（北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149）

1 引言

倉儲安全管理在倉儲管理甚至在整個物流系統(tǒng)中都占有十分重要的地位。防潮、防腐、防霉、防爆等工作是倉儲安全日常管理的重要內(nèi)容，直接影響儲存貨物的質(zhì)量和使用壽命。倉儲環(huán)境監(jiān)測是倉儲安全管理的重要組成部分，是保證倉儲貨物安全和倉儲系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵。針對各類貨物對倉儲環(huán)境的不同要求，維持適宜的存儲環(huán)境，保證倉儲貨物的質(zhì)量，從而最大限度地減少損耗、節(jié)約成本。隨著蔬菜、水果、藥品等溫濕度敏感性貨物以及危險品等特種貨物物流的發(fā)展，倉儲環(huán)境監(jiān)測的重要性日益提高。

2 倉儲環(huán)境監(jiān)測的重要性及關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 倉儲環(huán)境監(jiān)測的重要性

隨著物流業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對物流服務(wù)提出了更高更急迫的要求，許多企業(yè)對倉儲服務(wù)提出了個性化的需求。例如商場和超市要求針對貨物特點，對倉庫實現(xiàn)溫濕度分區(qū)管理和控制；乳制品企業(yè)要在原料和奶制品的倉儲過程中對溫度進行嚴(yán)格控制；煙草行業(yè)要對原料及成品倉儲環(huán)境的溫濕度進行嚴(yán)格控制；果品對環(huán)境的溫濕度及二氧化碳、乙烯等氣體濃度敏感，需要對倉儲環(huán)境進行較為嚴(yán)格地控制。這些個性化的需求在給物流行業(yè)帶來更多發(fā)展機遇的同時，也對倉儲環(huán)境的實時監(jiān)控和庫存安全管理提出了挑戰(zhàn)。所以，保證倉庫安全和貨物質(zhì)量是倉儲管理的一個重要部分，倉儲環(huán)境實時監(jiān)測是倉儲管理的關(guān)鍵。

倉儲環(huán)境監(jiān)測是指對食品、農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)品、工業(yè)設(shè)備等物品存儲倉庫的監(jiān)測管理，是供應(yīng)鏈中非常重要的管理環(huán)節(jié)[1]。倉儲環(huán)境監(jiān)測的主要目的為及時獲取反映倉庫環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的準(zhǔn)確全面的數(shù)據(jù)，科學(xué)地指導(dǎo)倉庫環(huán)境調(diào)控以及貨物管理等。對倉儲環(huán)境進行有效監(jiān)測不僅可以保證存放貨物的質(zhì)量，延長貨物的使用壽命，還能防止貨物變質(zhì)和損壞造成的環(huán)境污染，對整個物流系統(tǒng)和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

2.2 倉儲環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)分析

倉儲環(huán)境參數(shù)可反映倉儲環(huán)境的狀態(tài)。影響倉儲環(huán)境的參數(shù)主要有溫度和濕度、光照度、氣體濃度、粉塵和煙塵等[2]。

大多貨物在儲存過程中對倉庫環(huán)境都要求很高，尤其要嚴(yán)格控制溫度和濕度的變化；粉塵遇明火極易爆炸，直接威脅倉儲安全；煙塵主要由燃燒物產(chǎn)生。此外，光照強度、空氣流速以及空氣pH值等參數(shù)也會影響部分貨物的存儲質(zhì)量。

2.2.1 溫度和濕度。在倉儲環(huán)境中，溫度和濕度是較為常見的環(huán)境參數(shù)，其變化直接影響著存儲貨物的性質(zhì)。不同類別的貨物擁有不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此對溫濕度的適應(yīng)性也就不同。

（1）溫度。普通貨物的一般存儲溫度為25℃左右，現(xiàn)有常溫庫的溫度在0～30℃之間，所以大多貨物都可以在常溫庫中存放。此外，某些貨物對其所處環(huán)境的空氣溫度要求非常嚴(yán)格。典型的溫度敏感性產(chǎn)品有生鮮食品、乳制品、疫苗以及藥品等。為確保產(chǎn)品質(zhì)量安全，在生產(chǎn)、貯藏、運輸、銷售等各個環(huán)節(jié)中，必須始終處于規(guī)定的溫度環(huán)境下。

（2）濕度?？諝鉂穸瓤捎媒^對濕度、飽和濕度、相對濕度、露點濕度等四種方法表示，其中最常用的是空氣相對濕度。相對濕度是指一定溫度條件下空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，相對濕度越大，表示距離飽和狀態(tài)越接近，空氣越潮濕，水分越不易蒸發(fā)。

空氣濕度受空氣溫度的影響很大，當(dāng)溫度不斷上升時，潮濕的空氣會變得越來越干燥。同一倉庫內(nèi)，向陽面及倉庫上部溫度較高，相對濕度偏低；背陽面及倉庫近地面處溫度較低，相對濕度則偏高。對空氣濕度敏感度不同的貨物進行入庫操作時，需將其存放于倉庫中的適宜位置。

2.2.2 光照度。光照度表示被照射主體表面在單位面積上所受到的光通量。在倉儲環(huán)境中，光照度對貨物的存儲有積極的影響，也存在著消極影響。性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，在光照條件下易分解并導(dǎo)致變質(zhì)，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量和可能的可燃性氣體會引發(fā)安全事故。同時，日光又影響很多微生物地生長，霉腐微生物可致食品、工業(yè)制品等發(fā)生霉變和腐爛，嚴(yán)重影響貨物的倉儲安全。此類微生物在日光直射下1-4小時即可死亡，因此易發(fā)生霉腐的貨物應(yīng)儲存在光照度較好的環(huán)境中。

2.2.3 氣體濃度。各類氣體的含量和環(huán)境狀況好壞有密切關(guān)系，不同種類氣體的濃度是倉儲環(huán)境監(jiān)控的重要參數(shù)，主要包括氧氣、二氧化碳、二氧化硫、乙烯和各種有害氣體的濃度監(jiān)控。其中，氧氣和二氧化碳的濃度影響維持有機物自身生命活動的代謝過程，是倉儲氣體濃度監(jiān)測的重點；除此之外，二氧化硫等有毒氣體和具有催熟作用的乙烯的氣體濃度也是倉儲安全的重要監(jiān)測參數(shù)。

2.2.4 粉塵和煙塵。在大氣中粉塵的存在是不可避免的，然而粉塵會對貨物產(chǎn)生不利影響，在一定空間內(nèi)遇到明火極易發(fā)生爆炸。儲存在被粉碎后的物質(zhì)顆粒表面的能量稱為表面能[2]。表面能的大小與物質(zhì)的粉碎程度成正比，被粉碎的程度越大，表面能就越大。粉塵顆粒非常小，具有極高的表面能，易發(fā)生物理或化學(xué)變化。粉塵與空氣充分混合后，遇到適宜的條件，會在瞬間發(fā)生爆炸，釋放出巨大的能量。因此，對倉儲環(huán)境中粉塵和煙塵地監(jiān)控，增加環(huán)境預(yù)警功能，能夠有效地控制災(zāi)難事件發(fā)生。

根據(jù)倉儲環(huán)境中所儲藏貨物的不同，應(yīng)具體制定不同的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要求，對影響倉儲環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控，并對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲與分析。在出現(xiàn)異常參數(shù)信息時產(chǎn)生報警通知相關(guān)人員，以便及時采取必要的措施。

3 倉儲環(huán)境監(jiān)測的國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的倉儲環(huán)境監(jiān)測主要依靠人工，利用溫度計、濕度計或濕度試紙、壓力計等探測裝置對環(huán)境參數(shù)進行測量，并且不定時查看、記錄倉庫各環(huán)境參數(shù)值。通過分析監(jiān)測結(jié)果，采用人工調(diào)節(jié)控制方法，對不符合環(huán)境要求的庫房進行換氣、通風(fēng)、去濕和降溫等。

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)采用有線方式構(gòu)建的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在某個監(jiān)測區(qū)域布置固定的監(jiān)測點,通過有線通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給控制中心。韓慧設(shè)計了基于RS-485總線的溫室環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測溫度、濕度以及CO2濃度等多個參數(shù)，采用RS-485總線式通信網(wǎng)絡(luò)進行各環(huán)境參數(shù)值實時傳輸，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]；白云州設(shè)計了由環(huán)境參數(shù)采集端和監(jiān)控中心兩部分組成的基于W5100的網(wǎng)絡(luò)化溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，客戶端將遠(yuǎn)程的實時環(huán)境信息通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心的軟件能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進行處理、顯示和分析[4]；張曉東設(shè)計了一種基于ARM微處理器和CAN總線的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測傳感器對糧食倉儲環(huán)境進行在線實時監(jiān)測[5]。

采用有線方式的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)雖然能夠獲得倉儲環(huán)境參數(shù)的實時信息，實現(xiàn)用戶在控制室中就可了解到全部倉室內(nèi)的運行情況。但是存在布線復(fù)雜、不易擴展、可移動性差、管理和維護成本高等問題。

針對傳統(tǒng)倉儲環(huán)境監(jiān)測方式和有線倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，各國專家學(xué)者對倉儲環(huán)境監(jiān)測技術(shù)做了大量研究。Junjun Wu介紹了基于移動機器人的智能倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由可自動導(dǎo)航的移動機器人攜帶可自動獲取環(huán)境參數(shù)的傳感器對倉儲環(huán)境進行實時監(jiān)測[6]。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始研究采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)對倉儲環(huán)境地監(jiān)管，以提升物流企業(yè)的整體運營效率，其中最常用的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

20世紀(jì)90年代興起于美國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是將功能相同或不同的無線智能傳感器以一定的方式自組織而成的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、密集型、隨機分布等特點，能夠?qū)崟r對監(jiān)測區(qū)域中探測目標(biāo)的各種相關(guān)參數(shù)信息進行監(jiān)控，同時可以對有用數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，并以無線的方式發(fā)送給用戶?？捎脕磉M行倉儲環(huán)境監(jiān)測、廠房環(huán)境控制、特殊實驗室環(huán)境控制等。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中能有效地彌補傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的不足。其可擴充性能夠滿足監(jiān)測節(jié)點分布無規(guī)律的特點，自組網(wǎng)及容錯能力可以保證其不會因為個別節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)而致使整套系統(tǒng)癱瘓。無線方式連接更加靈活，部署幾乎不受監(jiān)測對象的制約，易于維護且成本較低。監(jiān)測區(qū)域中的各種環(huán)境信息，通過傳感器節(jié)點內(nèi)置的對應(yīng)功能的傳感器實時地感知和采集，人們可以在任何地點和時間獲得環(huán)境的各種可靠信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的潛力非常大，尤其是傳感器節(jié)點部署、傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)、系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計、無線通訊技術(shù)和環(huán)境參數(shù)分析成為目前國內(nèi)外研究的熱點。

節(jié)點部署是傳感器網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的重要問題之一。目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署的傳感器節(jié)點的數(shù)量和位置決定了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這會進一步影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的其它性能，如網(wǎng)絡(luò)覆蓋、連通性、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本和使用壽命等[7]。因此，應(yīng)恰當(dāng)?shù)夭渴饌鞲衅鞴?jié)點，利用節(jié)點自身攜帶的不同種類的傳感器來獲取環(huán)境信息，然后通過節(jié)點間的相互協(xié)作，完成數(shù)據(jù)采集和環(huán)境監(jiān)測。

戴歡針對目前一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法在實際應(yīng)用中存在的問題，從節(jié)點通信距離、測距誤差及定位精度等方面對節(jié)點定位技術(shù)進行了深入地研究，并提出了三種新型定位算法[8]；凡志剛總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題的分類，分析了典型算法的基本理論、實現(xiàn)方法和優(yōu)缺點，并提出基于K覆蓋度的覆蓋控制算法和結(jié)點覆蓋度的計算公式。同時，提出一種基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節(jié)點部署算法，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外層節(jié)點壽命進行研究，從理論上提出了一種理想分布模型[9]。

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的功能不同，可將其分為傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點三種。因此這些節(jié)點的硬件設(shè)計和實現(xiàn)也不相同，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合倉庫的特定環(huán)境對節(jié)點進行設(shè)計。通過對芯片和傳感器的研究，設(shè)計出具有豐富功能的倉儲環(huán)境監(jiān)測無線傳感器節(jié)點，包括節(jié)點地硬件設(shè)計和嵌入式軟件設(shè)計、節(jié)點硬件地測試和仿真、節(jié)點功能和組網(wǎng)測試以及對傳感器功能和精度地驗證等[10]；傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點處集中，然后匯聚節(jié)點通過無線通信方式上傳到管理節(jié)點；用戶通過管理節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)進行管理。

目前，可應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)主要有：無線局域網(wǎng)WiFi，GPRS技術(shù)以及ZigBee技術(shù)等。這三種無線通信技術(shù)對比見表1。

表1 無線通信技術(shù)對比

從表1可以看出，WiFi技術(shù)應(yīng)用比較成熟，其網(wǎng)絡(luò)速度快、使用靈活，但是功耗比較高，需要較高的電能存儲，從而導(dǎo)致成本較高；GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面比較廣，但是設(shè)備成本高；Zig-Bee具有低功耗、低成本、低速率等特點，主要使用在監(jiān)測或控制等領(lǐng)域。

基于不同無線通信技術(shù)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究是當(dāng)今國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的研究熱點。越來越多的研究者通過對比分析不同的芯片、傳感器和無線通信技術(shù)設(shè)計對倉儲環(huán)境進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外對基于WiFi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)環(huán)境地研究逐漸開始，但在倉儲方面的應(yīng)用實例較少。Qinghua Zhang、Zhao Shaojun、閆振利、戰(zhàn)美玲等研究設(shè)計了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，分析了倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)對倉儲內(nèi)的各環(huán)境參數(shù)進行采集、傳輸及處理并通過上位機進行顯示，從而達(dá)到了對倉儲內(nèi)貨物實時監(jiān)測的目的[11-14]。吳芳研究了一種基于GPRS的危險貨物倉儲環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，在需要監(jiān)測的倉儲區(qū)域內(nèi)布置傳感器實時采集參數(shù)信息，將采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線匯集到現(xiàn)場主模塊[15]，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，由上位機進行數(shù)據(jù)處理、顯示。鄭寶周提出了基于ZigBee和GPRS技術(shù)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過搭建ZigBee測量網(wǎng)絡(luò)和GPRS模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離采集與遠(yuǎn)程傳輸相結(jié)合[16]。

倉儲環(huán)境監(jiān)測在糧倉、危險品倉庫、煙草倉庫、紡織品倉庫、生鮮農(nóng)產(chǎn)品倉庫及名貴物品倉庫等有較為廣泛的應(yīng)用[17-22]。尤其將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于倉儲環(huán)境監(jiān)測中，對倉儲環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，從而保證對該參數(shù)比較敏感的貨物能在適宜的環(huán)境中保存，避免不必要的損失。

4 倉儲環(huán)境監(jiān)測發(fā)展趨勢分析

如今倉儲規(guī)模不斷擴大，自動化水平不斷提高，倉儲環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用范圍逐漸擴大。因此配備先進的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是倉儲規(guī)?；妥詣踊M程的必然要求，也是實現(xiàn)倉儲安全管理的基本保證。

基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以減少大量的人工操作，提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，大大提高工作效率。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地采集和傳輸相關(guān)環(huán)境參數(shù)，有效彌補現(xiàn)有倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不足，具有很高的應(yīng)用價值[23]。

WiFi具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，抗干擾能力強的特點，用在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中有其明顯的優(yōu)勢。但節(jié)點依靠電池供電，WiFi技術(shù)下節(jié)點能耗較大，如何在不影響感知精度的情況下，降低節(jié)點功耗仍需要進一步研究。ZigBee技術(shù)在節(jié)點能耗小、安裝維護簡單且成本低等具有優(yōu)勢。但數(shù)據(jù)傳輸可靠性較低，人們在如何提高可靠性以保證監(jiān)測的精準(zhǔn)性方面將會更加深入地研究。將WiFi和ZigBee技術(shù)應(yīng)用于倉儲環(huán)境監(jiān)測是一個研究熱點，應(yīng)用前景廣泛，將大力推廣。

不同貨物對環(huán)境參數(shù)的敏感度不同，安全存儲需要的環(huán)境條件也不盡相同?；诂F(xiàn)有倉儲環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[24]，研制開發(fā)具有感知和傳送多參數(shù)能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備，是設(shè)計實現(xiàn)具有多空間多參數(shù)監(jiān)測能力的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵。另外，合理的傳感器節(jié)點部署，能有效提高監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性、完整性和實效性。合理地布置傳感器節(jié)點，高效利用有限資源，最大程度地降低能耗，是實際應(yīng)用中首先需要解決的問題。在大型倉儲系統(tǒng)中，可對確定的空間進行有限元劃分，采用合適的優(yōu)化算法，確定最優(yōu)節(jié)點數(shù)目和分布。

5 結(jié)束語

本文首先分析了倉儲環(huán)境監(jiān)測的重要性及倉儲環(huán)境參數(shù)，接著研究了倉儲環(huán)境監(jiān)測方式。從傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式及基于有線方式構(gòu)建的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，到基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，從現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究中可看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正處在起步階段，作為當(dāng)今信息領(lǐng)域內(nèi)一個新的研究熱點，將其運用在倉儲環(huán)境監(jiān)測中的潛力非常大，倉儲環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用范圍也必將更加廣泛。

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