齊彥，王菲，彭洲，山朋林

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730124）

0 引言

“生鮮電商”的崛起，帶動了冷鏈的迅猛發(fā)展，而作為冷鏈供應(yīng)鏈系統(tǒng)的核心樞紐，冷庫更成為了資本市場運作熱捧的投資對象。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國冷庫總量可達(dá)7322萬噸，并且每年將以10%的速度增長，冷庫建設(shè)將進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時期。然而，目前國內(nèi)冷庫建設(shè)和運營水平相對滯后，信息化管理體系建設(shè)迫在眉睫，一套較為完善的冷庫監(jiān)管系統(tǒng)就顯得十分重要。2020年新冠疫情席卷全球。冷鏈傳播疫情形式十分嚴(yán)峻。而冷鏈運輸中一個重要環(huán)節(jié)就是冷庫，所以冷庫防疫工作勢在必行。基于以上情況我們提出了冷庫防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)。

1 當(dāng)前冷庫面臨的問題

■1.1 冷鏈傳播疫情

近日，在我國青島、蘭州、哈爾濱等多地區(qū)在冷鏈?zhǔn)称钒b上或食品表面檢出新冠病毒?？梢娡ㄟ^冷鏈新冠病毒依舊潛伏在我們身邊，所以冷鏈疫情防控工作不容小覷，作為冷鏈中重要環(huán)節(jié)冷庫的防疫工作十分重要。然而目前絕大多數(shù)冷庫的防疫工作依然是由人工來完成，這樣耗費了人力物力的同時，冷庫的工作效率也有所下降。

■1.2 冷庫的遠(yuǎn)程監(jiān)管

目前我國大多數(shù)冷庫管理仍然是采用人工線下的方式來進(jìn)行，在信息化飛速發(fā)展的現(xiàn)在就顯得有點格格不入。對于冷庫來說，線上管理系統(tǒng)既可以節(jié)省人力物力又可以提高工作人員工作效率，實現(xiàn)對冷庫的遠(yuǎn)程監(jiān)控就顯得十分重要。

■1.3 出庫入庫信息記錄

傳統(tǒng)冷庫出庫入庫的信息記錄都是由人工來完成，很容易發(fā)生信息的遺漏，工作人員也很難做到清楚每一個入庫貨物的具體位置、出庫入庫時間等信息，這樣不利于對冷庫的高效管理。

■1.4 冷庫環(huán)境參數(shù)采集

冷庫內(nèi)儲存的大多都是易腐物品，如果冷庫制冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能及時的處理，將會造成很大的損失。傳統(tǒng)的冷庫管理采用的是人工巡查的方式，往往會出現(xiàn)巡查不到位的情況，無法及時的發(fā)現(xiàn)故障，這就使得冷庫內(nèi)的食品的質(zhì)量得不到保障。所以可以實時獲取冷庫內(nèi)部環(huán)境參數(shù)就顯得十分重要。

2 本設(shè)計實現(xiàn)的功能及特色

■2.1 本設(shè)計硬件實現(xiàn)的功能

2.1.1 檢測工作人員健康碼和體溫

工作人員想要進(jìn)入冷庫首先要通過硬件檢測健康碼和體溫。兩者若有一項檢測異常，都會觸發(fā)報警系統(tǒng)，并且對工作人員進(jìn)行拍照記錄，然后會將圖片上傳到華為云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄，以便對檢測異常人員進(jìn)行健康回訪。

2.1.2 檢測入庫物品是否經(jīng)過疫檢

入庫前首先要對物品進(jìn)行掃碼，從而獲取物品信息，判斷該物品是否經(jīng)過疫檢，如果物品經(jīng)過疫檢且合格，再加上工作人員健康碼和體溫均合格門禁打開，人員方可進(jìn)入冷庫。若入庫物品未經(jīng)過疫檢，或者疫檢不合格也會觸發(fā)報警系統(tǒng)，并且對入庫物品進(jìn)行拍照記錄，然后會將圖片和通過掃碼獲得的物品信息上傳到云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄。

2.1.3 出庫入庫功能

物品進(jìn)入冷庫，工作人員可以任意將物品放入某一區(qū)域，冷庫區(qū)域化檢測模塊檢測到物品放入，則會將物品信息和所在區(qū)域的位置信息，同時上傳至客戶端記錄，在工作人員客戶端會將信息可視化的體現(xiàn)出來，例如A區(qū)第3層放入的物品為蘋果入庫時間也會有詳細(xì)的記錄。工作人員若將物品取走則出庫完成，客戶端自動將該區(qū)域信息清除。無論出庫入庫在客戶端都會有貨物信息的狀態(tài)記錄，以方便追溯物品動向。

2.1.4 環(huán)境參數(shù)檢測功能

冷庫內(nèi)部還裝有溫濕度傳感器，會實時的將冷庫內(nèi)部每

個區(qū)域的溫濕度打包發(fā)送至工作人員客戶端，并在客戶端對應(yīng)的區(qū)域顯示出來，當(dāng)冷庫內(nèi)溫度或濕度異常就會觸發(fā)報警系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動將異常區(qū)域的具體位置信息發(fā)送至工作人員手機，以便工作人員盡快處理異常情況。

■2.2 軟件實現(xiàn)的功能

2.2.1 實時顯示冷庫內(nèi)部狀態(tài)

在工作人員客戶端會實時顯示冷庫內(nèi)部狀態(tài)，如每個區(qū)域的環(huán)境溫濕度、冷庫溫濕度平均值、每個區(qū)域的占用情況、冷庫的總占用情況等，且單擊某一區(qū)域便可獲得該區(qū)域的具體情況，如物品名稱、入庫時間等。這樣便可以讓工作人員在遠(yuǎn)程更加直觀的了解到冷庫內(nèi)部情況，從而方便工作人員對冷庫進(jìn)行管理。

2.2.2 出庫入庫信息記錄

在工作人員客戶端會對出庫入庫的物品信息進(jìn)行記錄，包括入庫或出庫時間、物品名稱、所在區(qū)域、當(dāng)前狀態(tài)等。

2.2.3 異常人員信息記錄

當(dāng)硬件檢測到工作人員健康異常，就會對工作人員進(jìn)行拍照記錄，圖片和拍照時間等信息會上傳至客戶端進(jìn)行記錄，以便對檢測異常人員進(jìn)行健康回訪。

■2.3 本設(shè)計的特色

(1)我們引入冷庫防疫這一概念，通過硬件檢測來代替人工檢測，極大地節(jié)省了人力物力，從冷鏈的節(jié)點冷庫入手有效的防止了冷鏈傳播疫情。

(2)我們將云服務(wù)器和冷庫相結(jié)合實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和對冷庫的遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效的提高了工作人員的工作效率，使得工作人員對冷庫的管理更加方便。

(3)我們將冷庫區(qū)域化，即方便了出庫入庫和對冷庫剩余容量的檢測，同時也使得工作人員可以更直觀的了解冷庫內(nèi)的情況。

(4)我們的系統(tǒng)具有很強的擴展能力，硬件之間的通訊是通過ZigBee來完成的，這就為后期加入其他的擴展模塊提供了方便。我們的客戶端是由java編成，java具有面向?qū)ο蟮奶攸c，這就讓系統(tǒng)具有了更好的可擴展性和可維護(hù)性。

3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計方案

■3.1 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)框圖

防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示，防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)軟件功能框圖如圖2所示。

圖1 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖2 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)軟件功能框圖

■3.2 具體設(shè)計方案

本設(shè)計遵循物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)[1]設(shè)計，最底層感知層，包含了獲取數(shù)據(jù)的傳感器模塊，網(wǎng)絡(luò)層我們用到了ZigBee、mqtt協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。應(yīng)用層用到了華為云平臺和用java開發(fā)的客戶端。

圖3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

工作人員想要進(jìn)入冷庫首先要對健康碼和體溫進(jìn)行檢測。若兩者均正常，門禁打開工作人員方可進(jìn)入冷庫，若有一項檢測異常，都會觸發(fā)報警系統(tǒng)，并且對工作人員進(jìn)行拍照記錄，然后會將圖片上傳到華為云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時下發(fā)至工作人員客戶端進(jìn)行記錄，以便對檢測異常人員進(jìn)行健康回訪。進(jìn)入冷庫首先要對貨物掃碼進(jìn)行入庫處理，掃碼槍將物品信息提取出來保存，冷庫區(qū)域化檢測模塊檢測到物品放入，則會將物品信息和所在區(qū)域的位置信息，同時上傳至客戶端記錄，工作人員若將物品取走則出庫完成，客戶端自動將該區(qū)域信息清除。冷庫內(nèi)部還有溫濕度傳感器，會實時的將冷庫內(nèi)部溫濕度發(fā)送至工作人員客戶端。

3.2.1 單片機控制器STM系列單片機

STM32系列[2]專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex?-M0，M0+，M3, M4和M7內(nèi)核,在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導(dǎo)體已經(jīng)推出STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列、互補型系列；新系列產(chǎn)品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內(nèi)存包括64KB到256KB閃存和20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三種封裝，不同的封裝保持引腳排列一致性，結(jié)合STM32平臺的設(shè)計理念，開發(fā)人員通過選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應(yīng)用需求。

在本設(shè)計中用于接收各個模塊傳來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

3.2.2 ESP32模塊

ESP-WROOM-32是一款通用型WiFi-BT-BLEMCU模組，功能強大，用途廣泛。此款模組的核心是ESP32芯片，具有可擴展、自適應(yīng)的特點。兩個CPU核可以被單獨控制或上電。時鐘頻率的調(diào)節(jié)范圍為80MHz ~240MHz。用戶可以切斷CPU的電源，利用低功耗協(xié)處理器來不斷地監(jiān)測外設(shè)的狀態(tài)變化或某些模擬量是否超出閾值。ESP32還集成了豐富的外設(shè)，包括電容式觸摸傳感器、霍爾傳感器、低噪聲傳感放大器，SD卡接口、以太網(wǎng)接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S和I2C等。

在本設(shè)計中用于接收STM32單片機傳遞來的數(shù)據(jù)，整合后上傳至云服務(wù)器。

3.2.3 溫濕度傳感器模塊

DHT22也被稱為AM2302，具有標(biāo)準(zhǔn)的單總線接口。該傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

在本設(shè)計中用于采集冷庫內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳遞至Zigbee模塊后傳至STM32單片機。

3.2.4 體溫檢測模塊

MLX90614是一款由邁來芯公司提供的低成本，無接觸溫度計。輸出數(shù)據(jù)和物體溫度呈線性比例，具有高精度和高分辨率。T0-39金屬封裝里同時集成了紅外感應(yīng)熱電雄探器芯片MLX81101(溫度是通過PTC或是PTAT元件測量和信號處理專用集成芯片MLX90302，專門用于處理紅外傳感器輸出信號。用以阻礙可見光和近紅外光輻射的光學(xué)濾波器（可傳播長波）集成在封裝內(nèi)提供對環(huán)境和日光的免疫。濾波器的波長通帶為5.5~14μm。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強大的數(shù)字信號處理芯片MLX90302，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現(xiàn)。

在本設(shè)計中用于采集工作人員體溫，體溫異常的話將會觸發(fā)報警系統(tǒng)。

3.2.5 K210模塊

Maix Bit開發(fā)板是SIPEED公司Maix產(chǎn)品線的一員，基于嘉楠堪智科技的邊緣智能計算芯片K210(RISC-V架構(gòu)64位雙核)設(shè)計的一款A(yù)OT開發(fā)板。開發(fā)板設(shè)計小巧精悍，板載Type-C接口和USB-UART電路，用戶可以直接通過 USB Type-C線連接電腦進(jìn)行開發(fā)，配置128 Mbit Flash、LCDDVP、Micro SD卡等接口并把所有IO引出，方便用戶擴展。

在本設(shè)計中用于健康碼的識別，異常則會觸發(fā)報警系統(tǒng)。

3.2.6 Zigbee模塊

Zigbee[3]技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)而來，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點。其使用了2.4GHz頻段，這個標(biāo)準(zhǔn)定義了Zigbee技術(shù)在IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。Zigbee聯(lián)盟的主要發(fā)展方向是建立一個基礎(chǔ)構(gòu)架，這個構(gòu)架基于互聯(lián)網(wǎng)平臺以及配置文件，并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優(yōu)點。搭建物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，有利于研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研對，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的簡單途徑。

在本設(shè)計中用于各個模塊之間的通信，將溫濕度等信息通過無線的方式傳遞給STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2.7 漫反射傳感模塊

漫反射光電開關(guān)是漫反射光電接近開關(guān)的簡稱，是利用被檢測物對光束的漫反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。所有能反射光線的物體均可被檢測。當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作用距離的典型值一直到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開支，當(dāng)開關(guān)由單個元件組成時，通常是可以達(dá)到粗定位；

在本設(shè)計中用來檢測指定區(qū)域是否被占用，將信息通過Zigbee模塊傳遞至STM32進(jìn)行處理。

3.2.8 掃碼槍模塊

常見的平板式掃描槍一般由光源、光學(xué)透鏡、掃描模組、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路加塑料外殼構(gòu)成。它利用光電元件將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中處理。當(dāng)掃描一副圖像的時候，光源照射到圖像上后反射光穿過透鏡會聚到掃描模組上，由掃描模組把光信號轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)字信號（即電壓，它與接受到的光的強度有關(guān)），同時指出那個像數(shù)的灰暗程度。這時候模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號，傳送到電腦。顏色用RGB三色的8、10、12位來量化，既把信號處理成上述位數(shù)的圖像輸出。如果有更高的量化位數(shù)，意味著圖像能有更豐富的層次和深度，但顏色范圍已超出人眼的識別能力，所以在可分辨的范圍內(nèi)對于我們來說，更高位數(shù)的掃描槍掃描出來的效果就是顏色銜接平滑，能夠看到更多的畫面細(xì)節(jié)。

在本設(shè)計中掃碼槍通過對物品二維碼的掃描，判斷物品是否經(jīng)過疫檢的同時，提取并保存物品信息，然后將信息發(fā)送至STM32進(jìn)行處理。

■3.3 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計流程圖

防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 防疫監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計流程圖

4 結(jié)束語

當(dāng)下正是疫情肆虐的時期，我們當(dāng)代大學(xué)生不一定能做出什么可以有效遏制住病毒傳播的大事，但我們也想為疫情防控事業(yè)出一份力。在這種心理的促使下，我們想到了這個思路，能力、時間有限不能將作品做到完美，不過該設(shè)計的可擴展能力很強，后期我們還會增加智能機器人來代替人工入庫，這樣便可實現(xiàn)冷庫的無人化管理。冷鏈傳播疫情歸根到底還是由物品上攜帶的新冠病毒傳播到人身上，無人化管理便可以在最大程度上抑制冷鏈傳播疫情。如果可以我們還會將冷庫系統(tǒng)推廣至各個地區(qū)，我們后臺可以監(jiān)視各個地區(qū)的異常情況，這樣一旦發(fā)現(xiàn)病毒我們就可以在第一時間得到信息從而做出最及時的反應(yīng)來遏制疫情的擴散。我們不是個例，相信在全國人民的不懈努力下我們終將戰(zhàn)勝新冠病毒。