基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　糧情測(cè)控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)摘要 針對(duì)我國(guó)糧食存儲(chǔ)的實(shí)際，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在糧食存儲(chǔ)領(lǐng)域，探索了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧食倉儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用模式，以無線網(wǎng)絡(luò)與智能感知技術(shù)為核心，在不改變現(xiàn)有糧食存儲(chǔ)與管理方式的基礎(chǔ)上，爭(zhēng)取提供一種完整的適用于糧食存儲(chǔ)的糧情測(cè)控系統(tǒng)解決方案。 

　　關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；糧情測(cè)控；溫度；濕度；傳感器節(jié)點(diǎn)  糧情測(cè)控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)
　　中圖分類號(hào) F325.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2013）10-0339-02 
　　作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食生產(chǎn)和儲(chǔ)備至關(guān)重要[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和糧食儲(chǔ)備的日益增加，大型糧食儲(chǔ)備庫的建設(shè)對(duì)糧情測(cè)控技術(shù)也提出了越來越高的要求。糧情監(jiān)測(cè)是儲(chǔ)備庫中防止糧食霉?fàn)€、保質(zhì)存放的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)糧食生產(chǎn)、需求與儲(chǔ)備量都很大，大量糧食在儲(chǔ)備的過程中常因糧食濕度過大而升溫發(fā)熱，導(dǎo)致大量糧食腐爛變質(zhì)，給國(guó)家?guī)砭薮髶p失。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)，不需要有線網(wǎng)絡(luò)的支持，倉庫安裝簡(jiǎn)單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可維護(hù)性好，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)倉庫糧情變化情況，為糧食的儲(chǔ)藏安全提供了重要保障，糧庫管理自動(dòng)化與智能化水平得到提高。 
　　1 糧情測(cè)控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)糧情測(cè)控系統(tǒng)概述 
　　利用電子技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)糧庫糧食的物理儲(chǔ)藏狀態(tài)及其他質(zhì)量影響因素進(jìn)行檢測(cè)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與分析，并對(duì)通風(fēng)、冷卻、熏蒸等儲(chǔ)糧技術(shù)設(shè)施進(jìn)行適時(shí)控制的系統(tǒng)即為糧情測(cè)控系統(tǒng)[2]。其可根據(jù)儲(chǔ)備庫中糧食的溫濕度、蟲情、入倉時(shí)間、品種、倉型、熏蒸記錄等進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)倉內(nèi)情況的動(dòng)態(tài)管理，為科學(xué)安全儲(chǔ)糧提供和科學(xué)決策。根據(jù)其系統(tǒng)功能，可分為糧情檢測(cè)、糧情分析與糧情控制3個(gè)部分。 
　　1.1 糧情檢測(cè) 
　　適宜的溫度、濕度是保證糧食貯藏質(zhì)量的2個(gè)基本條件，也是糧情檢測(cè)的重要參數(shù)[3]。通過糧情檢測(cè)，即將糧情傳感器上感應(yīng)到的溫濕度變化情況通過分線器、測(cè)控分機(jī)、測(cè)控主機(jī)等反映到主控機(jī)房的計(jì)算機(jī)上，可使庫房保管人員隨時(shí)觀測(cè)糧堆內(nèi)的糧情變化，采取及時(shí)合理的處理措施，確保儲(chǔ)糧安全。 
　　1.2 糧情分析 
　　根據(jù)當(dāng)前情況及歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)，借助糧情分析數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)確定糧溫的正確走向及報(bào)警溫度閾限，并提出相應(yīng)的處理建議，對(duì)倉庫保管人員預(yù)測(cè)及處理儲(chǔ)藏過程中有可能發(fā)生的問題提供借鑒，克服了人為因素對(duì)分析結(jié)論的影響，對(duì)于輔助決策意義重大。 
　　1.3 糧情控制 
　　糧情控制包括機(jī)械通風(fēng)、環(huán)流熏蒸、谷物冷卻、生產(chǎn)過程控制。糧情測(cè)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)、傳感器、通信等現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)糧食儲(chǔ)備中的糧情變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分析預(yù)測(cè)報(bào)警、自動(dòng)控制糧情設(shè)備運(yùn)行的系統(tǒng)[4]。糧情測(cè)控系統(tǒng)要求具備以下功能：儲(chǔ)藏物理量檢測(cè)，具備檢測(cè)溫度、濕度指標(biāo)功能；數(shù)據(jù)分析，能對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，按糧溫、濕度等的變化規(guī)律，自動(dòng)確定理論值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行差值、變化率、臨界點(diǎn)的分析，并自動(dòng)找出異常點(diǎn)和異常值；系統(tǒng)報(bào)警，系統(tǒng)可以根據(jù)人工設(shè)定的界限或根據(jù)溫濕度變化規(guī)律模型分析得出報(bào)警點(diǎn)，通過屏幕顯示報(bào)警和打印；通風(fēng)控制，簡(jiǎn)易的可通過定溫定濕控制，較*可按不同的通風(fēng)目的，自動(dòng)運(yùn)算、判斷和控制。 
　　2 糧情測(cè)控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 
　　儲(chǔ)糧的主要物理參數(shù)是糧食的溫度、水分以及倉內(nèi)空氣的溫度、濕度[5]。由于糧食儲(chǔ)備庫的特殊環(huán)境條件，糧食出入庫時(shí)，傳感器模塊要拆卸和重新安裝，倉庫中存在有毒氣體，容易腐蝕電子元器件，糧堆中損壞的傳感器不容易更換。而目前應(yīng)用于糧食儲(chǔ)藏的糧食檢測(cè)系統(tǒng)大多采用模擬溫濕度傳感器，布局大多為有線通信方式，如現(xiàn)場(chǎng)總線、集散控制總線等，布線繁瑣，不利于系統(tǒng)布局變動(dòng)和維護(hù)。而且需要在倉庫布置大量的測(cè)溫電纜，安裝和拆卸繁雜，同時(shí)受到導(dǎo)線電阻和分布電容的影響，測(cè)量誤差比較大。而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既降低了成本，而且布線簡(jiǎn)單，抗雷電干擾，功耗低，組網(wǎng)靈活，安置和維護(hù)簡(jiǎn)單，解決了之前有線方式及基于其他技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)中存在的問題[6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好地避免傳統(tǒng)糧食存儲(chǔ)測(cè)控系統(tǒng)存在的弊端，具有智能健壯、方便靈活、成本較小等優(yōu)點(diǎn)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)，在糧倉中均勻安置糧情參數(shù)無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，糧情監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收來自糧倉主控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集指令，采集糧情參數(shù)，數(shù)據(jù)通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到糧倉主控?zé)o線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，具體分布如圖1所示。 
　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 
　　監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布的種類繁多的微型傳感器組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱WSN。其工作原理是低功耗微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式迅速自行組網(wǎng)，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種微觀環(huán)境信息進(jìn)行感知、監(jiān)測(cè)、采集、分析，后將結(jié)果發(fā)送給觀察者[7]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被視為互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，其作為信息獲取的重要和常用的新技術(shù)，發(fā)展的越來越快，也越來越深入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。 
　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
　　為保證糧情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定傳輸，需要建立一個(gè)穩(wěn)定、合理的體系結(jié)構(gòu)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，維持良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、時(shí)間同步和定位等提供，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命[8]。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)是通過無線通訊信號(hào)將計(jì)算機(jī)、測(cè)控主機(jī)、測(cè)控分機(jī)、分線器和糧情傳感器等連結(jié)起來構(gòu)成的，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在糧庫總控室內(nèi)一臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)，該計(jì)算機(jī)通過測(cè)控主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器相連，或在糧庫辦公樓內(nèi)某個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)，將糧情檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)作一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論、方法和手段也隨之發(fā)生重大變革[9]。分布在糧倉中的無線溫濕度、水分傳感器對(duì)糧倉中的糧食各部位溫度、糧倉內(nèi)空間溫度和濕度、糧倉外環(huán)境溫度和濕度等基本糧情參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，也可對(duì)糧食水分、蟲害、磷化氫氣體濃度等擴(kuò)充糧情參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。溫濕度傳感器接收糧情測(cè)控分機(jī)指令，直接輸出數(shù)字化的倉房外環(huán)境溫濕度和倉房?jī)?nèi)上部空間溫濕度數(shù)據(jù)傳送到分機(jī)進(jìn)行處理。水分傳感器通過開孔透氣的探桿將傳感器埋設(shè)在糧堆中，實(shí)時(shí)檢測(cè)糧堆位置的溫度、濕度和平衡水分，且檢測(cè)值與糧堆深度、糧食密度以及糧食雜質(zhì)無關(guān)。在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，判斷糧倉內(nèi)的糧食是否處于正常狀態(tài)，對(duì)糧倉中的糧食各溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值和升溫趨勢(shì)進(jìn)行分析報(bào)警，并給出報(bào)警點(diǎn)的具體位置。一旦發(fā)現(xiàn)糧情異常，如遇高溫天氣時(shí)，自動(dòng)通過風(fēng)機(jī)降溫通風(fēng)。各設(shè)備之間采用無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相比于有線方案，傳感器的安裝位置不受環(huán)境因素制約，可按照實(shí)際需要，在無線信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)任意位置部署，針對(duì)一些特殊環(huán)境下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可靈活增減傳感器的數(shù)量。 　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)，通過對(duì)糧食溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集到的溫度數(shù)據(jù)以無線通信的形式，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)測(cè)，提升了倉儲(chǔ)糧食的管理水平。 
　　2.3 系統(tǒng)特點(diǎn) 
　　糧食收儲(chǔ)單位大多位于較偏遠(yuǎn)地區(qū)。若采用傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)方式，大量使用的電纜會(huì)引入電磁干擾，從而降低信噪比[10]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將數(shù)目繁多的溫濕度傳感器用無線自組織網(wǎng)絡(luò)確定連接關(guān)系，從而組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)，通過無線通訊方式實(shí)現(xiàn)倉與倉、倉與控制中心之間數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)軟硬件之間兼容性非常好，可避免因通訊線路不暢或電腦損壞造成不能檢測(cè)糧情的問題，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，造價(jià)低，無需電纜連接，省掉大量繁雜的電纜布線工作，大大提高糧庫管理的靈活性，維護(hù)操作簡(jiǎn)單，不影響進(jìn)出庫、殺蟲作業(yè)等工作，大大減少雷擊的機(jī)會(huì)，抗干擾、抗雷擊能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，設(shè)備抗熏蒸效果好。設(shè)備間可自由互換，故障隔離效果好，如出現(xiàn)某一故障點(diǎn)，不影響其他設(shè)備正常工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活多樣，適合各種大、中、小型糧庫，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）不但可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，而且可實(shí)時(shí)將信息通過無線的方式發(fā)送給用戶[11]。這樣減輕了管理人員的工作強(qiáng)度，加快了決策效率。 
　　3 糧情測(cè)控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)結(jié)語 
　　糧食安全是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略大事，科學(xué)保糧具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值[12]。在我國(guó)糧食產(chǎn)量逐年遞增的情況下，國(guó)家對(duì)于糧食品質(zhì)和存儲(chǔ)安全提出了越來越高的要求。在糧食流通環(huán)節(jié)中，存儲(chǔ)管理是保證糧食安全的重要環(huán)節(jié)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧情測(cè)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)糧食存儲(chǔ)的實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)糧食溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到糧食霉變的早期預(yù)防和科學(xué)保糧的目的。系統(tǒng)對(duì)采集到的大量溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)與分析，既提升了糧食存儲(chǔ)與管理的水平，又為今后探索糧食溫度變化與季節(jié)、氣候、存儲(chǔ)工藝、糧食質(zhì)量等諸多因素的關(guān)系打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 
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