农药运输安全实时监管系统设计与实现

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　　摘  要： 为保障农药运输的安全，实现农药运输的实时监控与管理，将北斗+GPS双模定位、4G/GPRS通信网络和多传感器应用在农药运输监管方面，利用Web技术将实时监管呈现于前端网页。基于模块化的设计思路实现了农药运输数据实时采集、运输过程监控以及数据管理。系统通过监测信息实时掌握运输车辆和农药的状态，可及时发现异常并报警。通过测试运行，软、硬件方案可行，系统运行稳定，实时性强，监管效果良好，对保障农药运输安全有十分重要的意义。
　　关键词： 农药运输; 实时监管; 系统设计; 监控报警; 运行测试; 功能分析
　　中图分类号： TN082?34; TP368                  文献标识码： A                      文章编号： 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
　　农药具有危险性、毒性、腐蚀性，并且易燃易爆，其运输环境复杂，一旦发生安全事故后果不可估量。因此，不仅要通过法律法规来规范约束农药运输，更需要对农药运输过程进行实时有效的监管[1?3]。
　　目前在运输安全监管方面已有一定的研究，马世博等根据在城际危险品运输安全方面的研究建立了一套有关危险品城际运输的安全监管系统[4];卢志刚等基于卫星定位、电子地图、移动通信和智能传感等技术设计了高速公路危货运输的监管系统[5];缪晓中等针对生物样本的运输现状，设计了一套定位、通信、信息管理相结合的智能化生物样本运输监控系统[6];刘语乔等采用典型C/S结构搭建了一套机组告警信息地面实时监控系统[7]，但关于农药运输安全的实时监管还没有系统性的实现案例。目前农药运输车辆现代化程度较低，很多是由普通车辆经过简单改装而成，对危险品的隔离保护措施不到位，且相关从业人员的素质不达标，储存、装载、运输等操作不规范，如不能及时发现问题，很可能造成严重的安全事故。在此背景下，建立一套农药运输安管监管系统，对农药运输进行实时监控、报警和管理，对于保证运输车辆、货物、运输员和运输途中的道路安全具有重要意义[8?10]。近年来运输危险品时普遍采用车载嵌入式监控，通过GPS实现对运输车辆的定位[11]。但大部分监控系统构成相对简单，定位精度低、有偏差、缺乏时效性，导致了安全隐患发现不及时，从而增加了事故风险[12?13]。
　　本文设计了一套基于北斗+GPS双模定位、4G/GPRS通信网络和多传感器的农药运输安全实时监管系统，并通过Web技术实现。系统建立了包括承运商、货物信息、交易运单信息、订单报表、农药和车辆信息的数据库，可对信息进行管理，提高了农药运输的安全性。 　　1  系统设计方案
　　1.1  系统总体设计方案
　　本系统由定位系统、通信系统、多传感器和数据库组成，采集器获取车厢内部的温湿度、二氧化碳浓度、农药的挥发性气体（氯、苯系物等）浓度等各种数据指标，创新性地应用北斗+GPS双模系统对农药运输车辆定位，具有高精度定位效果及实时监控能力，由通信模块向服务器实时传输获取到的数据并呈现在网页端页面，数据异常时能够迅速报警，以便及时应对。系统分为两个部分：硬件部分和软件部分。硬件部分主要通过传感器采集信息，并将采集到的数据实时上传至服务器或云平台;软件部分包括网页端和服务器部分，网页端实现对车辆的监控报警、数据库的搭建和信息的管理。服务器部分采用Web Service接口技术，实现数据的实时获取、交换。系统整体设计方案如图1所示。
　　本系统搭建了四层逻辑结构来实现对农药运输的实时监控，包括数据采集层、传输层、业务逻辑层和应用层。其中，数据采集层为传感器组和定位系统，传感器组内部有各种类型的传感器，可实时监测运输过程中车厢内部的指标，北斗+GPS定位系统确定车辆位置;测到的数据由传输层的4G/GPRS通信模块实时上传到业务逻辑层的服务器，这些数据直接存入数据库;应用层由车载终端和网页端组成，网页端通过Web Service接口调用数据，显示在网页页面上进行监控管理，图2为系统架构。
　　1.2  硬件部分设计
　　本系统设计了一套用于定位、测量各种环境指标和传输数据的远程测控终端（RTU），以北斗+GPS双模定位系统为核心，通过传感器组采集运输环境数据指标，由通信模块发送数据到服务器，完成实时数据的采集与上传，图3为硬件结构。
　　1） 定位模块使用北斗+GPS双模。单一的GPS定位系统在运用过程中有一定的局限性，并且在国内不开放通信功能，因此对运输过程的监管不够完善。北斗卫星定位系统具有定位和通信双重功能，不需要其他通信系统支持，覆盖全国地区[14?16];本系统的北斗+GPS双模定位地表单位信号强、覆盖范围大、定位精度高，误差在8 m左右，速度的测试精度也达到了0.2 m/s，并且安全可靠稳定，受建筑物遮挡而造成定位精度不准的影响小，不会出现在关键时刻定位受限的问题。
　　2） 传感器组包括温湿度、CO2浓度、VOC气体等传感器。根据农药运输途中的环境情况，选择电流输出为4～20 mA的传感器。温湿度传感器温度测量范围为
　　-40～80 ℃，湿度测量范围为0～100%RH。在一般工作环境下，温度测量精度为±0.5 ℃;湿度为±3%RH;CO2浓度传感器在-2～60 ℃，0～80%RH的工作环境下，其精度为±（40 ppm+3%FS）;VOC气体传感器在-10～65 ℃和0～90%RH的工作环境下，其分辨率为1 ppm，测量范围为0～500 ppm测量误差为±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，并且能实现3G与4G网络之间的无缝切换，向后兼容现存的EDGE和GSM/4G/GPRS网络，以确保在缺乏3G和4G网络的偏远地区也能正常工作。满足无线通信系统对数据速率和连接的可靠性要求。
　　4） A6G2C系列核心板采用Cortex?A7 内核处理器，自带8路UART、2路USB OTG、最高2路CAN?bus、最高2路以太网等通信接口，板载WiFi、蓝牙功能。核心板在恶劣的运输环境下也能稳定工作。处理器有单错检测（奇偶校验）的32 Kb指令、32 Kb L1数据高速缓存，保证安全稳定运行。
　　1.3  软件部分设计
　　系统的软件部分分为服务器部分和网页端部分，图4为软件设计架构。
　　1.3.1  服务器端设计
　　系统的服务器端采用.NET Framework 4.0框架，使用C#语言进行研发，运用微软推出的Web Service技术进行服务功能的实现。系统的服务器端设计框图如图5所示。
　　车辆信息发送到服务器后即时存储到数据库中进行管理。服务器端的服务程序根据网页端的需求生成数据接口，使得网页页面能够实时调用数据。服务程序还将为系统提供运输车辆目标方向偏离报警和车内环境报警功能。
　　1.3.2  网页端设计
　　网页端即系统的呈现层，也就是与用户进行交互的最主要的途径，主要功能是监控报警、数据库管理及与用户进行最上层的交互。使用HTML，CSS，JavaScript三门语言进行研发，其中，界面主要使用bootstrap框架，地图监控预警部分用jQuery库实现。
　　网页端调用数据接口，在监控报警界面实时刷新测得的数据，以便用户进行监测。网页端搭建了农药运输安全实时监管的数据库，包含农药运输过程的各种货物、车辆等信息，用户可查看并管理数据。
　　2  系统功能
　　从实用性和高效性考虑，系统分为4个模块，分别为信息浏览模块、运单管理模块、监控报警模块和后台管理模块，从而构建了一个农药运输的数据库，系统功能模块架构如图6所示。
　　2.1  基础数据库与运单管理模块
　　基础数据库模块包括承运商信息、货物信息、交易信息和人员信息。界面中包含承运商列表、车辆信息列表、工作人员信息列表和货物详细信息列表，为用户提供所需信息，如图7a）所示。运单管理模块包括运单查看、历史运单以及订单报表。界面中包含运单编号、状态、安全等级、运输距离等内容，并将一定时期内的订单报表进行公示，如图7b）所示。
　　2.2  监控报警模块
　　监控报警模块是网页端的核心，亦是本系统的创新之处，调用Web Service数据接口的数据之后进行可视化处理，呈现在地图上，包括当前时间、运输车辆的位置（经纬度）、车速、行驶路线、温湿度、二氧化碳浓度、挥发性气体浓度，地图上的数据每隔5 s刷新一次，保证本监控系统的重点：实时性。当数据出现异常时，能及时在报警面板上报警，从而做出應对，排除安全隐患。监控报警模块如图8所示。运输地图面板会实时更新运输车辆的行进路线，报警面板展示车辆的相关数据，包括车速、温度、湿度、二氧化碳浓度、挥发性气体浓度的实时指标，指标超过阈值时，对应的指示灯会变为红灯，并弹出报警窗口进行报警。报警流程如图9所示。 　　2.3  后台管理模块
　　后台管理模块是对信息展示界面进行管理的部分。管理员登录后可进入后台管理系统，对网页端搭建的农药运输数据库进行管理，包括运单信息管理、承运商信息管理、货物信息管理、交易信息管理、车辆信息管理、工作人员信息管理，可查看运单状态，增加新的承运商、货物、交易、车辆、相关工作人员信息等。
　　3  系统测试
　　3.1  系统稳定性测试
　　本系统终端的实物图如图10所示。对软件系统和硬件终端进行实际测试。系统搭建的数据库中上传了大量的数据，将网站部署到服务器后，能够稳定运行，对数据进行查看、管理，系统顺滑度良好。
　　对系统从传感器采集数据并最终显示到网页端页面上这个过程进行测试实验，将本系统的硬件终端部分装载到运输车辆中，对农药运输过程进行模拟。测试过程中，终端能够稳定获取运输车辆的经纬度及车厢内部环境的数据指标，打开数据接口地址，数据获取时间及各项指标能够正常刷新，说明该系统能够完好地将采集到的数据存储到数据库中;部署到服务器的网站地图界面显示正常并且数据不断更新，如图8“运输地图”部分所示，与运输车辆实际情况相符。经过多次测试，终端数据的获取情况、传输情况以及网页端显示情况均无异常，系统稳定性符合预期。
　　3.2  实时监控报警功能分析
　　根据模拟测试结果，系统的性能十分良好，终端发送数据的频率、数据接口更新的频率以及网页中监控报警界面数据的刷新频率与预设值相符，保持5 s自动刷新一次，实时性强。运输车辆的经纬度数据精度高，生成的运输轨迹图能够及时、准确地展示运输车辆行驶路线。当车速、温度、湿度、二氧化碳浓度以及农药挥发性气体的浓度超过设定阈值时，面板上对应的绿灯会变为红灯并弹出报警窗口进行报警，实时监控报警的效果达到预期。
　　3.2.1  定位精度测试
　　为进一步验证系统的定位精度和实时监控能力，选取8个地点进行测试，将本系统的定位结果与实际位置经纬度进行对比分析，如表1所示。测试人员在相应地点用终端获取经纬度值，上传至服务器端，网站调用接口数据经过校准显示在地图中，见表1“终端定位”栏，实际经纬度的经纬度见表 1“真实值”栏。
　　根据地球上任意AB两点的经纬度，可计算两点间的距离，设东经为正，西经为负，北纬为90°-纬度值，南纬为90°+纬度值。因在北京市进行测试计算，因此不对纬度值做处理，将经纬度均取正值代入计算：
　　[c=sin WA·sin WB+cos WA·cos WB·cos JA-JB] （1）
　　[d=R·arccos  c·π180°] （2）
　　式中：JA为A点的经度;WA为A点的纬度;JB为B点的经度;WB为B点的纬度;d为两点间的距离;R为地球的半径，此处取R值为6 378.140 km。
　　经过计算得出系统测得的终端位置与真实位置的误差平均值为8.04 m，测量结果表明误差基本为10 m 以内。因此与一般定位系统相比，本系统定位精度高，在实际运输过程中可以对车辆进行精准定位，时刻获取车辆的位置信息。
　　3.2.2  实时能力测试
　　为测试系统的实时监控能力，对系统的响应速度做分析实验。从终端获取数据并发送至服务器，最终将数据响应到网页端页面上这一过程进行测试。仍取表1中8个测试地点，分别记录终端数据发送时间和网页数据显示时间，如表2所示。
　　根据表2可知，系统的响应速度很快，网页中设置数据刷新时间为500 ms，测试平均响应时间为600 ms左右符合预期。结果表明，本系统具有很好的实时性。
　　综上所述，可以看出本系统的实时监控能力很好，定位精准且响应迅速，在实际应用中能达到对运输车辆的实时监管效果。
　　4  结  语
　　本文设计的农药运输安全实时监管系统，将北斗+GPS双模定位应用到农药运输监管领域。测试结果表明，该系统稳定可靠、定位精度高、实时性强，确保在运输过程中及时发现异常情况，达到预警的目的;本系统可扩展性强，可根据不同用户的不同需求增加相应的功能，而且基于网页设计的形式具有免安装、随时可用的优势;本系统具有很强的实用性和广泛地应用前景，对于物流的发展具有重要的意义。
　　注：本文通讯作者为张新。
　　参考文献
　　[1] 郭利京，王颖. 中美法韩农药监管体系及施用现状分析[J].农药，2018，57（5）：359?366.
　　[2] 裴美兰.农药监管面临的问题及对策[J].乡村科技，2017（32）：83?84.
　　[3] 张柱庭.对《关于农药运输的通知》的性质研究—危险货物运输的法律体系[J].交通建设与管理，2009（5）：90?95.
　　[4] 马世博，韩印，姚佼.基于物联网技术的城际危险品运输安全监控系统研究[J].物流科技，2015，38（8）：15?17.
　　[5] 卢志刚.高速公路危货运输安全监管信息系统的设计和实现[J].电子测试，2015（21）：123.
　　[6] 缪晓中，彭力.生物样本运输智能化监管系统的开发[J].电子器件，2017，40（5）：1262?1265.
　　[7] 刘语乔，贾雨，聂睿.机组告警信息地面实时监控系统设计[J]. 测控技术，2018，37（4）：156?158.
　　[8] 杨娜.危险品货物运输安全策略的分析与研究[J].人民交通， 2018（2）：74?75.
　　[9] YU M， DENG T， FU J. Application of RFID and GPS technology in transportation vehicles monitoring system for dangerous goods [C]// International Conference on Remote Sensing， Environment and Transportation Engineering. Nanjing： IEEE， 2012： 1?4. 　　[10] CONCA A， RIDELLA C， SAPORI E. A risk assessment for road transportation of dangerous goods： a routing solution [J]. Transportation research procedia， 2016， 14： 2890?2899.
　　[11] 李琳.GPS，RFID和GPRS技术在危险品运输管理系统中的应用[J].自动化与仪器仪表，2017（4）：172?174.
　　[12] 刘卫平，高志涛，刘圣波，等.基于铱星通信技术的土壤墒情远程监测网络研究[J].农业机械学报，2015，46（11）：316?322.
　　[13] 张向南，赵庆展，何启峰，等.基于北斗的物流车辆监控系统[J].物流技术，2015，34（15）：251?254.
　　[14] 吴超琼，赵利，梁钢，等.基于北斗导航系统的无人机飞行监管系统设计[J].测控技术，2017，36（8）：66?69.
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　　[15] JIANG W， XI R， CHEN H， et al. Accuracy analysis of continuous deformation monitoring using Beidou navigation satellite system at middle and high latitudes in China [J]. Advances in space research， 2017， 59（3）： 843?857.
　　[16] PAN W G. Dynamic weight overload monitoring system of truck based on Beidou navigation satellite system [C]// International Conference on Advances in Mechanical Engineering and Industrial Informatics. Atlantis： Atlantis Press， 2016： 1541?1546.
　　作者简介：许继平（1979—），男，湖南人，博士，副教授，主要研究方向为复杂系统建模与实现。
　　董云峰（1993—），男，河北人，硕士研究生，主要研究方向为智能检测与系统建模。
　　张  新（1989—），男，山西人，博士，讲师，主要研究方向为检测和物联网技术。
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