基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)設計

　糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)摘要 針對我國糧食存儲的實際，將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用在糧食存儲領域，探索了物聯(lián)網(wǎng)技術在糧食倉儲領域的應用模式，以無線網(wǎng)絡與智能感知技術為核心，在不改變現(xiàn)有糧食存儲與管理方式的基礎上，爭取提供一種完整的適用于糧食存儲的糧情測控系統(tǒng)解決方案。 

　　關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡；糧情測控；溫度；濕度；傳感器節(jié)點  糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)
　　中圖分類號 F325.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2013）10-0339-02 
　　作為一個農(nóng)業(yè)大國，糧食生產(chǎn)和儲備至關重要[1]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和糧食儲備的日益增加，大型糧食儲備庫的建設對糧情測控技術也提出了越來越高的要求。糧情監(jiān)測是儲備庫中防止糧食霉爛、保質存放的重要環(huán)節(jié)。我國糧食生產(chǎn)、需求與儲備量都很大，大量糧食在儲備的過程中常因糧食濕度過大而升溫發(fā)熱，導致大量糧食腐爛變質，給國家?guī)砭薮髶p失。基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)，不需要有線網(wǎng)絡的支持，倉庫安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可維護性好，可動態(tài)監(jiān)測倉庫糧情變化情況，為糧食的儲藏安全提供了重要保障，糧庫管理自動化與智能化水平得到提高。 
　　1 糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)糧情測控系統(tǒng)概述 
　　利用電子技術和現(xiàn)代計算機技術對糧庫糧食的物理儲藏狀態(tài)及其他質量影響因素進行檢測、數(shù)據(jù)儲存與分析，并對通風、冷卻、熏蒸等儲糧技術設施進行適時控制的系統(tǒng)即為糧情測控系統(tǒng)[2]。其可根據(jù)儲備庫中糧食的溫濕度、蟲情、入倉時間、品種、倉型、熏蒸記錄等進行綜合分析，實現(xiàn)倉內(nèi)情況的動態(tài)管理，為科學安全儲糧提供和科學決策。根據(jù)其系統(tǒng)功能，可分為糧情檢測、糧情分析與糧情控制3個部分。 
　　1.1 糧情檢測 
　　適宜的溫度、濕度是保證糧食貯藏質量的2個基本條件，也是糧情檢測的重要參數(shù)[3]。通過糧情檢測，即將糧情傳感器上感應到的溫濕度變化情況通過分線器、測控分機、測控主機等反映到主控機房的計算機上，可使庫房保管人員隨時觀測糧堆內(nèi)的糧情變化，采取及時合理的處理措施，確保儲糧安全。 
　　1.2 糧情分析 
　　根據(jù)當前情況及歷史檢測數(shù)據(jù)，借助糧情分析數(shù)學模型，自動確定糧溫的正確走向及報警溫度閾限，并提出相應的處理建議，對倉庫保管人員預測及處理儲藏過程中有可能發(fā)生的問題提供借鑒，克服了人為因素對分析結論的影響，對于輔助決策意義重大。 
　　1.3 糧情控制 
　　糧情控制包括機械通風、環(huán)流熏蒸、谷物冷卻、生產(chǎn)過程控制。糧情測控系統(tǒng)是利用計算機、傳感器、通信等現(xiàn)代電子技術對糧食儲備中的糧情變化進行實時檢測，并將數(shù)據(jù)傳輸、存儲、分析預測報警、自動控制糧情設備運行的系統(tǒng)[4]。糧情測控系統(tǒng)要求具備以下功能：儲藏物理量檢測，具備檢測溫度、濕度指標功能；數(shù)據(jù)分析，能對檢測的數(shù)據(jù)進行分類，按糧溫、濕度等的變化規(guī)律，自動確定理論值，并與實測值進行差值、變化率、臨界點的分析，并自動找出異常點和異常值；系統(tǒng)報警，系統(tǒng)可以根據(jù)人工設定的界限或根據(jù)溫濕度變化規(guī)律模型分析得出報警點，通過屏幕顯示報警和打印；通風控制，簡易的可通過定溫定濕控制，較先進的可按不同的通風目的，自動運算、判斷和控制。 
　　2 糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)設計 
　　儲糧的主要物理參數(shù)是糧食的溫度、水分以及倉內(nèi)空氣的溫度、濕度[5]。由于糧食儲備庫的特殊環(huán)境條件，糧食出入庫時，傳感器模塊要拆卸和重新安裝，倉庫中存在有害氣體，容易腐蝕電子元器件，糧堆中損壞的傳感器不容易更換。而目前應用于糧食儲藏的糧食檢測系統(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)場總線、集散控制總線等，布線繁瑣，不利于系統(tǒng)布局變動和維護。而且需要在倉庫布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜，同時受到導線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大。而基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情監(jiān)測系統(tǒng)既降低了成本，而且布線簡單，抗雷電干擾，功耗低，組網(wǎng)靈活，安置和維護簡單，解決了之前有線方式及基于其他技術的無線網(wǎng)絡中存在的問題[6]。無線傳感器網(wǎng)絡可以很好地避免傳統(tǒng)糧食存儲測控系統(tǒng)存在的弊端，具有智能健壯、方便靈活、成本較小等優(yōu)點。基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)，在糧倉中均勻安置糧情參數(shù)無線傳感器監(jiān)測節(jié)點，糧情監(jiān)測節(jié)點負責接收來自糧倉主控節(jié)點的數(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)點發(fā)送到糧倉主控無線網(wǎng)關節(jié)點，具體分布如圖1所示。 
　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡簡介 
　　監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機分布的種類繁多的微型傳感器組成了無線傳感器網(wǎng)絡，簡稱WSN。其工作原理是低功耗微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式迅速自行組網(wǎng)，并對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種微觀環(huán)境信息進行感知、監(jiān)測、采集、分析，后將結果發(fā)送給觀察者[7]。無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)被視為互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大廣泛存在的網(wǎng)絡，其作為信息獲取的重要和常用的新技術，發(fā)展的越來越快，也越來越深入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域。 
　　2.2 系統(tǒng)結構 
　　為保證糧情數(shù)據(jù)實時、準確、穩(wěn)定傳輸，需要建立一個穩(wěn)定、合理的體系結構。在無線傳感器網(wǎng)絡中，維持良好的拓撲結構能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、時間同步和定位等提供，有利于延長整個網(wǎng)絡的壽命[8]。基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)是通過無線通訊信號將計算機、測控主機、測控分機、分線器和糧情傳感器等連結起來構成的，其主要系統(tǒng)結構如圖2所示。在糧庫總控室內(nèi)一臺或幾臺計算機上進行檢測，該計算機通過測控主機與現(xiàn)場檢測傳感器相連，或在糧庫辦公樓內(nèi)某個計算機局域網(wǎng)的任意一臺計算機上進行檢測，將糧情檢測系統(tǒng)當作一臺網(wǎng)絡服務設備。隨著計算機技術的廣泛應用，機械系統(tǒng)設計的理論、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)進行檢測，也可對糧食水分、蟲害、磷化氫氣體濃度等擴充糧情參數(shù)進行檢測。溫濕度傳感器接收糧情測控分機指令，直接輸出數(shù)字化的倉房外環(huán)境溫濕度和倉房內(nèi)上部空間溫濕度數(shù)據(jù)傳送到分機進行處理。水分傳感器通過開孔透氣的探桿將傳感器埋設在糧堆中，實時檢測糧堆位置的溫度、濕度和平衡水分，且檢測值與糧堆深度、糧食密度以及糧食雜質無關。在該系統(tǒng)運行過程中，通過對檢測結果的分析，判斷糧倉內(nèi)的糧食是否處于正常狀態(tài)，對糧倉中的糧食各溫度測點的溫度值和升溫趨勢進行分析報警，并給出報警點的具體位置。一旦發(fā)現(xiàn)糧情異常，如遇高溫天氣時，自動通過風機降溫通風。各設備之間采用無線的方式進行數(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，可按照實際需要，在無線信號的覆蓋范圍內(nèi)任意位置部署，針對一些特殊環(huán)境下的監(jiān)測點可靈活增減傳感器的數(shù)量。 　　基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)，通過對糧食溫度變化進行實時監(jiān)測，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)絡上傳到遠程服務器中，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時跟蹤與監(jiān)測，提升了倉儲糧食的管理水平。 
　　2.3 系統(tǒng)特點 
　　糧食收儲單位大多位于較偏遠地區(qū)。若采用傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)方式，大量使用的電纜會引入電磁干擾，從而降低信噪比[10]。而無線傳感器網(wǎng)絡是將數(shù)目繁多的溫濕度傳感器用無線自組織網(wǎng)絡確定連接關系，從而組成結構化的網(wǎng)絡。基于無線傳感器網(wǎng)絡的糧情測控系統(tǒng)，通過無線通訊方式實現(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糧情的問題，無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)設備抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸準確，造價低，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，維護操作簡單，不影響進出庫、殺蟲作業(yè)等工作，大大減少雷擊的機會，抗干擾、抗雷擊能力強，測量精度高，設備抗熏蒸效果好。設備間可自由互換，故障隔離效果好，如出現(xiàn)某一故障點，不影響其他設備正常工作，系統(tǒng)結構靈活多樣，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（WSN）不但可以實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象信息，并對這些信息進行處理，而且可實時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度，加快了決策效率。 
　　3 糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)結語 
　　糧食安全是關系國計民生的戰(zhàn)略大事，科學保糧具有重要的社會意義與經(jīng)濟價值[12]。在我國糧食產(chǎn)量逐年遞增的情況下，國家對于糧食品質和存儲安全提出了越來越高的要求。在糧食流通環(huán)節(jié)中，存儲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)絡的糧情測控系統(tǒng)，能夠根據(jù)糧食存儲的實際要求，實現(xiàn)糧食溫度的實時監(jiān)測，達到糧食霉變的早期預防和科學保糧的目的。系統(tǒng)對采集到的大量溫度數(shù)據(jù)進行匯總、統(tǒng)計與分析，既提升了糧食存儲與管理的水平，又為今后探索糧食溫度變化與季節(jié)、氣候、存儲工藝、糧食質量等諸多因素的關系打下了堅實的基礎。 
　　4 糧情測控系統(tǒng)/智能糧庫系統(tǒng)參考文獻 
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