所在位置的詳細情況或了解更大區(qū)域甚至全局的整體情況，可利用鼠標(biāo)來實現(xiàn)地圖的漫游；

（5）歷史數(shù)據(jù)檢索與歷史軌跡回放：可隨時查詢某車輛的位置匯報記錄、某段時間接收的車輛報警信息、某段時間的受警記錄等詳細記錄。并可選定某車某時間段的位置記錄，在圖形臺上進行軌跡回放。

3 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

機械冷藏車遠程可視化全況監(jiān)控系統(tǒng)主要分為四個子系統(tǒng)：廂體與貨架子系統(tǒng)、車載控制單元子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

3.1 廂體與貨架子系統(tǒng)

廂體與貨架子系統(tǒng)由車廂內(nèi)10個溫/濕度傳感器、2個紅外夜視攝像頭、1個門開關(guān)控制器組成。

3.2 車載控制單元子系統(tǒng)

車載控制單元子系統(tǒng)主要由車載控制單元、車載電腦、GPS模塊、GPRS模塊、車輛狀態(tài)控制單元和紅外夜視攝像頭組成。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)是車載控制單元子系統(tǒng)和后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)的通信媒介，由GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)組成。

3.4 后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)

后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)的監(jiān)控管理中心，由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、路由器、防火墻組成。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)后臺，實現(xiàn)對機械冷藏車的監(jiān)控和管理。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 廂體與貨架子系統(tǒng)

4.1.1 車廂。尺寸5 120mm×2 050mm×2 100mm，內(nèi)容積22m3，內(nèi)外玻璃鋼，中間保溫層厚度為80mm，駕駛室配環(huán)保冷媒R134A空調(diào)，車輛標(biāo)配2只24V容量為105AH蓄電池。為避免車廂未來內(nèi)部增加光氫離子消毒機以及加濕器可能導(dǎo)致的電力供應(yīng)不足，在本系統(tǒng)中增配2只24V容量為105AH蓄電池。

4.1.2 溫度傳感器。型號WS-T05，測量范圍：-40℃～100℃；測量精度：±0.5℃；分辨率：0.1℃；記錄容量：14 800組～30 900組；記錄間隔：2s～24h連續(xù)可調(diào)；通訊接口：RS-232或USB。

4.1.3 濕度傳感器。型號WS-H05，測量范圍：0～100%RH；測量精度：±2%RH；分辨率：1%RH。

4.1.4 門開關(guān)控制器。AML05系列雙回路限動開關(guān)，結(jié)構(gòu)牢固，由鋅合金及強化塑膠組成，結(jié)構(gòu)小，可防水、防油。觸點間距：0.5mm，操作許可速度：0.1mm/s~0.5m/s，操作許可頻率：20次/min，壽命10萬次以上。

4.1.5 紅外夜視攝像頭。采用紅外線LED燈，有效距離>1.5m；圖像分辨率：30萬像素；圖像制式：PAL/NTS制式；芯片組成：DSP，中星微ZC0301Plus；主芯片：韓國現(xiàn)代HV7131D；彩色：24位真彩色。

4.2 車載控制單元子系統(tǒng)

4.2.1 車載電腦。大國車載電腦，Win7操作系統(tǒng)，7英寸車載觸摸屏；

4.2.2 GPS模塊。接收器類型20個頻道，水平定位精度<2.5m，暖啟動：35s，冷啟動：42s。動態(tài)條件：海拔高度<18km，速度<515m/s，加速度<4g。

4.2.3 GPRS模塊。西門子MC39i模塊，工業(yè)級產(chǎn)品，具有透明數(shù)據(jù)傳輸（模塊內(nèi)嵌完整的TCP/IP協(xié)議棧，提供RS-232/485接口，為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供透明傳輸通道）、永遠在線（模塊一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并建立數(shù)據(jù)通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)）和組網(wǎng)簡單靈活（在移動GPRS覆蓋的地區(qū)可以隨時隨地構(gòu)建虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)）等特點。

4.2.4 PLC。西門子S7-224XP，2路模擬量輸入；

4.2.5 紅外夜視攝像頭。與廂體與貨架子系統(tǒng)內(nèi)攝像頭相同。

4.3 后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)

通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器在同一臺Dell PowerEdge T410塔式服務(wù)器上運行。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用B/S（Browser/Server，瀏覽器和服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，包含通信軟件、用戶管理軟件、后臺監(jiān)控管理軟件，MS Visual Studio.Net開發(fā)，在Windows Server 2000/XP環(huán)境下編譯、運行。

5.1 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)包括長期溫/濕度數(shù)據(jù)、冷藏車車輛狀況運行數(shù)據(jù)、車輛行駛歷史軌跡數(shù)據(jù)、車輛監(jiān)控圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲量大，結(jié)合成本因素，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MSSQL Server 2000。同時為了提高查詢、存取數(shù)據(jù)的性能，系統(tǒng)針對需要頻繁操作的數(shù)據(jù)處理過程（如車輛運行狀況數(shù)據(jù)）使用了存儲過程和索引等高級特性，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫整體性能大幅提升。

5.2 通信軟件

通信軟件在整個系統(tǒng)中起著聯(lián)系車載控制單元子系統(tǒng)和后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)的作用，負責(zé)從GPRS模塊接收車載控制單元發(fā)到后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)中通信服務(wù)器的數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)協(xié)議來分析數(shù)據(jù)后寫入數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫。同時，通信軟件定時查詢數(shù)據(jù)庫中由后臺可視化監(jiān)控管理子系統(tǒng)發(fā)出的指令隊列，向車載控制單元發(fā)送控制命令。通信軟件在設(shè)計過程中考慮到了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、可維護性和可擴展性，利用模塊化和分層的設(shè)計原則進行設(shè)計。通信軟件的層次結(jié)構(gòu)包括底層通信層、鏈路協(xié)議解析層、命令解析層、數(shù)據(jù)庫操作層。

5.3 后臺可視化監(jiān)控管理軟件

后臺可視化監(jiān)控管理軟件是用戶監(jiān)控和管理指定機械冷藏車的交互平臺。基于該軟件，用戶不僅可以實時查詢指定機械冷藏車的工作狀態(tài)，根據(jù)時間窗口查詢指定機械冷藏車的歷史工作狀態(tài)，還可以給指定的單個/成組機械冷藏車發(fā)送操作指令。

后臺可視化監(jiān)控管理軟件由用戶管理、車輛監(jiān)控、報表中心和參數(shù)設(shè)置等4個模塊組成。

5.3.1 用戶管理模塊。用戶管理模塊主要具備用戶身份的驗證、用戶基本資料的修改、用戶退出等功能。

5.3.2 車輛監(jiān)控模塊。（1）查詢特定機械冷藏車當(dāng)前/歷史運行參數(shù)（速度、油耗、所處位置信息、運行軌跡、制冷機組運行狀態(tài)等）；（2）查詢車廂當(dāng)前/歷史工作狀態(tài)（車廂內(nèi)溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、圖像、車廂門開關(guān)狀態(tài)等）；（3）查詢指定車輛的相關(guān)信息；（4）對指定機械冷藏車進行拍照記錄（如圖2所示）；（5）發(fā)送指令給特定冷藏車或者滿足指定條件的成組冷藏車。模塊中的地圖工具具有放大、縮小、平移、長度測試、視野保存、地圖刷新、前后試圖、搜索等功能。

圖2 車廂實時照片

5.3.3 報表中心模塊。具有根據(jù)時間窗口來查詢指定機械冷藏車的工作時間報表、溫/濕度報表、停車報表、狀態(tài)報表、跟蹤報表、超速報表和警情報表等功能。溫/濕度報表如圖3所示。

5.3.4 參數(shù)設(shè)置模塊。包括常用報警設(shè)置（超速、持續(xù)行駛時間過長、停車未熄火、油耗過高報警等參數(shù)修改、保存等）、區(qū)域報警設(shè)置（區(qū)域設(shè)定、進區(qū)域報警、出區(qū)域報警、區(qū)域內(nèi)/外開車廂門報警、區(qū)域內(nèi)/外停車報警、區(qū)域限速報警等參數(shù)的修改、保存等）和溫/濕度報警設(shè)置（溫/濕度傳感器的最高/最低報警值修改、保存）等。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)以WSN、圖像處理等技術(shù)為基礎(chǔ)，對機械冷藏車速度、油耗、所處位置信息、運行軌跡、制冷機組運行狀態(tài)等運行參數(shù)和車廂內(nèi)溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、圖像、車廂門開關(guān)狀態(tài)等工作狀態(tài)進行實時采集；以GPS、GPRS等技術(shù)為通信手段，實現(xiàn)了地面監(jiān)控中心對機械冷藏車的遠程可視化全況監(jiān)控，解決了機械冷藏車的監(jiān)控管理問題。

2011年8月開始，可視化監(jiān)控冷鏈運輸車開始場地實驗和道路實驗，運輸特色水果水蜜桃，經(jīng)過近1 500km的道路試驗和500km的冷藏試驗，初步達到預(yù)期的目的和效果。首次道路試驗共400余km，往返浙江杭州和奉化運輸特色水果—水蜜桃。冷藏運輸往返過程中分別設(shè)定溫度為5℃和15℃，濕度100%和80%。車廂初始環(huán)境溫度為30℃，車廂達到熱平衡時間在1h左右，車廂回風(fēng)夾層中3個溫度傳感器誤差在1℃內(nèi)，濕度誤差為±2%。至今運行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，現(xiàn)在已經(jīng)在浙江、重慶等地區(qū)開始推廣使用。管理人員不僅可以遠程方便地查看車輛的位置、速度等信息，還可以實時全面查看車廂內(nèi)溫/濕度、門開關(guān)、圖像等狀況，降低了機械冷藏車管理費用，提高了工作效率，實現(xiàn)了物流運輸車輛全程跟蹤與可視化管理，保證了貨物品質(zhì)與運輸安全，是實現(xiàn)我國冷鏈全程溯源監(jiān)管的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性好，可對各車輛溫/濕度測量儀器設(shè)備進行遠程控制，建設(shè)成本低、監(jiān)控數(shù)據(jù)全面，具有良好的可擴展性，系統(tǒng)的傳輸容量大、數(shù)據(jù)傳送速率高，通信費用低、通信可靠性強，電子地圖顯示直觀，不僅為冷鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)—機械冷藏車的調(diào)度和監(jiān)控提供了一個方便、經(jīng)濟、快捷的解決方案，對于其他特種車輛的遠程可視化全況監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)也具有良好的借鑒意義。

圖3 溫/濕度報表

[1]GB/T 18354-2001,物流術(shù)語[S].

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