農藥運輸安全實時監管系統設計與實現

許繼平 董云峰 王小藝 張新 王立 孔建磊

摘 ?要： 為保障農藥運輸的安全，實現農藥運輸的實時監控與管理，將北斗+GPS雙模定位、4G/GPRS通信網絡和多傳感器應用在農藥運輸監管方面，利用Web技術將實時監管呈現于前端網頁?；谀K化的設計思路實現了農藥運輸數據實時采集、運輸過程監控以及數據管理。系統通過監測信息實時掌握運輸車輛和農藥的狀態，可及時發現異常并報警。通過測試運行，軟、硬件方案可行，系統運行穩定，實時性強，監管效果良好，對保障農藥運輸安全有十分重要的意義。

關鍵詞： 農藥運輸; 實時監管; 系統設計; 監控報警; 運行測試; 功能分析

中圖分類號： TN082?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）02?0174?05

Design and implementation of real?time monitoring system for pesticide

transportation safety

XU Jiping， DONG Yunfeng， WANG Xiaoyi， ZHANG Xin， WANG Li， KONG Jianlei

Abstract： The Beidou+GPS dual?mode location， 4G/GPRS communication network and multi?sensor are applied to the pesticide transportation monitoring， and the real?time monitoring is presented on the front?end Web page with the Web technology， so as to ensure the safety of pesticide transportation and realize its real?time monitoring and management. The real?time collection of pesticide transportation data， the transportation process monitoring and the data management are realized based on the modular design ideas. The system can grasp the status of transportation vehicles and pesticides in real time with the monitored information， with which the abnormalities can be found timely and an alarm can be given. The running test results show that the software and hardware schemes are feasible; the system has stable operation， strong real?time performance and good monitoring effect， which is of great significance to ensure the safety of pesticide transportation.

Keywords： pesticide transportation; real?time monitoring; system design; monitoring alarm; running test; functional analysis

0 ?引 ?言

農藥具有危險性、毒性、腐蝕性，并且易燃易爆，其運輸環境復雜，一旦發生安全事故后果不可估量。因此，不僅要通過法律法規來規范約束農藥運輸，更需要對農藥運輸過程進行實時有效的監管[1?3]。

目前在運輸安全監管方面已有一定的研究，馬世博等根據在城際危險品運輸安全方面的研究建立了一套有關危險品城際運輸的安全監管系統[4];盧志剛等基于衛星定位、電子地圖、移動通信和智能傳感等技術設計了高速公路危貨運輸的監管系統[5];繆曉中等針對生物樣本的運輸現狀，設計了一套定位、通信、信息管理相結合的智能化生物樣本運輸監控系統[6];劉語喬等采用典型C/S結構搭建了一套機組告警信息地面實時監控系統[7]，但關于農藥運輸安全的實時監管還沒有系統性的實現案例。目前農藥運輸車輛現代化程度較低，很多是由普通車輛經過簡單改裝而成，對危險品的隔離保護措施不到位，且相關從業人員的素質不達標，儲存、裝載、運輸等操作不規范，如不能及時發現問題，很可能造成嚴重的安全事故。在此背景下，建立一套農藥運輸安管監管系統，對農藥運輸進行實時監控、報警和管理，對于保證運輸車輛、貨物、運輸員和運輸途中的道路安全具有重要意義[8?10]。近年來運輸危險品時普遍采用車載嵌入式監控，通過GPS實現對運輸車輛的定位[11]。但大部分監控系統構成相對簡單，定位精度低、有偏差、缺乏時效性，導致了安全隱患發現不及時，從而增加了事故風險[12?13]。

本文設計了一套基于北斗+GPS雙模定位、4G/GPRS通信網絡和多傳感器的農藥運輸安全實時監管系統，并通過Web技術實現。系統建立了包括承運商、貨物信息、交易運單信息、訂單報表、農藥和車輛信息的數據庫，可對信息進行管理，提高了農藥運輸的安全性。

1 ?系統設計方案

1.1 ?系統總體設計方案

本系統由定位系統、通信系統、多傳感器和數據庫組成，采集器獲取車廂內部的溫濕度、二氧化碳濃度、農藥的揮發性氣體（氯、苯系物等）濃度等各種數據指標，創新性地應用北斗+GPS雙模系統對農藥運輸車輛定位，具有高精度定位效果及實時監控能力，由通信模塊向服務器實時傳輸獲取到的數據并呈現在網頁端頁面，數據異常時能夠迅速報警，以便及時應對。系統分為兩個部分：硬件部分和軟件部分。硬件部分主要通過傳感器采集信息，并將采集到的數據實時上傳至服務器或云平臺;軟件部分包括網頁端和服務器部分，網頁端實現對車輛的監控報警、數據庫的搭建和信息的管理。服務器部分采用Web Service接口技術，實現數據的實時獲取、交換。系統整體設計方案如圖1所示。

本系統搭建了四層邏輯結構來實現對農藥運輸的實時監控，包括數據采集層、傳輸層、業務邏輯層和應用層。其中，數據采集層為傳感器組和定位系統，傳感器組內部有各種類型的傳感器，可實時監測運輸過程中車廂內部的指標，北斗+GPS定位系統確定車輛位置;測到的數據由傳輸層的4G/GPRS通信模塊實時上傳到業務邏輯層的服務器，這些數據直接存入數據庫;應用層由車載終端和網頁端組成，網頁端通過Web Service接口調用數據，顯示在網頁頁面上進行監控管理，圖2為系統架構。

1.2 ?硬件部分設計

本系統設計了一套用于定位、測量各種環境指標和傳輸數據的遠程測控終端（RTU），以北斗+GPS雙模定位系統為核心，通過傳感器組采集運輸環境數據指標，由通信模塊發送數據到服務器，完成實時數據的采集與上傳，圖3為硬件結構。

1） 定位模塊使用北斗+GPS雙模。單一的GPS定位系統在運用過程中有一定的局限性，并且在國內不開放通信功能，因此對運輸過程的監管不夠完善。北斗衛星定位系統具有定位和通信雙重功能，不需要其他通信系統支持，覆蓋全國地區[14?16];本系統的北斗+GPS雙模定位地表單位信號強、覆蓋范圍大、定位精度高，誤差在8 m左右，速度的測試精度也達到了0.2 m/s，并且安全可靠穩定，受建筑物遮擋而造成定位精度不準的影響小，不會出現在關鍵時刻定位受限的問題。

2） 傳感器組包括溫濕度、CO2濃度、VOC氣體等傳感器。根據農藥運輸途中的環境情況，選擇電流輸出為4～20 mA的傳感器。溫濕度傳感器溫度測量范圍為

-40～80 ℃，濕度測量范圍為0～100%RH。在一般工作環境下，溫度測量精度為±0.5 ℃;濕度為±3%RH;CO2濃度傳感器在-2～60 ℃，0～80%RH的工作環境下，其精度為±（40 ppm+3%FS）;VOC氣體傳感器在-10～65 ℃和0～90%RH的工作環境下，其分辨率為1 ppm，測量范圍為0～500 ppm測量誤差為±3%FS（25 ℃）。

3） 通信采用Quectel EC20，支持最大下行速率100 Mb/s和最大上行速率50 Mb/s，并且能實現3G與4G網絡之間的無縫切換，向后兼容現存的EDGE和GSM/4G/GPRS網絡，以確保在缺乏3G和4G網絡的偏遠地區也能正常工作。滿足無線通信系統對數據速率和連接的可靠性要求。

4） A6G2C系列核心板采用Cortex?A7 內核處理器，自帶8路UART、2路USB OTG、最高2路CAN?bus、最高2路以太網等通信接口，板載WiFi、藍牙功能。核心板在惡劣的運輸環境下也能穩定工作。處理器有單錯檢測（奇偶校驗）的32 Kb指令、32 Kb L1數據高速緩存，保證安全穩定運行。

1.3 ?軟件部分設計

系統的軟件部分分為服務器部分和網頁端部分，圖4為軟件設計架構。

1.3.1 ?服務器端設計

系統的服務器端采用.NET Framework 4.0框架，使用C#語言進行研發，運用微軟推出的Web Service技術進行服務功能的實現。系統的服務器端設計框圖如圖5所示。

車輛信息發送到服務器后即時存儲到數據庫中進行管理。服務器端的服務程序根據網頁端的需求生成數據接口，使得網頁頁面能夠實時調用數據。服務程序還將為系統提供運輸車輛目標方向偏離報警和車內環境報警功能。

1.3.2 ?網頁端設計

網頁端即系統的呈現層，也就是與用戶進行交互的最主要的途徑，主要功能是監控報警、數據庫管理及與用戶進行最上層的交互。使用HTML，CSS，JavaScript三門語言進行研發，其中，界面主要使用bootstrap框架，地圖監控預警部分用jQuery庫實現。

網頁端調用數據接口，在監控報警界面實時刷新測得的數據，以便用戶進行監測。網頁端搭建了農藥運輸安全實時監管的數據庫，包含農藥運輸過程的各種貨物、車輛等信息，用戶可查看并管理數據。

2 ?系統功能

從實用性和高效性考慮，系統分為4個模塊，分別為信息瀏覽模塊、運單管理模塊、監控報警模塊和后臺管理模塊，從而構建了一個農藥運輸的數據庫，系統功能模塊架構如圖6所示。

2.1 ?基礎數據庫與運單管理模塊

基礎數據庫模塊包括承運商信息、貨物信息、交易信息和人員信息。界面中包含承運商列表、車輛信息列表、工作人員信息列表和貨物詳細信息列表，為用戶提供所需信息，如圖7a）所示。運單管理模塊包括運單查看、歷史運單以及訂單報表。界面中包含運單編號、狀態、安全等級、運輸距離等內容，并將一定時期內的訂單報表進行公示，如圖7b）所示。

2.2 ?監控報警模塊

監控報警模塊是網頁端的核心，亦是本系統的創新之處，調用Web Service數據接口的數據之后進行可視化處理，呈現在地圖上，包括當前時間、運輸車輛的位置（經緯度）、車速、行駛路線、溫濕度、二氧化碳濃度、揮發性氣體濃度，地圖上的數據每隔5 s刷新一次，保證本監控系統的重點：實時性。當數據出現異常時，能及時在報警面板上報警，從而做出應對，排除安全隱患。監控報警模塊如圖8所示。運輸地圖面板會實時更新運輸車輛的行進路線，報警面板展示車輛的相關數據，包括車速、溫度、濕度、二氧化碳濃度、揮發性氣體濃度的實時指標，指標超過閾值時，對應的指示燈會變為紅燈，并彈出報警窗口進行報警。報警流程如圖9所示。

2.3 ?后臺管理模塊

后臺管理模塊是對信息展示界面進行管理的部分。管理員登錄后可進入后臺管理系統，對網頁端搭建的農藥運輸數據庫進行管理，包括運單信息管理、承運商信息管理、貨物信息管理、交易信息管理、車輛信息管理、工作人員信息管理，可查看運單狀態，增加新的承運商、貨物、交易、車輛、相關工作人員信息等。

3 ?系統測試

3.1 ?系統穩定性測試

本系統終端的實物圖如圖10所示。對軟件系統和硬件終端進行實際測試。系統搭建的數據庫中上傳了大量的數據，將網站部署到服務器后，能夠穩定運行，對數據進行查看、管理，系統順滑度良好。

對系統從傳感器采集數據并最終顯示到網頁端頁面上這個過程進行測試實驗，將本系統的硬件終端部分裝載到運輸車輛中，對農藥運輸過程進行模擬。測試過程中，終端能夠穩定獲取運輸車輛的經緯度及車廂內部環境的數據指標，打開數據接口地址，數據獲取時間及各項指標能夠正常刷新，說明該系統能夠完好地將采集到的數據存儲到數據庫中;部署到服務器的網站地圖界面顯示正常并且數據不斷更新，如圖8“運輸地圖”部分所示，與運輸車輛實際情況相符。經過多次測試，終端數據的獲取情況、傳輸情況以及網頁端顯示情況均無異常，系統穩定性符合預期。

3.2 ?實時監控報警功能分析

根據模擬測試結果，系統的性能十分良好，終端發送數據的頻率、數據接口更新的頻率以及網頁中監控報警界面數據的刷新頻率與預設值相符，保持5 s自動刷新一次，實時性強。運輸車輛的經緯度數據精度高，生成的運輸軌跡圖能夠及時、準確地展示運輸車輛行駛路線。當車速、溫度、濕度、二氧化碳濃度以及農藥揮發性氣體的濃度超過設定閾值時，面板上對應的綠燈會變為紅燈并彈出報警窗口進行報警，實時監控報警的效果達到預期。

3.2.1 ?定位精度測試

為進一步驗證系統的定位精度和實時監控能力，選取8個地點進行測試，將本系統的定位結果與實際位置經緯度進行對比分析，如表1所示。測試人員在相應地點用終端獲取經緯度值，上傳至服務器端，網站調用接口數據經過校準顯示在地圖中，見表1“終端定位”欄，實際經緯度的經緯度見表 1“真實值”欄。

根據地球上任意AB兩點的經緯度，可計算兩點間的距離，設東經為正，西經為負，北緯為90°-緯度值，南緯為90°+緯度值。因在北京市進行測試計算，因此不對緯度值做處理，將經緯度均取正值代入計算：

[c=sin WA·sin WB+cos WA·cos WB·cos JA-JB] （1）

[d=R·arccos ?c·π180°] （2）

式中：JA為A點的經度;WA為A點的緯度;JB為B點的經度;WB為B點的緯度;d為兩點間的距離;R為地球的半徑，此處取R值為6 378.140 km。

經過計算得出系統測得的終端位置與真實位置的誤差平均值為8.04 m，測量結果表明誤差基本為10 m 以內。因此與一般定位系統相比，本系統定位精度高，在實際運輸過程中可以對車輛進行精準定位，時刻獲取車輛的位置信息。

3.2.2 ?實時能力測試

為測試系統的實時監控能力，對系統的響應速度做分析實驗。從終端獲取數據并發送至服務器，最終將數據響應到網頁端頁面上這一過程進行測試。仍取表1中8個測試地點，分別記錄終端數據發送時間和網頁數據顯示時間，如表2所示。

根據表2可知，系統的響應速度很快，網頁中設置數據刷新時間為500 ms，測試平均響應時間為600 ms左右符合預期。結果表明，本系統具有很好的實時性。

綜上所述，可以看出本系統的實時監控能力很好，定位精準且響應迅速，在實際應用中能達到對運輸車輛的實時監管效果。

4 ?結 ?語

本文設計的農藥運輸安全實時監管系統，將北斗+GPS雙模定位應用到農藥運輸監管領域。測試結果表明，該系統穩定可靠、定位精度高、實時性強，確保在運輸過程中及時發現異常情況，達到預警的目的;本系統可擴展性強，可根據不同用戶的不同需求增加相應的功能，而且基于網頁設計的形式具有免安裝、隨時可用的優勢;本系統具有很強的實用性和廣泛地應用前景，對于物流的發展具有重要的意義。

注：本文通訊作者為張新。

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（上接第178頁）

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作者簡介：許繼平（1979—），男，湖南人，博士，副教授，主要研究方向為復雜系統建模與實現。

董云峰（1993—），男，河北人，碩士研究生，主要研究方向為智能檢測與系統建模。

張 ?新（1989—），男，山西人，博士，講師，主要研究方向為檢測和物聯網技術。