劉南星　劉婷

摘要采用基于無線傳感器網(wǎng)絡的倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一。其一方面能夠進一步實現(xiàn)國家對農(nóng)產(chǎn)品倉儲業(yè)現(xiàn)代化、高效化、個性化、精細化的要求，另一方面還能夠拓展無線傳感器網(wǎng)絡的市場應用需求，最終達到雙贏的目的。首先總結(jié)了倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)的意義和業(yè)務，然后分析了Wi-Fi技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)的3點優(yōu)勢，最后給出了農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)并詳細描述了架構(gòu)中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的構(gòu)成及功能。該系統(tǒng)最終能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(huán)境監(jiān)控和農(nóng)產(chǎn)品倉儲作業(yè)設(shè)備監(jiān)控的功能，并對農(nóng)產(chǎn)品倉儲作業(yè)設(shè)備維護管理提供信息依據(jù)。

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

中圖分類號S126；TP393文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03678-03

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

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

傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品倉儲對環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控采用的方法主要有人工定點巡檢和連續(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、布線復雜、建設(shè)和維護成本高、不易擴展等缺陷。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)品倉儲監(jiān)控中的優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于Wi-Fi的農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以環(huán)境和設(shè)備為監(jiān)控對象，實時監(jiān)測農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(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、緊急報警等多項功能，同時管理者可以在監(jiān)控中心或通過移動終端了解現(xiàn)場信息，發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時維護農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全。

1農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控

1.1環(huán)境監(jiān)控倉庫儲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物損失，而且增加貨品維護成本，所以為保證貨品的安全保養(yǎng)，需要對農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(huán)境變化進行實時監(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)務之一就是利用各種傳感器對農(nóng)產(chǎn)品倉儲溫度、濕度、光照度、空氣含氧量等表征參數(shù)進行實時測量、記錄、計算、報警等，以達到對農(nóng)產(chǎn)品倉儲運行環(huán)境安全狀況的監(jiān)控和為改善農(nóng)產(chǎn)品倉儲作業(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)品倉儲作業(yè)中，由于物流設(shè)備的損壞而導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)動機轉(zhuǎn)速減慢等情況，輕則降低農(nóng)產(chǎn)品倉儲作業(yè)效率，重則可能使設(shè)備連續(xù)承受高電壓、強電流或是磨損漏電而帶來火災、爆炸、人員傷亡等重大事故。因此，該系統(tǒng)其業(yè)務之二就是通過對作業(yè)設(shè)備的工作電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等表征參數(shù)的實時監(jiān)測、記錄，掌握其運行狀態(tài)并對異常情況及時作出報警和處理[2]。

2基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)產(chǎn)品倉儲監(jiān)控中的應用優(yōu)勢

Wi-Fi技術(shù)的獨特優(yōu)勢滿足了設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品倉儲監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡的3個方面要求，如下分析。

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

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

2.3降低系統(tǒng)網(wǎng)絡搭建成本在網(wǎng)絡建設(shè)方面，Wi-Fi網(wǎng)絡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個或多個無線AP設(shè)備就可以解決區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋問題，遠遠降低了網(wǎng)絡建設(shè)成本。

綜上所述，Wi-Fi無線通信技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)中極具優(yōu)勢，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，將其用在農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(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，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品倉儲的多方位智能化監(jiān)控管理。

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

該研究提出的基于Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(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個部分：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、Wi-Fi無線接入AP、移動終端、本地/遠程監(jiān)控中心。系統(tǒng)各部分功能如下。

3.1無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡由大量可以進行環(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)品倉儲中主要按區(qū)域集中分布，每個區(qū)域?qū)粋€無線接入節(jié)點AP。傳感器節(jié)點工作過程為：首先通過其板載傳感器對農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(huán)境和工作設(shè)備的狀態(tài)變化量進行實時測量并及時通過節(jié)點上的通信子系統(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)點驅(qū)動控制電路按下達的控制指令給調(diào)控裝置輸出控制信號。

3.2WiFi無線接入點AP在Infrastructure網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過無線接入點AP與現(xiàn)有的有線局域網(wǎng)相連接，并采用擴展服務集合（ESS）模式來延伸無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的覆蓋范圍，而且每個AP的覆蓋網(wǎng)絡之間確保有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)備在移動過程時出現(xiàn)中斷正在通信的鏈路連接的現(xiàn)象。

3.3本地/遠程監(jiān)控中心本地監(jiān)控中心是整個農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。它的功能主要包括數(shù)據(jù)存儲、圖形顯示管理、報表打印、統(tǒng)計分析、異常處理等。當通過分析數(shù)據(jù)判斷出農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)控中心作出控制決策下達到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，最終通過節(jié)點上功率驅(qū)動電路實現(xiàn)調(diào)控要求，所以它是實現(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程監(jiān)控中心，而遠程監(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，從而對不同倉庫的多個農(nóng)產(chǎn)品倉儲信息進行記錄、處理、對比和調(diào)控，進而提升農(nóng)產(chǎn)品倉儲之間的有效合作關(guān)系。

3.4移動終端現(xiàn)場工作時還能夠利用移動終端實時讀取倉庫環(huán)境信息和設(shè)備運行狀態(tài)。其工作流程：本地監(jiān)控中心和遠程監(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)控應用軟件，并向監(jiān)控中心的應用服務器發(fā)送訪問數(shù)據(jù)請求；接著收到請求的本地或者遠程應用服務器通過中間件將訪問請求轉(zhuǎn)換成可訪問數(shù)據(jù)服務器的專用語言并提取相應的數(shù)據(jù)；最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)頁并通過應用服務器返送給移動終端，如此使得現(xiàn)場或者非現(xiàn)場工作人員均能隨時隨地清楚動態(tài)地掌握農(nóng)產(chǎn)品倉儲的安全信息。

總之，該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，通過Wi-Fi與本地監(jiān)控中心和移動終端實現(xiàn)無線通信。監(jiān)測信息在本地監(jiān)控中心進行匯總、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。

4無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件構(gòu)成

無線傳感器節(jié)點是WSN的核心元素，感知、處理和通信都是通過節(jié)點進行的。圖2給出了農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點構(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)絡節(jié)點基本結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，前者是實現(xiàn)與移動終端設(shè)備和無線接入節(jié)點雙向通信的關(guān)鍵步驟。后者設(shè)計的功能可分為兩部分。

4.1用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲環(huán)境監(jiān)測針對農(nóng)產(chǎn)品倉儲室內(nèi)溫濕度、光照度、空氣含氧量這3個參數(shù)進行設(shè)計，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)點通過MPU控制周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)，還可按需對環(huán)境監(jiān)測節(jié)點采集的參數(shù)設(shè)置限值以及設(shè)置讀取節(jié)點數(shù)據(jù)周期。當測得數(shù)據(jù)大于限值時可啟動報警系統(tǒng)中的蜂鳴器發(fā)出報警信號，報警系統(tǒng)中的LED燈則可以顯示危險等級。節(jié)點儲存的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊無線傳輸?shù)奖镜乇O(jiān)控中心以及移動終端上。

4.2用于農(nóng)產(chǎn)品倉儲設(shè)備監(jiān)測無線傳感器節(jié)點上的環(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)和運行狀態(tài)信息的采集工作。該類節(jié)點一般安裝到各個被監(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)運算放大器放大、整流、濾波后送至節(jié)點上設(shè)備傳感子系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器收集電壓電流信號，因為有電壓電流兩個信號，所以AD和DI通道都設(shè)置為兩個。

圖2Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件構(gòu)成除上述幾個子系統(tǒng)外，還有一個擴展電路和電源子系統(tǒng)。擴展電路可選觸摸顯示屏、鍵盤和USB接口模塊，靈活增加人機交互方式。功率驅(qū)動電路是實現(xiàn)調(diào)控裝置聯(lián)動的橋梁。調(diào)控裝置如圖2所示，包括通風設(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主要是用來調(diào)節(jié)通風、空調(diào)等設(shè)備的內(nèi)部變頻器的頻率，從而改變風機的轉(zhuǎn)速，達到溫濕度和空氣質(zhì)量調(diào)控的目的。擴展電路上的現(xiàn)場總線擴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)絡的農(nóng)產(chǎn)品倉儲安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅能使無線傳感器網(wǎng)絡的全面感知、可靠傳送和智能處理的優(yōu)勢得到良好的應用，未來還可以考慮與農(nóng)產(chǎn)品倉儲管理信息系統(tǒng)及農(nóng)產(chǎn)品倉儲自動控制系統(tǒng)相集成，在信息充分共享的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)作業(yè)管理、設(shè)備自動控制和安全監(jiān)控一體化的管理，進而使農(nóng)產(chǎn)品倉儲管理與農(nóng)產(chǎn)品倉儲監(jiān)控得到雙重優(yōu)化，綜合提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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