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CN107065710B - 一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统 - Google Patents

一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统，包括主控制器，传感单元，保温容器，基站，服务器和远程终端。本发明针对农产品冷链运输这一关键流通环节，需要对其所处的外部环境进行全程监控的问题，利用物联网技术研发了主控制器，能够完成冷链物流车实时定位和环境信息的实时监测，远程终端可以实时监测冷链信息，完成了物流环节环境信息的实时监测，为农产品信息追溯的一部分。采用EnOcean能量搜集技术和EnOcean无线通信技术，实现传感器的供电和主控器充电，无需部署信号线，电源线，布置灵活，功耗低，节能降耗。

Description

一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统
技术领域
本发明涉及物流监控领域，涉及一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统，特别适用于对运输环节要求较高的场合，比如冷链运输车、鲜活农产品、药品等运输车。
背景技术
随着我国经济的快速发展和居民生活水平的不断提高，人们的消费观念从传统的单一化向现代的多样化、快捷化转变，不但要求生鲜农产品新鲜、卫生、安全、营养，而且还要求品种多样，配送迅速及时。冷链物流是指在生产、加工、储存、运输、销售，直到最终消费前的各个环节中，将易腐、生鲜食品始终保持在规定的低温环境，以最佳的物流手段保证食品质量，减少食品损耗的一种物流体系，是为了确保新鲜食品从生产源地安全地送达消费者手中而实施的一种必不可少的保障措施。
目前，我国生鲜农产品的年需求约为4亿吨，但由于农产品天生易腐的特性，且物流配送通常在常温物流下进行，导致在物流过程中损耗过大。生鲜产品从生产者到最终消费者的过程中，有80%的时间是在物流运输上，有20%的损耗是发生在流通环节中。据相关资料显示，由于不恰当的生产、运输、存储造成的农产品损失率超过20%，直接经济损失约为1000亿元。因此，如何对生鲜产品进行有效地冷链监控和追溯管理的需求也越来越明显。这些就促使生鲜农产品物流方式发生了重大变革，引发并且带动了冷链物流急骤升温。
冷链运输过程中，冷藏车厢环境状态决定生鲜农产品贮藏期和货架期的长短，如何准确、实时、低成本的监测冷藏车厢环境参数是保障生鲜农产品冷链运输顺利进行的关键。且鲜活物流一般采用的是具有冷柜或者类似保险柜之类的载具来运输食品，如果经常打开货厢无异于破坏了食品的鲜活环境，使物流信息的获得受到了严重阻碍，并间接影响着物流信息的及时获取，不利于物流调度及时掌握食品状态、地理位置等信息。此外，这些系统中需要的保持鲜活的食品、农产品和高品质的药品在多次开关货厢时难免受到环境污染，卫生质量的降低很可能导致不堪设想的后果。
货车报废年限最长为15年，随着物联网技术的迅猛发展，还有很多原有车辆从事物流工作，且多数冷藏车只有一个温区，随着网购大潮来袭，承担冷链运输的零售车辆很难凑齐同一个温度范围的货物，需要长时间的等待货源，先到的货物就容易升温变质，必须进行分区管理。且对于选择物流商的客户而言，保证物品一直处于要求的温度状态，准确掌握车辆位置信息和环境状态，对整个环节的监控非常有必要。
有专利研究如下:ZL 201610189225.5 一种适宜冷链零担物流的多温区冷藏车厢，是从车体本身进行了改变，解决了同一车厢包含多种温区的功能，但是对温度不能实时监控，温区温度还是属于不可追溯状态。
ZL 201510162958.5一种鲜活物流物联网监控方法，是通过在运输箱体上安装RFID标签，且需要在物流线路运输途中安装信息采集装置，前期设备投入很大。
ZL201510107378.6一种长途冰温保活运输箱，只是车体和远程服务器采用无线通信方式，具体传感器和控制器通过IIC 总线与所述A/D 采集卡连接，有线方式限制了其布放的灵活性。
因此，为了克服现有技术中鲜活物流中存在的问题，提升物流网的智能化程度，保证食品和药品等以更低的运维成本和令人更满意的效果送到目的地，本发明提出了一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统。
发明内容
本发明针对农产品冷链运输这一关键流通环节，需要对其所处的外部环境进行全程监控的问题。利用物联网技术研发了车载终端主控制器，能够完成冷链物流车实时定位和环境信息的实时监测，远程终端可以实时监测冷链信息，完成了物流环节环境信息的实时监测，为农产品信息追溯的一部分。并利用运输过程中对微小震动能量的搜集，采用EnOcean无线能量采集技术，EnOcean无线通信技术，实现传感器传输模块的供电和主控器充电，无需部署信号线，电源线，节能降耗，布置灵活。
本发明采用如下技术方案实现：
一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统，包括车载终端主控制器101，传感单元103，保温容器104，基站106，服务器107和远程终端108；车载终端主控制器101分别与传感单元103、基站106连接，基站106和远程终端108分别与服务器107连接；
在车辆控制室置放车载终端主控制器101，在车箱体内的保温容器104中设置传感单元103，车载终端主控制器101通过EnOcean102通信协议与传感单元103通信；
车载终端主控制器101通过无线网络105与基站106通信；基站106将信息存储于服务器107中，通过远程终端108进行访问和监控服务器107。
所述车载终端主控制器101包括中央处理器212，定位模块201，通讯模块202，显示模块203，控制驱动电路204，开箱报警模块205，ENOCEAN通讯模块207，USB供电模块208，震动能量搜集模块209，能源管理模块210，存储器211；
所述中央处理器212分别与定位模块201、通讯模块202、显示模块203、控制驱动电路204、开箱报警模块205、ENOCEAN通讯模块207、能源管理模块210，存储器211连接，能源管理模块210分别与USB供电单元208，震动能量搜集模块209连接，ENOCEAN通讯模块207与传感单元103连接，定位模块201、通讯模块202分别与基站106连接。
所述传感单元包括天线301、SOC芯片模块302、时钟模块303、复位模块304、电源模块305、温度检测模块306、Enocean能量采集单元307；
所述SOC芯片模块302的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND与电源模块305的电压输出端Vcc和地线端GND对应连接，SOC芯片模块302的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压RX/TX 和射频信号负极性RF_N 分别与天线模块301的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX 和射频信号负极性端RF_N对应连接，SOC芯片模块302的复位输入端Reset 与复位模块304的复位输出端Reset 端连接， SOC 芯片模块302的时钟输入端CLK与时钟模块303的时钟输出端CLK 连接，SOC 芯片模块302的AD端和温度检测模块306装置的信号线连接，SOC 芯片模块的电源引脚和温度检测模块的电源引脚分别与电源模块305或Enocean能量采集单元307连接。
所述中央处理器212采用内核ARM Cortex-M系列微处理器STM32实现；定位模块201采用GPS或者北斗定位；通讯模块202采用GPRS或3G或4G通信模块实现；显示模块203采用液晶显示屏；控制驱动电路204支持多通道的控制信号输出，可以外接控制信号，便于车辆原有制冷系统综合控制使用；开箱报警模块205则有效防止了外部人为干扰，并能进行报警；ENOCEAN通讯模块207实现对传感单元103发射的ENOCEAN信号的收发；USB供电单元208连接车载电瓶，实现了不间断供电；震动能量搜集模块209搜集了车辆运行过程中的震动能量，实现无电源供电；能源管理模块210，实现了能量的管理与存储；存储器211完成实时监控信息的存储，为信息追溯提供保障；车载终端主控制器101通过通讯模块202与基站106通信，中央处理器212中的协议转换单元206实现ENOCEAN协议的解析和转换并处理成基站106所能接受的通信信号，基站106将接收到的信息传至服务器端以便于远程访问。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.实现对冷链物流过程的全程追溯，实现了运输过程环境信息的全程监控。
2.冷链物流车，空间狭小，不易布线，本系统不需要布置线缆，且安装简单，无需改动原有车线路，可实现对原有运输车辆的快速改造。
3.对需要密封的运载物，采用无线通信技术，把温度信号传输出去，不需开启即实现了密闭测温，实现了车体的分区的管理。
4.采用EnOcean能量搜集方式（震动能量搜集模块209），将运输过程中微小振动能量搜集起来，将震动能转化为电能；且节能降耗，充分利用运输车辆中的震动能，为传感器和传输模块提供了能量。
附图说明
图1 为本发明系统的整体架构图；
图2 为本发明中车载终端主控制器的结构示意图；
图3 为本发明传感单元的结构示意图（通过电源供电）；
图4 为本发明传感单元实施例2的结构示意图（通过Enocean能量采集单元供电）；
图5为车载终端主控制器的工作流程图；
其中， 101-车载终端主控制器，102-EnOcean通信协议， 103-传感单元，104-保温容器，105-无线网络，106-基站，107-服务器，108-远程终端；
201-定位模块，202-通讯模块，203-显示模块，204-控制驱动电路，205-开箱报警模块，206-协议转换单元，207-EnOcean通讯模块，208-USB供电单元，209-震动能量搜集模块，210-能源管理模块，211-存储器；212-中央处理器；
301-天线、302-SOC芯片模块、303-时钟模块、304-复位模块、305-电源模块、306-温度检测模块、307-EnOcean能量采集单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
物联网是一种信息技术，就是通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，实现物与物、物与人的通信，以便智能化的进行识别、管理与控制。实现人们任何时间、任何地点及任何物体的连接；使人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提升人对物理世界实时控制和精确管理能力，从而实现资源优化配置和科学智能决策。
包含3个层面，一是自动感知层面（利用传感器、RFID等监测需要关注物理信息量，涉及信息感知、采集、检测、分析、处理），二是网络传输层面（研究如何将这些数字信号的原始信息进行远程传输、网络接入），三是信息处理与应用层面（远程控制、应用、管理）。
具体的来说首先是安装在冷链物流车上的多源信息感知终端，需要适时采集鲜活水产品所处的外部环境如温度、湿度、时间、所处地址位置等相关重要信息，将这些信息通过传感器传到本车车载终端主控制器进行本地存储的同时，还要通过公共基站远程传输至中央服务器，实现原始数据现地端与远程端的双备份。
其次是通信系统，在物流车部署使用支持能量搜集的EnOcean无线通信技术,对远程服务器用公共的GPRS、3G、4G移动基站。
再就是服务器，通过物联网利用终端进行远程读取和监控。
如图1所示，为系统架构图，包括车载终端主控制器101，传感单元103，保温容器104，基站106，服务器107和远程终端108。
在车辆控制室置放车载终端主控制器101，在车箱体内根据需要布置传感单元103，车载终端主控制器101通过EnOcean通信协议102和传感单元103通信。由于EnOcean在室内距离30米，可以不需要使用中继器，直接和主控器通信，结构简单，且传感单元103可以采用无源无线技术，不需要配备电池电缆和通信线路，布放灵活，可以放置到任意密封的保温容器104中，从而实现对车厢的分区监测管理。
车载终端主控制器101通过无线网络105与基站106通信。并将信息存储于服务器107中，通过远程终端108进行访问和监控。
基站106可以是GPRS、3G、4G移动基站。
本系统采用了EnOcean协议，一方面功耗低，另一方面EnOcean可以支持能量采集功能，其能量采集模块能够采集周围环境产生的能量，比如机械能，室内的光能，温度差的能量等。这些能量经过处理以后，用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块，实现真正的无数据线，无电源线，无电池的通讯系统。
车载终端主控制器是整个系统的核心，如图2所示，包括中央处理器212，定位模块201，通讯模块202，显示模块203，控制驱动电路204，开箱报警模块205，EnOcean通讯模块207，USB供电单元208，震动能量搜集模块209，能源管理模块210，存储器211。中央处理器212，可以采用内核ARM Cortex-M系列微处理器如stm32。定位模块201采用GPS或者北斗。通讯模块202采用GPRS、3G、4G通信模块。显示模块203可以配置液晶显示屏。控制驱动电路204支持多通道的控制信号输出，可以外接控制信号，便于车辆原有制冷系统综合控制使用。增加了监测系统的控制功能。开箱报警模块205（盖子按压着一个点，开盖触动监测到开关量）则有效防止了外部人为干扰，并能进行报警。ENOCEAN通讯模块207实现对传感单元103发射的ENOCEAN信号的收发。USB供电单元208连接车载电瓶，实现了不间断供电。震动能量搜集模块209（ENOCEAN能量采集模块，将震动能转化为电能）搜集了车辆运行过程中的震动能量，实现无电源供电。能源管理模块210（主要实现稳压功能）实现了能量的管理与存储。存储器211完成实时监控信息的存储，为信息追溯提供保障。车载终端主控制器101通过通讯模块202与基站106通信，协议转换单元206实现ENOCEAN协议的解析和转换并处理成基站106所能接受的通信信号，将信息传至服务器端以便于远程访问。
传感单元103结构实施例1如图3所示，主要采用SOC片上系统实现，结构简单，功耗低。SOC芯片模块302的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND与电源模块305的电压输出端Vcc和地线端GND对应连接，SOC芯片模块302的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压RX/TX和射频信号负极性RF_N 分别与天线模块301的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX 和射频信号负极性端RF_N对应连接，SOC芯片模块302 的复位输入端Reset 与复位模块304的复位输出端Reset 端连接， SOC 芯片模块302的时钟输入端CLK 与时钟模块303的时钟输出端CLK 连接。SOC 芯片模块302的AD端和温度检测306装置的信号线连接，电源与电源模块相连，采用EnOcean无线通信技术，功耗很低。
传感单元103结构实施例2如图4所示，没有直接采用电源模块305而是使用了EnOcean能量采集单元307，其他结构与图3相同，这样实现了无电池供电，免维护。
具体工作流程如图5所示，车载终端主控制器初始化，等待接收ENOCEAN信号传感器信息，接收到后解析信息，如果温度超过限值，立即报警，若是开启辅助自动控制功能则主动开启相应执行机构（一般对原有车辆改造可能是制冷系统，空调等），同时并且存储信息，如果到了上报周期，显示并上报数据到服务器，提供远程监控。
本系统采用了EnOcean协议，一方面功耗低，另一方面EnOcean可以支持能量采集功能，EnOcean能量采集模块能够采集周围环境产生的能量，比如机械能，室内的光能，温度差的能量等。这些能量经过处理以后，用来供给EnOcean超低功耗的EnOcean通讯模块，实现真正的无数据线，无电源线，无电池的通讯系统。
传感单元检测温度，通过EnOcean无线能量采集技术和无线通信技术，将温度信息汇总到主控器，主控器将信息通过GPRS/3G/4G网络上传到服务器端。采用EnOcean能量搜集技术，利用运输过程中对微小震动能量的搜集，可以实现传感器和主控器电能的供给，采用EnOcean无线通信技术，功耗低，实现传感器的供电和主控器充电，无需部署信号线，电源线，节能降耗，布置灵活。

Claims (2)

1.一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统，其特征在于：包括车载终端主控制器(101)，传感单元(103)，保温容器(104)，基站(106)，服务器(107)和远程终端(108)；车载终端主控制器(101)分别与传感单元(103)、基站(106)连接，基站(106)和远程终端(108)分别与服务器(107)连接；
在车辆控制室置放车载终端主控制器(101)，在车箱体内的保温容器(104)中设置传感单元(103)，车载终端主控制器(101)通过Enocean通信协议(102)与传感单元(103)通信；
车载终端主控制器(101)通过无线网络(105)与基站(106)通信；基站(106)将信息存储于服务器(107)中，通过远程终端(108)进行访问和监控服务器(107)；
所述车载终端主控制器(101)包括中央处理器(212)，定位模块(201)，通讯模块(202)，显示模块(203)，控制驱动电路(204)，开箱报警模块(205)，ENOCEAN通讯模块(207)，USB供电模块(208)，震动能量搜集模块(209)，能源管理模块(210)，存储器(211)；
所述中央处理器(212)分别与定位模块(201)、通讯模块(202)、显示模块(203)、控制驱动电路(204)、开箱报警模块(205)、ENOCEAN通讯模块(207)、能源管理模块(210)，存储器(211)连接，能源管理模块(210)分别与USB供电单元(208)，震动能量搜集模块(209)连接，ENOCEAN通讯模块(207)与传感单元(103)连接，定位模块(201)、通讯模块(202)分别与基站(106)连接；震动能量搜集模块(209)搜集了车辆运行过程中的震动能量，实现无电源供电；
所述传感单元(103)包括天线(301)、SOC芯片模块(302)、时钟模块(303)、复位模块(304)、温度检测模块(306)、Enocean能量采集单元(307)；
所述SOC芯片模块(302)的电压输入端Vcc_Soc和地线端GND与Enocean能量采集单元(307)的电压输出端Vcc1和地线端GND对应连接，SOC芯片模块(302)的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压RX/TX和射频信号负极性RF_N分别与天线模块(301)的射频信号正极性端RF_P、射频功率增益电压端RX/TX和射频信号负极性端RF_N对应连接，SOC芯片模块(302)的复位输入端Reset与复位模块(304)的复位输出端Reset端连接，SOC芯片模块(302)的时钟输入端CLK与时钟模块(303)的时钟输出端CLK连接，SOC芯片模块(302)的AD端和温度检测模块(306)的信号线连接，SOC芯片模块(302)的电源引脚和温度检测模块的电源引脚分别与Enocean能量采集单元(307)连接，EnOcean能量采集单元(307)能够采集周围环境产生的能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的无源无线冷链运输车载实时监控系统，其特征在于：所述中央处理器(212)采用内核ARM Cortex-M系列微处理器STM32实现；定位模块(201)采用GPS或者北斗定位；通讯模块(202)采用GPRS或3G或4G通信模块实现；显示模块(203)采用液晶显示屏；控制驱动电路(204)支持多通道的控制信号输出，可以外接控制信号，便于车辆原有制冷系统综合控制使用；开箱报警模块(205)则有效防止了外部人为干扰，并能进行报警；ENOCEAN通讯模块(207)实现对传感单元(103)发射的ENOCEAN信号的收发；USB供电单元(208)连接车载电瓶，实现了不间断供电；能源管理模块(210)实现了能量的管理与存储；存储器(211)完成实时监控信息的存储，为信息追溯提供保障；车载终端主控制器(101)通过通讯模块(202)与基站(106)通信，中央处理器(212)中的协议转换单元(206)实现ENOCEAN协议的解析和转换并处理成基站(106)所能接受的通信信号，基站(106)将接收到的信息传至服务器（107）以便于远程访问；所述传感单元(103)检测温度，通过Enocean无线能量采集技术和无线通信技术，将温度信息汇总到车载终端主控制器(101)，车载终端主控制器(101)将信息通过GPRS或3G或4G网络上传到服务器（107）。
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