基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張德超

（吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 長春卷煙廠，吉林 長春 130031）

0 引言

隨著新能源、無線通訊、微電子等行業(yè)技術(shù)的更新迭代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等領(lǐng)域大量應(yīng)用，有效推動(dòng)了行業(yè)的智能化發(fā)展，從而提高了行業(yè)效率、效益。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也越來越多的應(yīng)用在煙草行業(yè)，如貨物的出入庫掃描、加料防差錯(cuò)掃描識(shí)別以及環(huán)境監(jiān)測等[1]。

目前對(duì)于國內(nèi)的煙草行業(yè)，大部分還在沿用傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)管理方式，環(huán)境溫度、濕度以及PM濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)需要人工抄報(bào)，不僅時(shí)效性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集頻率低，還容易出現(xiàn)抄報(bào)錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)缺失的問題[2]。近年來國內(nèi)各省煙草公司更加注重生產(chǎn)技術(shù)革新，積極研究并改善煙草倉儲(chǔ)管理技術(shù)，從而保證煙草質(zhì)量、降低人力物力損耗，提高倉儲(chǔ)智能化管理水平。當(dāng)前，越來越多成型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)被應(yīng)用到煙草的倉儲(chǔ)管理體系中，本方案立足于傳統(tǒng)的倉儲(chǔ)系統(tǒng)，尋求更新技術(shù)方案，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更完善、成本更低的倉儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 倉庫中溫濕度情況分析

1.1 溫度對(duì)卷煙的影響

在成煙和煙葉的倉儲(chǔ)管理中，氣溫是影響煙草質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，不僅能直接影響卷煙的安全儲(chǔ)存，而且還能對(duì)環(huán)境的相對(duì)濕度產(chǎn)生影響并最終影響卷煙的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）對(duì)相對(duì)濕度的影響導(dǎo)致的質(zhì)量變化。如圖1為氣溫與飽和水汽壓關(guān)系曲線，由于：

圖1 氣溫與飽和水汽壓關(guān)系曲線

因此絕對(duì)濕度不變的情況下，溫度越高，相對(duì)濕度越小，卷煙的水分也會(huì)更容易揮發(fā)，反之則更容易受潮。

（2）對(duì)卷煙造成的直接影響。由于卷煙中包含其固有的以及人工添加的酯類、酮類等香味物質(zhì)，這類物質(zhì)容易在空氣中揮發(fā)，溫度越高時(shí)，這種揮發(fā)作用就會(huì)越強(qiáng)。另一方面，卷煙儲(chǔ)存過程中易產(chǎn)生霉菌，當(dāng)溫度越高時(shí)，霉菌的活性也就越強(qiáng)，霉變也就更容易擴(kuò)散。

1.2 濕度對(duì)卷煙的影響

由于煙葉表面是具有毛細(xì)管現(xiàn)象的多孔膠質(zhì)體，并且含有可溶性糖分、有機(jī)酸等，并且本身含有一定的水分，因此卷煙具有很強(qiáng)的吸濕性，煙葉與空氣接觸時(shí)內(nèi)部水分容易隨著空氣中相對(duì)濕度的變化而產(chǎn)生蒸發(fā)或吸附[3]。因此相對(duì)濕度是卷煙倉儲(chǔ)管理中的關(guān)鍵參數(shù)，相對(duì)濕度過高時(shí)，與空氣接觸的卷煙水分增加即發(fā)生受潮現(xiàn)象，反之則水分減少。由于包含糖分卷煙在受潮后極易產(chǎn)生霉變，而且潮濕和霉變具有一定的傳導(dǎo)性：即水分多的向水分少的部分導(dǎo)濕；霉變的向沒有霉變的傳染，且溫度越高，水分子及霉菌活動(dòng)愈強(qiáng)，傳導(dǎo)速度愈快。

1.3 設(shè)計(jì)思想

庫房的溫濕度對(duì)于卷煙的安全儲(chǔ)存有著密切關(guān)系，目前各煙草企業(yè)倉庫主要采用通風(fēng)驅(qū)熱、密封保濕以及機(jī)械制冷等方法來控制卷煙倉庫的溫濕度，然而歸根結(jié)底都要有原始的溫濕度記錄，目的在于觀察、掌握其變化規(guī)律，利用現(xiàn)有的條件制造一個(gè)區(qū)域性的人工氣候環(huán)境，達(dá)到理想的溫濕度范圍以滿足卷煙的安全儲(chǔ)存條件。而目前倉庫都是采用人工觀測溫濕度表記錄的方法，然后再開啟空氣調(diào)節(jié)和濕度調(diào)節(jié)設(shè)備等工作方法，溫濕度管理工作的精細(xì)度存在一些的管理漏洞，因此開發(fā)設(shè)計(jì)一套倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將溫濕度自動(dòng)化監(jiān)控與預(yù)警應(yīng)用到卷煙倉儲(chǔ)區(qū)管理中，重點(diǎn)解決減少卷煙霉變、減少現(xiàn)階段人工抄報(bào)實(shí)效性不強(qiáng)、節(jié)假日期間管控缺失且隨機(jī)差錯(cuò)難以避免等問題，運(yùn)用溫濕度傳感采集器為工具，利用相關(guān)設(shè)備和信息化技術(shù)全面提高溫濕度監(jiān)控管理水平。

2 總體設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有倉庫環(huán)境和實(shí)際情況，構(gòu)建倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）安裝溫濕度傳感器結(jié)合低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳替代人工抄報(bào)工作，將數(shù)據(jù)采集提升為7×24小時(shí)全天候自動(dòng)采集；

（2）通過實(shí)時(shí)采集倉儲(chǔ)庫房中環(huán)境溫濕度，形成實(shí)時(shí)趨勢，同時(shí)隨著時(shí)間的推移，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成巨大的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)可以作為的追溯數(shù)據(jù)，為了提升煙葉質(zhì)量，這些數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生更大的價(jià)值和意義，它作為大數(shù)據(jù)分析原始數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）利用數(shù)據(jù)接口向其它信息平臺(tái)如MES、中控系統(tǒng)提供倉庫溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫對(duì)接。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

首先考慮到布線成本和安裝靈活性，本方案選擇采用電池供電結(jié)合無線信號(hào)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為了降低功耗及基站成本，擬采用低功耗廣域網(wǎng)通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，LoRa和NB-IoT是目前最具發(fā)展前景的兩個(gè)低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)[4]，滿足物聯(lián)網(wǎng)無線應(yīng)用方案的長距離和低功耗要求，其中NB-IoT采用運(yùn)營商的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連入以太網(wǎng)，每臺(tái)無線終端單獨(dú)接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集集成。LoRa也是一種低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)，它使用非授權(quán)免費(fèi)頻段，擁有更高的傳輸距離，利用LoRa搭建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)需要一個(gè)基于LoraWan協(xié)議的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)與終端傳感器節(jié)點(diǎn)通訊以及連入以太網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器進(jìn)行通訊，所有網(wǎng)絡(luò)及基站由企業(yè)自建，其用戶數(shù)據(jù)既能在內(nèi)網(wǎng)上傳輸，也可接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理。

經(jīng)調(diào)研分析LoRa與NB-IoT的主要對(duì)比見表1。

表1 LoRa與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

由于溫濕度的測量對(duì)傳輸速率要求不高，并且考慮信息安全及運(yùn)維成本，選擇LoRa網(wǎng)絡(luò)作為倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，對(duì)于LoRa的硬件選擇，市面上有成熟可供二次開發(fā)的相應(yīng)產(chǎn)品，經(jīng)過實(shí)地考察測量，選用Lo-Ra高功率版本，網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍理論10km，支持40臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)，終端傳感器節(jié)點(diǎn)選用3km版本，電池在5min上傳一次數(shù)據(jù)情況下理論上可使用1年左右，見圖2。

圖2 基于Lora網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測硬件

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)與交互邏輯

LoRa網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)。其組網(wǎng)方式，見圖3。Lora溫濕度傳感器終端通過無線方式接入LoraWan網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接入數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)溫濕度儀器數(shù)據(jù)的采集，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，同時(shí)為客戶端和手持設(shè)備提供系統(tǒng)權(quán)限、數(shù)據(jù)分析、頁面展示等相關(guān)服務(wù)。

圖3 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與數(shù)據(jù)管理程序相結(jié)合的方式，其中數(shù)據(jù)采集服務(wù)實(shí)時(shí)采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)管理程序?qū)崿F(xiàn)主要的業(yè)務(wù)功能，包括設(shè)備管理維護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3.3.1 設(shè)備維護(hù)

在環(huán)境數(shù)據(jù)管理程序中，對(duì)環(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備以及基站進(jìn)行管理維護(hù)，見圖4，用戶可對(duì)設(shè)備類型、IP地址、端口號(hào)、設(shè)備描述和位置信息等檢測儀器的基礎(chǔ)信息進(jìn)行查看、新增、更新和導(dǎo)入導(dǎo)出等操作，并查看設(shè)備連接狀態(tài)，報(bào)告異常情況。

圖4 設(shè)備管理界面

3.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

如圖5所示，用戶可對(duì)各個(gè)區(qū)域的溫濕度信息進(jìn)行查看，區(qū)域1為設(shè)備的詳情信息，包括位置信息、網(wǎng)絡(luò)信息、連接信息以及實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，區(qū)域2為實(shí)時(shí)的報(bào)警信息，區(qū)域3和區(qū)域4分別為溫度和濕度的實(shí)時(shí)信息。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示界面

3.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

如圖6所示為溫濕度統(tǒng)計(jì)分析界面，可用于溫濕度實(shí)時(shí)趨勢的展示，同時(shí)可根據(jù)用戶選擇的時(shí)間區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并形成報(bào)表。同時(shí)可導(dǎo)出各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫濕度歷史數(shù)據(jù)，以供用戶進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖6 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在煙草倉庫部署基于Lora無線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度傳感器，分別采集倉庫不同區(qū)域的溫濕度，并部署無線網(wǎng)關(guān)采集溫濕度節(jié)點(diǎn)報(bào)文，使用數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)倉庫所有節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總以及進(jìn)一步的展示、報(bào)警等，相比于其它溫濕度監(jiān)測方案，該系統(tǒng)不僅在硬件及部署成本上有較大優(yōu)勢，而且在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)簡便、功能齊全，有利于提高倉儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)控管理水平，降低人工成本。