基于WSN的農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉南星　劉婷

摘要采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一。其一方面能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)國家對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)業(yè)現(xiàn)代化、高效化、個(gè)性化、精細(xì)化的要求，另一方面還能夠拓展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的市場應(yīng)用需求，最終達(dá)到雙贏的目的。首先總結(jié)了倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)的意義和業(yè)務(wù)，然后分析了Wi-Fi技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)的3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，最后給出了農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)并詳細(xì)描述了架構(gòu)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成及功能。該系統(tǒng)最終能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控和農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備監(jiān)控的功能，并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)作業(yè)設(shè)備維護(hù)管理提供信息依據(jù)。

關(guān)鍵詞農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)S126；TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）12-03678-03

基金項(xiàng)目北京高校物流技術(shù)工程研究中心項(xiàng)目（BJLE2010）；北京市教育委員會(huì)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（KM201310037002）；北京市教委科研計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201410037001）。

作者簡介劉南星（1990- ），女，湖北黃石人，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)測量與控制。

傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)對(duì)環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控采用的方法主要有人工定點(diǎn)巡檢和連續(xù)在線監(jiān)控兩種[1]。傳統(tǒng)方法存在人力成本高、效率低下、數(shù)據(jù)誤差大、記錄方式落后、布線復(fù)雜、建設(shè)和維護(hù)成本高、不易擴(kuò)展等缺陷。鑒于這些不足，筆者通過分析Wi-Fi無線通信技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)監(jiān)控中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi的農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以環(huán)境和設(shè)備為監(jiān)控對(duì)象，實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境信息和作業(yè)設(shè)備工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、緊急報(bào)警等多項(xiàng)功能，同時(shí)管理者可以在監(jiān)控中心或通過移動(dòng)終端了解現(xiàn)場信息，發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)維護(hù)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全。

1農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控

1.1環(huán)境監(jiān)控倉庫儲(chǔ)存的各類貨品常因溫濕度等環(huán)境因素的影響而發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象，這些不僅造成不必要的財(cái)物損失，而且增加貨品維護(hù)成本，所以為保證貨品的安全保養(yǎng)，需要對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并配合各種調(diào)節(jié)手段保持最佳的環(huán)境狀況。因此該系統(tǒng)業(yè)務(wù)之一就是利用各種傳感器對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等表征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、記錄、計(jì)算、報(bào)警等，以達(dá)到對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)運(yùn)行環(huán)境安全狀況的監(jiān)控和為改善農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)作業(yè)環(huán)境提供歷史分析數(shù)據(jù)的目的。

1.2作業(yè)設(shè)備監(jiān)控在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)作業(yè)中，由于物流設(shè)備的損壞而導(dǎo)致的安全隱患是不容小覷的，如傳送帶摩擦系數(shù)降低、起重設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減慢等情況，輕則降低農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)作業(yè)效率，重則可能使設(shè)備連續(xù)承受高電壓、強(qiáng)電流或是磨損漏電而帶來火災(zāi)、爆炸、人員傷亡等重大事故。因此，該系統(tǒng)其業(yè)務(wù)之二就是通過對(duì)作業(yè)設(shè)備的工作電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等表征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄，掌握其運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)異常情況及時(shí)作出報(bào)警和處理[2]。

2基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)監(jiān)控中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Wi-Fi技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)滿足了設(shè)計(jì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)方面要求，如下分析。

2.1滿足農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求首先，倉庫多建筑結(jié)構(gòu)要求安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能方便快速地搭建起來，以適應(yīng)不同種類倉庫的建筑特點(diǎn)；其次，對(duì)于地下型和露天型這類現(xiàn)場環(huán)境較復(fù)雜、多變、惡劣的倉庫，還要求網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好；而對(duì)于立體型倉庫，其監(jiān)控節(jié)點(diǎn)位于高層貨架上，分布較廣，要求網(wǎng)絡(luò)要在橫向和縱向上都能全面覆蓋[3]。最新Wi-Fi通信半徑達(dá)300 m，在封閉式倉庫中通信半徑可達(dá)100 m左右，只要合理布局無線AP接入點(diǎn)，就可以使整個(gè)倉庫覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，甚至可實(shí)現(xiàn)多個(gè)倉庫集中聯(lián)網(wǎng)，減少網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)[4]。

2.2適應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)為全面反映農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境和設(shè)備狀況，要求系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)多，輸出數(shù)據(jù)量大。Wi-Fi最大的優(yōu)勢(shì)在于傳輸數(shù)據(jù)快，傳輸數(shù)據(jù)遠(yuǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)還具有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的特點(diǎn)，Wi-Fi技術(shù)由于其可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋，所以受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的影響較小?！禬i-Fi中多AP間快速切換的研究與實(shí)現(xiàn)》[5]介紹了一種Wi-Fi中多AP間快速切換的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，可以保證移動(dòng)終端在移動(dòng)過程快速無縫接入網(wǎng)絡(luò)，避免通信斷點(diǎn)，保障了用戶的QoS。

2.3降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建成本在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接能有效利用已有的有線局域網(wǎng)資源，無需布線，只需安裝1個(gè)或多個(gè)無線AP設(shè)備就可以解決區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

綜上所述，Wi-Fi無線通信技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)中極具優(yōu)勢(shì)，特別是其中工作在5 GHz頻段的802.11ac協(xié)議，繞開了擁擠的免許可證2.4 GHz頻段，并提供向后兼容能力，其高速傳輸能力還能承載無線多媒體業(yè)務(wù)，將其用在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，在不久的將來還可以集成視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)的多方位智能化監(jiān)控管理。

3農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該研究提出的基于Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)采用的是3層閉環(huán)結(jié)構(gòu)模式，即感知層、傳輸層和監(jiān)控層，以上傳監(jiān)測信息下達(dá)控制信息的方式形成信息流回路，具體如圖1所示，主要包括4個(gè)部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、Wi-Fi無線接入AP、移動(dòng)終端、本地/遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)各部分功能如下。

3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)組成，并且無線通信方式采用Wi-Fi技術(shù)，其在農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)中主要按區(qū)域集中分布，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)無線接入節(jié)點(diǎn)AP。傳感器節(jié)點(diǎn)工作過程為：首先通過其板載傳感器對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境和工作設(shè)備的狀態(tài)變化量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并及時(shí)通過節(jié)點(diǎn)上的通信子系統(tǒng)向本地監(jiān)控中心發(fā)送相關(guān)信息和接收控制指令，最終節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制電路按下達(dá)的控制指令給調(diào)控裝置輸出控制信號(hào)。

3.2WiFi無線接入點(diǎn)AP在Infrastructure網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過無線接入點(diǎn)AP與現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)相連接，并采用擴(kuò)展服務(wù)集合（ESS）模式來延伸無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且每個(gè)AP的覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間確保有15%的重疊范圍。這樣便于無線設(shè)備在不同的蜂窩之間可以做無縫漫游，避免了無線設(shè)備在移動(dòng)過程時(shí)出現(xiàn)中斷正在通信的鏈路連接的現(xiàn)象。

3.3本地/遠(yuǎn)程監(jiān)控中心本地監(jiān)控中心是整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。它的功能主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形顯示管理、報(bào)表打印、統(tǒng)計(jì)分析、異常處理等。當(dāng)通過分析數(shù)據(jù)判斷出農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全出現(xiàn)異常情況時(shí)，監(jiān)控中心作出控制決策下達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，最終通過節(jié)點(diǎn)上功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)調(diào)控要求，所以它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息閉環(huán)的重要環(huán)節(jié)。此外，本地監(jiān)控中心還可以作為數(shù)據(jù)服務(wù)器通過C/S結(jié)構(gòu)模式將所有監(jiān)控信息和控制決策傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心獲取的信息可以是來自不同倉庫的本地監(jiān)控中心，從而對(duì)不同倉庫的多個(gè)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)信息進(jìn)行記錄、處理、對(duì)比和調(diào)控，進(jìn)而提升農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)之間的有效合作關(guān)系。

3.4移動(dòng)終端現(xiàn)場工作時(shí)還能夠利用移動(dòng)終端實(shí)時(shí)讀取倉庫環(huán)境信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。其工作流程：本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用C/S結(jié)構(gòu)允許權(quán)限內(nèi)的外部客戶端訪問其獲取的監(jiān)控信息；處于現(xiàn)場的并擁有訪問權(quán)限的移動(dòng)終端設(shè)備在Wi-Fi的環(huán)境上獲得上網(wǎng)功能后登陸客戶端監(jiān)控應(yīng)用軟件，并向監(jiān)控中心的應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送訪問數(shù)據(jù)請(qǐng)求；接著收到請(qǐng)求的本地或者遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器通過中間件將訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成可訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器的專用語言并提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)；最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)頁并通過應(yīng)用服務(wù)器返送給移動(dòng)終端，如此使得現(xiàn)場或者非現(xiàn)場工作人員均能隨時(shí)隨地清楚動(dòng)態(tài)地掌握農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)的安全信息。

總之，該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，通過Wi-Fi與本地監(jiān)控中心和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)無線通信。監(jiān)測信息在本地監(jiān)控中心進(jìn)行匯總、分類、處理等操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)一方面上傳至遠(yuǎn)程控制中心，另一方面得出控制信息再下傳至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是WSN的核心元素，感知、處理和通信都是通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的。圖2給出了農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括環(huán)境傳感子系統(tǒng)、設(shè)備傳感子系統(tǒng)、處理器、Wi-Fi通信子系統(tǒng)、擴(kuò)展電路、電源子系統(tǒng)等。Wi-Fi通信子系統(tǒng)和傳感子系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，前者是實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端設(shè)備和無線接入節(jié)點(diǎn)雙向通信的關(guān)鍵步驟。后者設(shè)計(jì)的功能可分為兩部分。

4.1用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)室內(nèi)溫濕度、光照度、空氣含氧量這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括板載各類環(huán)境傳感器及調(diào)理電路、微控制器、Wi-Fi無線通信模塊等部分。節(jié)點(diǎn)通過MPU控制周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)，還可按需對(duì)環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)設(shè)置限值以及設(shè)置讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)周期。當(dāng)測得數(shù)據(jù)大于限值時(shí)可啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)中的LED燈則可以顯示危險(xiǎn)等級(jí)。節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊無線傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控中心以及移動(dòng)終端上。

4.2用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)設(shè)備監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)上的環(huán)境傳感子系統(tǒng)和設(shè)備傳感子系統(tǒng)中的AD、DI通道可以完成設(shè)備環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)信息的采集工作。該類節(jié)點(diǎn)一般安裝到各個(gè)被監(jiān)控設(shè)備上，通過設(shè)備上電壓互感器和電流互感器經(jīng)運(yùn)算放大器放大、整流、濾波后送至節(jié)點(diǎn)上設(shè)備傳感子系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器收集電壓電流信號(hào)，因?yàn)橛须妷弘娏鲀蓚€(gè)信號(hào)，所以AD和DI通道都設(shè)置為兩個(gè)。

圖2Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成除上述幾個(gè)子系統(tǒng)外，還有一個(gè)擴(kuò)展電路和電源子系統(tǒng)。擴(kuò)展電路可選觸摸顯示屏、鍵盤和USB接口模塊，靈活增加人機(jī)交互方式。功率驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)調(diào)控裝置聯(lián)動(dòng)的橋梁。調(diào)控裝置如圖2所示，包括通風(fēng)設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、電源通斷控制器等。微控制器從監(jiān)控中心獲得反饋信號(hào)主要是用來調(diào)節(jié)通風(fēng)、空調(diào)等設(shè)備的內(nèi)部變頻器的頻率，從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到溫濕度和空氣質(zhì)量調(diào)控的目的。擴(kuò)展電路上的現(xiàn)場總線擴(kuò)展接口可用于與其他設(shè)備通信聯(lián)網(wǎng)。電源子系統(tǒng)給節(jié)點(diǎn)硬件提供穩(wěn)定可靠的電壓，并依據(jù)不同的情況選擇干電池供電或者有線持續(xù)供電方式。

5結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅能使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全面感知、可靠傳送和智能處理的優(yōu)勢(shì)得到良好的應(yīng)用，未來還可以考慮與農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)管理信息系統(tǒng)及農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)相集成，在信息充分共享的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)作業(yè)管理、設(shè)備自動(dòng)控制和安全監(jiān)控一體化的管理，進(jìn)而使農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)管理與農(nóng)產(chǎn)品倉儲(chǔ)監(jiān)控得到雙重優(yōu)化，綜合提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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