程 萍
(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆 庫爾勒 841000)
當(dāng)前,隨著物流行業(yè)的迅猛發(fā)展,各行各業(yè)對(duì)冷鏈運(yùn)輸和智能倉儲(chǔ)的需求越來越大。其中,對(duì)冷庫的要求除了傳統(tǒng)的溫度、濕度、通風(fēng)調(diào)節(jié),自動(dòng)殺菌、消毒外,基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新興智能冷庫還新增了諸多功能,例如遠(yuǎn)程管理、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)倉儲(chǔ)、貨物智能自助候補(bǔ)、自動(dòng)配貨等,備受醫(yī)療行業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他相關(guān)領(lǐng)域的青睞。
窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù),其基于廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)而構(gòu)建,也被稱為低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)[1]。它是基于無線通信和人工智能技術(shù)衍生的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。NB-IoT設(shè)備連接速率很快,能支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。設(shè)備功耗很低,待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)。
NB-IoT是基于廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)而構(gòu)建的,而蜂窩網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋范圍達(dá)到了百分之五十,近90%的人口都能接收到蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào),其稱得上是一張覆蓋最為完整的巨大網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication,GSM)相比,一個(gè)基站可以提供多達(dá)10倍的面積覆蓋[2]。其覆蓋范圍之廣,可見一斑。
在NB-IoT技術(shù)支持下,單個(gè)小區(qū)能支持10萬連接,200 KHz的帶寬可以提供10萬個(gè)連接,假設(shè)全球有500萬左右物理站點(diǎn),全部部署NB-IoT,每個(gè)站3個(gè)扇區(qū)、每個(gè)扇區(qū)部署200 KHz、每小時(shí)每個(gè)傳感器發(fā)送100個(gè)字節(jié),那么全球站點(diǎn)能夠連接的傳感器數(shù)量高達(dá)4 500億[2]。擁有海量連接的優(yōu)勢(shì),可見NB-IoT技術(shù)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)功能之非常強(qiáng)大。
第三代合作伙伴項(xiàng)目(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)標(biāo)準(zhǔn)在制定低功耗、廣域網(wǎng)技術(shù)的低功耗性能指標(biāo)時(shí),已經(jīng)定義了工作10年的條件,也就是說當(dāng)電池容量為5 Wh時(shí),NB-IoT設(shè)備使用AA電池,其使用壽命可以達(dá)到10年。NB-IoT設(shè)備的電池容量大,電池利用率高,基本為100%,基本不存在老化或能量轉(zhuǎn)換的損耗[2]。
NB-IoT技術(shù)連接設(shè)備維護(hù)成本低,不需要充電。這一點(diǎn)非常適用于戶外物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的布局。經(jīng)濟(jì)成本是新型技術(shù)投入市場(chǎng)應(yīng)用必須考慮的基本問題,在這方面,NB-IoT技術(shù)非常優(yōu)秀,其常規(guī)的單個(gè)通信模塊成本一般不超過5美元。
基于以上優(yōu)點(diǎn),不論是從技術(shù)上,還是成本上,將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前智能冷庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是相當(dāng)科學(xué)和理性的決策。
智能冷庫系統(tǒng)包含諸多模塊,其中最核心的部分是管理系統(tǒng),NB-IoT終端在智能管理系統(tǒng)中應(yīng)用較多,其次是數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
基于NB-IoT的智能冷庫系統(tǒng)的核心是NB-IoT終端管理系統(tǒng),這一系統(tǒng)集成了NB-IoT無線通信模組,能夠?qū)崟r(shí)連接網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái),反饋冷庫的基本信息,例如冷庫內(nèi)的溫度、濕度,結(jié)合RFID技術(shù)能及時(shí)錄入物品信息和數(shù)量,并依據(jù)連接的通信前端指令,提供進(jìn)出倉、補(bǔ)貨、告警服務(wù)。NB-IoT設(shè)備的強(qiáng)大通信覆蓋能力和超長(zhǎng)待機(jī)電池支持在偏遠(yuǎn)地區(qū)的冷庫維護(hù)和構(gòu)建,也支持移動(dòng)冷庫的信息調(diào)用和更新。
新型智能冷庫系統(tǒng)還設(shè)有數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)系統(tǒng)包括監(jiān)控中心和通信平臺(tái)兩個(gè)部分。監(jiān)控中心的硬件接口包括監(jiān)控主機(jī)、人機(jī)互動(dòng)接口、關(guān)聯(lián)外設(shè)以及無線通信信號(hào)接口,軟件包括冷庫系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件,結(jié)合群控、組控,能對(duì)差異化的監(jiān)控終端開展控制,這些軟件集成了一個(gè)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)各個(gè)遠(yuǎn)端監(jiān)控點(diǎn)具有輪詢或聯(lián)動(dòng)詢問功能,能夠同時(shí)完成數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)檢測(cè)、信息控制、信息采集、信息反饋、緊急預(yù)警等多個(gè)任務(wù)。此外,這一監(jiān)控系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)匯總報(bào)表打印、人機(jī)互動(dòng)界面、自動(dòng)排查終端、安全性控制等諸多功能[3]。以某款智慧冷鏈車應(yīng)用NB-IoT為例,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 NB-IoT智慧冷鏈車系統(tǒng)架構(gòu)
由于NB-IoT強(qiáng)大的通信覆蓋能力和低功耗設(shè)備超長(zhǎng)的待機(jī)功能,智能冷庫系統(tǒng)的功能較傳統(tǒng)冷庫系統(tǒng)更為豐富,基于此技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛。目前應(yīng)用較為廣泛的幾個(gè)領(lǐng)域有:醫(yī)療行業(yè)醫(yī)藥冷藏;無人商店自動(dòng)補(bǔ)貨;農(nóng)業(yè)種子培育和農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮;漁港碼頭海鮮肉類冷凍;冷鏈運(yùn)輸;生物研究。
醫(yī)療行業(yè)對(duì)智能冷庫的需求主要體現(xiàn)在醫(yī)療用品和藥品的存儲(chǔ)上,例如醫(yī)用冷藏箱、醫(yī)用冷藏庫等。各類疫苗、藥品、血液血漿的存放,都離不開冷庫。除了傳統(tǒng)的冷藏冷凍功能,新型智能冷庫還可以根據(jù)電腦前端指令自動(dòng)出貨,精準(zhǔn)匹配藥品名稱和藥品數(shù)量,減少了人為取藥的差錯(cuò)率和破損風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也極大地提高了醫(yī)院藥房的工作效率。
無人商店近年來發(fā)展較快,在一些大城市中,一些企業(yè)由于人力成本過高,引入了無人商店模式。超市除了收銀結(jié)算外,補(bǔ)貨、出貨也是一項(xiàng)非常重要且煩瑣的工作。特別是一些需要冷藏冷凍且保質(zhì)期較短的商品,如沒有專人及時(shí)檢查,容易出現(xiàn)過期變質(zhì)情況。智能冷庫系統(tǒng)能根據(jù)對(duì)應(yīng)貨架物品表面信息的掃描和輸入生產(chǎn)日期、保質(zhì)日期的功能,自動(dòng)測(cè)算是否臨期,是否需要處理,及時(shí)對(duì)相應(yīng)物品發(fā)出過期提醒、清理庫存和補(bǔ)貨的提示,同時(shí)具有殺菌消毒的功能,能最大限度提升商品的衛(wèi)生質(zhì)量,減少商品損失。這樣極大地提高了商店管理效率,節(jié)省了大量人力。
冷庫在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用早已有先例,不過傳統(tǒng)的功能多限于農(nóng)產(chǎn)品的冷藏保鮮。近年來,利用智能冷庫系統(tǒng)儲(chǔ)藏和培育特定的種子和幼苗功能備受青睞。智能冷庫系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程設(shè)定溫度、濕度乃至光照等各項(xiàng)參數(shù)(見圖2),同時(shí)提供檢測(cè)和告警功能,避免人為頻繁開關(guān)冷庫,減少培育對(duì)象參數(shù)誤差,更有利于精準(zhǔn)把握種子培育時(shí)間。農(nóng)產(chǎn)品的冷藏保鮮功能基于NB-IOT也有了補(bǔ)充,能及時(shí)對(duì)冷庫內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),在人機(jī)交互界面直觀展示農(nóng)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo),保證農(nóng)產(chǎn)品的口感和風(fēng)味,為相關(guān)人員的農(nóng)產(chǎn)品管理決策提供數(shù)據(jù)支持[4]。
圖2 NB-IoT智慧溫濕度控制系統(tǒng)
海鮮產(chǎn)品因?yàn)楫a(chǎn)品自身蛋白質(zhì)含量高,在高溫天氣下極易腐壞。漁港碼頭多會(huì)將捕撈上來的海鮮產(chǎn)品及時(shí)入庫。傳統(tǒng)方式是將海鮮產(chǎn)品暴露在常溫環(huán)境下再運(yùn)輸至有電源的冷庫中,中途需要較長(zhǎng)時(shí)間且容易落入細(xì)菌和灰塵,并且臨時(shí)設(shè)定冷庫功能非常匆忙,容易發(fā)生差錯(cuò),導(dǎo)致溫度設(shè)定不合理或者在冷庫中帶入了細(xì)菌等影響海鮮產(chǎn)品的質(zhì)量?;贜B-IoT技術(shù)的智能冷庫系統(tǒng)可以提供定制功能,且由于功耗較低,可制作移動(dòng)冷庫,并支持遠(yuǎn)程設(shè)定,在到達(dá)漁港碼頭前各項(xiàng)參數(shù)已遠(yuǎn)程設(shè)定,只需要將海鮮產(chǎn)品直接入庫,這樣一來,能極大地保證海鮮產(chǎn)品的風(fēng)味和質(zhì)量,減少損失。肉類冷凍也是一樣的道理。由于一般的冷庫規(guī)模都較龐大,很多肉類入庫后很有可能因?yàn)楣ぷ魅藛T大意而被長(zhǎng)久置于冷庫,導(dǎo)致肉類組織發(fā)生變質(zhì),影響肉類的口感和外觀,從而無法正常售賣。智能冷庫系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷庫內(nèi)物品參數(shù),及時(shí)發(fā)出告警,最大限度地減少過期冷凍肉的存在。
當(dāng)前,隨著我國(guó)物流和電商的迅猛發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)購物成為消費(fèi)者的重要購物渠道。智能冷庫系統(tǒng)在冷鏈運(yùn)輸中扮演著重要角色。例如鮮花、農(nóng)產(chǎn)品、海鮮等生鮮商品必須通過冷鏈運(yùn)輸。冷鏈車中的小型冷庫也可以應(yīng)用NB-IoT技術(shù),消費(fèi)者可以根據(jù)錄入的信息實(shí)時(shí)跟蹤商品軌跡,保證到手的商品質(zhì)量。同時(shí),不便取貨的用戶還可以委托物流工作人員將其放入生鮮柜,生鮮柜極大地方便了人們購物存儲(chǔ)的需求,對(duì)電商的發(fā)展提供了助力。
隨著生物科技的發(fā)展,我國(guó)越來越多的生物實(shí)驗(yàn)室配備了智能冷庫。智能冷庫系統(tǒng)具有能效比高、制冷能力強(qiáng)、制冷量大、噪聲低等特點(diǎn),為生物培育提供了良好的觀測(cè)環(huán)境。