基于無線傳感器網絡的糧情測控系統設計

　糧情測控系統/智能糧庫系統摘要 針對我國糧食存儲的實際，將無線傳感器網絡技術應用在糧食存儲領域，探索了物聯網技術在糧食倉儲領域的應用模式，以無線網絡與智能感知技術為核心，在不改變現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解決方案。 

　　關鍵詞 無線傳感器網絡；糧情測控；溫度；濕度；傳感器節點  糧情測控系統/智能糧庫系統
　　中圖分類號 F325.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2013）10-0339-02 
　　作為一個農業大國，糧食生產和儲備至關重要[1]。隨著我國經濟的快速發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。糧情監測是儲備庫中防止糧食霉爛、保質存放的重要環節。我國糧食生產、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熱，導致大量糧食腐爛變質，給國家帶來巨大損失。基于無線傳感器網絡的糧情測控系統，不需要有線網絡的支持，倉庫安裝簡單方便，系統穩定可靠，可維護性好，可動態監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/智能糧庫系統糧情測控系統概述 
　　利用電子技術和現代計算機技術對糧庫糧食的物理儲藏狀態及其他質量影響因素進行檢測、數據儲存與分析，并對通風、冷卻、熏蒸等儲糧技術設施進行適時控制的系統即為糧情測控系統[2]。其可根據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，實現倉內情況的動態管理，為科學安全儲糧提供和科學決策。根據其系統功能，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[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 
　　根據當前情況及歷史檢測數據，借助糧情分析數學模型，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、環流熏蒸、谷物冷卻、生產過程控制。糧情測控系統是利用計算機、傳感器、通信等現代電子技術對糧食儲備中的糧情變化進行實時檢測，并將數據傳輸、存儲、分析預測報警、自動控制糧情設備運行的系統[4]。糧情測控系統要求具備以下功能：儲藏物理量檢測，具備檢測溫度、濕度指標功能；數據分析，能對檢測的數據進行分類，按糧溫、濕度等的變化規律，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；系統報警，系統可以根據人工設定的界限或根據溫濕度變化規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/智能糧庫系統基于無線傳感器網絡的糧情測控系統設計 
　　儲糧的主要物理參數是糧食的溫度、水分以及倉內空氣的溫度、濕度[5]。由于糧食儲備庫的特殊環境條件，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，如現場總線、集散控制總線等，布線繁瑣，不利于系統布局變動和維護。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絡的糧情監測系統既降低了成本，而且布線簡單，抗雷電干擾，功耗低，組網靈活，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絡中存在的問題[6]。無線傳感器網絡可以很好地避免傳統糧食存儲測控系統存在的弊端，具有智能健壯、方便靈活、成本較小等優點。基于無線傳感器網絡的糧情測控系統，在糧倉中均勻安置糧情參數無線傳感器監測節點，糧情監測節點負責接收來自糧倉主控節點的數據采集指令，采集糧情參數，數據通過無線傳感器節點發送到糧倉主控無線網關節點，具體分布如圖1所示。 
　　2.1 無線傳感器網絡簡介 
　　監測區域內隨機分布的種類繁多的微型傳感器組成了無線傳感器網絡，簡稱WSN。其工作原理是低功耗微型傳感器節點通過無線通信方式迅速自行組網，并對監測區域內的各種微觀環境信息進行感知、監測、采集、分析，后將結果發送給觀察者[7]。無線傳感器網絡已經被視為互聯網之后的第二大廣泛存在的網絡，其作為信息獲取的重要和常用的新技術，發展的越來越快，也越來越深入到農業生產的各個領域。 
　　2.2 系統結構 
　　為保證糧情數據實時、準確、穩定傳輸，需要建立一個穩定、合理的體系結構。在無線傳感器網絡中，維持良好的拓撲結構能夠提高路由協議和MAC協議的效率，為網內數據處理、時間同步和定位等提供，有利于延長整個網絡的壽命[8]。基于無線傳感器網絡的糧情測控系統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，其主要系統結構如圖2所示。在糧庫總控室內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場檢測傳感器相連，或在糧庫辦公樓內某個計算機局域網的任意一臺計算機上進行檢測，將糧情檢測系統當作一臺網絡服務設備。隨著計算機技術的廣泛應用，機械系統設計的理論、方法和手段也隨之發生重大變革[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、糧倉內空間溫度和濕度、糧倉外環境溫度和濕度等基本糧情參數進行檢測，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，直接輸出數字化的倉房外環境溫濕度和倉房內上部空間溫濕度數據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。在該系統運行過程中，通過對檢測結果的分析，判斷糧倉內的糧食是否處于正常狀態，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。一旦發現糧情異常，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據傳輸，相比于有線方案，傳感器的安裝位置不受環境因素制約，可按照實際需要，在無線信號的覆蓋范圍內任意位置部署，針對一些特殊環境下的監測點可靈活增減傳感器的數量。 　　基于無線傳感器網絡的糧情測控系統，通過對糧食溫度變化進行實時監測，采集到的溫度數據以無線通信的形式，經無線傳感器網絡上傳到遠程服務器中，實現溫度數據的實時跟蹤與監測，提升了倉儲糧食的管理水平。 
　　2.3 系統特點 
　　糧食收儲單位大多位于較偏遠地區。若采用傳統的有線組網方式，大量使用的電纜會引入電磁干擾，從而降低信噪比[10]。而無線傳感器網絡是將數目繁多的溫濕度傳感器用無線自組織網絡確定連接關系，從而組成結構化的網絡。基于無線傳感器網絡的糧情測控系統，通過無線通訊方式實現倉與倉、倉與控制中心之間數據傳輸，系統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，無線網絡傳輸系統設備抗干擾能力強，數據傳輸準確，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，如出現某一故障點，不影響其他設備正常工作，系統結構靈活多樣，適合各種大、中、小型糧庫，提高了系統的可靠性和穩定性。無線傳感器網絡（WSN）不但可以實現實時監測、感知和采集網絡分布區域內監測對象信息，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/智能糧庫系統結語 
　　糧食安全是關系國計民生的戰略大事，科學保糧具有重要的社會意義與經濟價值[12]。在我國糧食產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。在糧食流通環節中，存儲管理是保證糧食安全的重要環節。基于無線傳感器網絡的糧情測控系統，能夠根據糧食存儲的實際要求，實現糧食溫度的實時監測，達到糧食霉變的早期預防和科學保糧的目的。系統對采集到的大量溫度數據進行匯總、統計與分析，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、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/智能糧庫系統參考文獻 
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