基于物聯網技術的食品冷鏈閉環監控系統研究

文/李愈娜

在食品冷藏及物流運輸領域，食品的品質一直是食品生產及物流運輸企業持續關注的問題。為提高食品在冷藏運輸過程中保鮮的穩定性，確保不會因為偶發因素對食品的新鮮產生影響，本文采用物聯網技術、環境監控系統、GPS技術、4G網絡技術構建一個閉環的食品監控系統，確保食品從出廠到消費者中的各個環節環境閉環監控。系統具備食品環境異常預警，食品保鮮失效提醒等功能。該系統能夠解決食品儲運領域的溫度閉環控制問題，有效降低因儲運環境的改變而導致食品變質問題，從而降低企業的損失。冷鏈（Cold Chain)是指食品在從生產到消費者的各個環節的低溫環境，是保證食品質量的一項系統工程。我國當前的冷鏈物流發展時機已經成熟，它的存在為企業在生產食品時減少了損失和浪費，確保了食品的品質，是食品流通行業不可或缺的一環。由于食品的流通環節由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運輸及配送、冷凍銷售等環節構成，各個環節是環環相扣的。任何一個環節出現問題，都將導致食品質量出現問題。因此，對冷鏈的各個環節進行有效監控，是保證食品質量的有效措施。當前的冷鏈環節仍然由各節點自己控制，物流公司或者生產企業仍然無法做到對流通環節的閉環監控。徐向麗[1]設計了一種用于在線肉類分解氣體檢測的電子鼻系統，通過GPRS/SIM 模塊自動上傳至遠程數據中心。梁琨[2]等設計了一種冷鏈運輸中的溫濕度信息采集系統，馮賀平[3]基于Zigbee協議開發了果蔬物流實時在線監控系統，陳偉炯[4]利用GeNIe軟件建立醫藥冷鏈物流環節的動態風險評估，在冷鏈物流環節的監控領域國內外已經有相關的機構及個人在開展研究，對于冷鏈環節的風險評估也有所涉及，而冷鏈物流環節的閉環控制，則有待繼續研究。閉環監控，是指對儲運環境溫度能夠執行在線監控，實時控制，失溫預警等功能。本文將著重探討在物聯網技術下構建食品冷鏈閉環監控及控制系統，采用PLC、物聯網、RFID技術，實現對人、車、物的信息物聯，從而達到閉環控制的目的。

1.系統總體方案設計

物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）是通過各類傳感器將物與物、物與人進行交換的載體；可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是一種在工業上廣泛運用的工業控制裝置；無線射頻識別即射頻識別技術（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）是一種自動識別技術，通過無線射頻方式進行非接觸式識別物體；全球定位系統（Global Positioning System，GPS），用于為物體提供地理位置信息。本文所設計的方案如圖1所示，物聯通訊終端設備安裝于物流終端（冷庫車上），每個終端有一個唯一的身份RFID卡，對應的是物聯網的接收設備，PLC采用RS232C串口與物聯網通訊設備進行通訊，溫度和濕度通過模擬量轉數字量模塊（A/D模塊）上傳到PLC，并通過PLC使用PID控制技術保持冷庫的恒溫和恒濕，從而根據食品的儲運條件控制冷庫的溫濕度，PLC的數據實時上傳到遠程管理服務器（IOTService），管理系統對數據進行監控。RFID系統采集操作員的一卡通，進行出入庫人員確認操作。冷庫的各種信息通過本地的物聯網通信設備上傳至物聯網的服務器（IOTService），通過服務器與管理系統相連。物聯網搭建分為感知層、網絡層、服務層[5]，感知層是根據系統的需求采集和感知外部的物理世界狀態，本文中采用的數據包括溫濕度、空氣質量、操作人員的信息等數據，感知的環境中，每一個傳感器都將分配有一個獨立的網關和地址；網絡層，將采集的數據按需通過窄帶互聯網（NBIoT）、GSM/GPRS、以太網、工業以太網等方式以訪問網關的方式接入到核心網（即互聯網中）；服務層，是指對采集回來的數據進行分類、處理，云計算、以及發出指令等操作，服務層可以將信息發送到設備控制器（PLC、Arduino），實現閉環控制。

圖1 系統總體方案圖

2.儲藏和運輸設備環境監視與控制

冷鏈物流中儲藏與運輸的設備，由于食品與環境[6-7]有關的主要因素有（1）環境氣體因素：醛酸類和醛類氣體，（2）胺類氣體（3）溫度（4）濕度等。PLC是工業上運用非常廣泛的工業控制器，它可以實現對現場溫度的采集，并進行實時控制冷庫的溫度。溫度及濕度控制采用PLC作為控制器，以A/D模塊作為溫度及濕度采集，PLC作為數據采集及控制環境溫度的主控制器，溫度的采集方法可以采用通訊采集或者模擬量電流4-20mA輸入到PLC，同時，PLC對環境的溫度進行PID控制，PLC的所有數據通過RS-232C數據接口提交到本地的IOT通信設備中，IOT通信通過4G信號上傳至遠端的IOT服務器中，并儲存在云服務器，控制結構如圖2所示?？刂葡到y根據服務器的數據實時生成報表。

圖2 儲運環境監視與控制技術框圖

3.閉環控制系統報警方法研究

長時間的環境不達標是造成食品變質的主要因素，為此，對儲運環境進行實時監控，當出現突發的失溫時，系統能夠第一時間通過網絡發送警示信息給儲運員，這是一項非常有效地預警方式。預警的方式可以提醒管理員采取緊急措施進行補救。對于儲運設備中的環境數據，由于位置及傳輸信號的變化，其采集的數據不完全同步，也會出現數據丟包的現象，如果采用實時數據報警則會存在誤報及多報現象，針對冷鏈儲存的環境因素，如何降低誤報率是閉環控制的關鍵難點之一。變化趨勢[8]報警將某一時間段的信號值進行提取并進行最優擬合，針對擬合的結果進行定性趨勢分析，針對趨勢與閾值進行比較從而給出報警信息，能夠有效地降低誤報率。本文采用數據分析的方法，將環境因素進行分析，然后與設定的閾值進行比較。假設溫度離散點值為y=ψ（a，b），溫度離散值定期進行采集，保存到數據中，通過云計算，系統計算期間內溫度的變化情況，從而判斷出冷庫的儲存環境情況。

4.冷鏈物流溫度閉環控制

冷藏車的溫度由本地的控制器根據設置的溫度進行控制，采用阿里云物聯網控制系統搭建遠程控制系統，將設備的信息通過物聯網IOT上傳到云服務器，服務器根據不同的食品種類，進行實時監控及反饋。對各個物理點進行有效控制。冷藏控制系統主要是對冷庫溫度和制冷壓縮機功率進行控制。兩者形成雙閉環控制系統，通過控制電源的輸出功率和壓縮機工作時間來控制儲藏環節的溫度，溫度又會影響電源輸出功率的調節[9]。系統控制結構如圖4所示。在冷庫的周圍安裝溫度傳感器，通過溫度采集裝置將采集到的實時溫度數據通過變送器轉換為模擬電流信號（4～20 mA）。模擬電流信號經PLC的AD轉換模塊轉換成數字信號后，輸入到PLC的基本單元中，與設定溫度比較后進行PID溫度控制運算輸出控制信號。PLC控制器把控制信號通過485總線傳輸到DSP控制器中形成閉環控制，由制冷電源控制端來決定是否繼續制冷。使溫度與壓縮機工作形成閉環控制結構，閉環控制接收云端的溫度設定。為防止出現過溫和欠溫的情況，引入溫度PID控制[10]，溫度閉環可根據傳感器的反饋值與測試設定值的差為不斷優化基礎訓練輸出的電流值，達到均勻制冷的目的。

圖4 基于PLC的閉環控制結構

5.結語

本文提到的基于物聯網技術的儲運環境閉環控制系統，對儲運過程的制冷設備進行監控，并根據要求進行閉環控制，能夠對儲運的溫度根據食品的不同而實時進行控制，既可以節省能源，又可以保證食品的品質，對于冷鏈物流企業提升效益和管理的水平非常有幫助，通過云端系統的控制可以使用企業對各個儲運環節的環境溫度進行控制，系統值得推廣與使用。