疫情常態化下冷庫防疫監控一體化系統設計

齊彥，王菲，彭洲，山朋林

（西北民族大學，甘肅蘭州，730124）

0 引言

“生鮮電商”的崛起，帶動了冷鏈的迅猛發展，而作為冷鏈供應鏈系統的核心樞紐，冷庫更成為了資本市場運作熱捧的投資對象。數據顯示，2021年我國冷庫總量可達7322萬噸，并且每年將以10%的速度增長，冷庫建設將進入蓬勃發展的時期。然而，目前國內冷庫建設和運營水平相對滯后，信息化管理體系建設迫在眉睫，一套較為完善的冷庫監管系統就顯得十分重要。2020年新冠疫情席卷全球。冷鏈傳播疫情形式十分嚴峻。而冷鏈運輸中一個重要環節就是冷庫，所以冷庫防疫工作勢在必行?；谝陨锨闆r我們提出了冷庫防疫監控一體化系統。

1 當前冷庫面臨的問題

■1.1 冷鏈傳播疫情

近日，在我國青島、蘭州、哈爾濱等多地區在冷鏈食品包裝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，作為冷鏈中重要環節冷庫的防疫工作十分重要。然而目前絕大多數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 冷庫的遠程監管

目前我國大多數冷庫管理仍然是采用人工線下的方式來進行，在信息化飛速發展的現在就顯得有點格格不入。對于冷庫來說，線上管理系統既可以節省人力物力又可以提高工作人員工作效率，實現對冷庫的遠程監控就顯得十分重要。

■1.3 出庫入庫信息記錄

傳統冷庫出庫入庫的信息記錄都是由人工來完成，很容易發生信息的遺漏，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 冷庫環境參數采集

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

2 本設計實現的功能及特色

■2.1 本設計硬件實現的功能

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，都會觸發報警系統，并且對工作人員進行拍照記錄，然后會將圖片上傳到華為云服務器進行數據共享，同時下發至工作人員客戶端進行記錄，以便對檢測異常人員進行健康回訪。

2.1.2 檢測入庫物品是否經過疫檢

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

2.1.3 出庫入庫功能

物品進入冷庫，工作人員可以任意將物品放入某一區域，冷庫區域化檢測模塊檢測到物品放入，則會將物品信息和所在區域的位置信息，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出來，例如A區第3層放入的物品為蘋果入庫時間也會有詳細的記錄。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記錄，以方便追溯物品動向。

2.1.4 環境參數檢測功能

冷庫內部還裝有溫濕度傳感器，會實時的將冷庫內部每

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

■2.2 軟件實現的功能

2.2.1 實時顯示冷庫內部狀態

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

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行記錄，包括入庫或出庫時間、物品名稱、所在區域、當前狀態等。

2.2.3 異常人員信息記錄

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

■2.3 本設計的特色

(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，極大地節省了人力物力，從冷鏈的節點冷庫入手有效的防止了冷鏈傳播疫情。

(2)我們將云服務器和冷庫相結合實現了數據共享和對冷庫的遠程監控，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的情況。

(4)我們的系統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具有面向對象的特點，這就讓系統具有了更好的可擴展性和可維護性。

3 防疫監控一體化系統設計方案

■3.1 防疫監控一體化系統框圖

防疫監控一體化系統硬件設計框圖如圖1所示，防疫監控一體化系統軟件功能框圖如圖2所示。

圖1 防疫監控一體化系統硬件設計框圖

圖2 防疫監控一體化系統軟件功能框圖

■3.2 具體設計方案

本設計遵循物聯網三層結構[1]設計，最底層感知層，包含了獲取數據的傳感器模塊，網絡層我們用到了ZigBee、mqtt協議和TCP/IP協議。應用層用到了華為云平臺和用java開發的客戶端。

圖3 防疫監控一體化系統層次結構圖

工作人員想要進入冷庫首先要對健康碼和體溫進行檢測。若兩者均正常，門禁打開工作人員方可進入冷庫，若有一項檢測異常，都會觸發報警系統，并且對工作人員進行拍照記錄，然后會將圖片上傳到華為云服務器進行數據共享，同時下發至工作人員客戶端進行記錄，以便對檢測異常人員進行健康回訪。進入冷庫首先要對貨物掃碼進行入庫處理，掃碼槍將物品信息提取出來保存，冷庫區域化檢測模塊檢測到物品放入，則會將物品信息和所在區域的位置信息，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，客戶端自動將該區域信息清除。冷庫內部還有溫濕度傳感器，會實時的將冷庫內部溫濕度發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、低功耗的嵌入式應用設計的ARM Cortex?-M0，M0+，M3, M4和M7內核,在STM32F105和STM32F107互連型系列微控制器之前，意法半導體已經推出STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列、互補型系列；新系列產品沿用增強型系列的72MHz處理頻率。內存包括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，結合STM32平臺的設計理念，開發人員通過選擇產品可重新優化功能、存儲器、性能和引腳數量，以最小的硬件變化來滿足個性化的應用需求。

在本設計中用于接收各個模塊傳來的數據，將數據處理后發送至WiFi模塊進行數據上傳。

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、自適應的特點。兩個CPU核可以被單獨控制或上電。時鐘頻率的調節范圍為80MHz ~240MHz。用戶可以切斷CPU的電源，利用低功耗協處理器來不斷地監測外設的狀態變化或某些模擬量是否超出閾值。ESP32還集成了豐富的外設，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、以太網接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S和I2C等。

在本設計中用于接收STM32單片機傳遞來的數據，整合后上傳至云服務器。

3.2.3 溫濕度傳感器模塊

DHT22也被稱為AM2302，具有標準的單總線接口。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。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。

在本設計中用于采集冷庫內部溫濕度數據，然后將數據傳遞至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。輸出數據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濾波器（可傳播長波）集成在封裝內提供對環境和日光的免疫。濾波器的波長通帶為5.5~14μm。由于集成了低噪聲放大器、17位模數轉換器和強大的數字信號處理芯片MLX90302，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現。

在本設計中用于采集工作人員體溫，體溫異常的話將會觸發報警系統。

3.2.5 K210模塊

Maix Bit開發板是SIPEED公司Maix產品線的一員，基于嘉楠堪智科技的邊緣智能計算芯片K210(RISC-V架構64位雙核)設計的一款AOT開發板。開發板設計小巧精悍，板載Type-C接口和USB-UART電路，用戶可以直接通過 USB Type-C線連接電腦進行開發，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。

在本設計中用于健康碼的識別，異常則會觸發報警系統。

3.2.6 Zigbee模塊

Zigbee[3]技術本質上是一種速率比較低的雙向無線網絡技術，其由IEEE.802.15.4無線標準開發而來，擁有低復雜度和短距離以及低成本和低功耗等優點。其使用了2.4GHz頻段，這個標準定義了Zigbee技術在IEEE.802.15.4標準媒體上支持的應用服務。Zigbee聯盟的主要發展方向是建立一個基礎構架，這個構架基于互聯網平臺以及配置文件，并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優點。搭建物聯網開發平臺，有利于研究成果的轉化和產學研對，是實現物聯網的簡單途徑。

在本設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進行數據處理。

3.2.7 漫反射傳感模塊

漫反射光電開關是漫反射光電接近開關的簡稱，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。當開關發射光束時，目標產生漫反射，發射器和接收器構成單個的標準部件，當有足夠的組合光返回接收器時，開關狀態發生變化，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的反射能力決定，由目標表面性質和和顏色決定；較小的裝配開支，當開關由單個元件組成時，通常是可以達到粗定位；

在本設計中用來檢測指定區域是否被占用，將信息通過Zigbee模塊傳遞至STM32進行處理。

3.2.8 掃碼槍模塊

常見的平板式掃描槍一般由光源、光學透鏡、掃描模組、模擬數字轉換電路加塑料外殼構成。它利用光電元件將檢測到的光信號轉換成電信號，再將電信號通過模擬數字轉換器轉化為數字信號傳輸到計算機中處理。當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換成模擬數字信號（即電壓，它與接受到的光的強度有關），同時指出那個像數的灰暗程度。這時候模擬-數字轉換電路把模擬電壓轉換成數字訊號，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的圖像輸出。如果有更高的量化位數，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對于我們來說，更高位數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節。

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

■3.3 防疫監控一體化系統設計流程圖

防疫監控一體化系統設計流程圖如圖4所示。

圖4 防疫監控一體化系統設計流程圖

4 結束語

當下正是疫情肆虐的時期，我們當代大學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推廣至各個地區，我們后臺可以監視各個地區的異常情況，這樣一旦發現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勝新冠病毒。