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冷链物流监控系统设计

时间:01-18 来源:互联网 点击:
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。

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