基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的倉儲糧食溫度監(jiān)測系統(tǒng)【產(chǎn)品介紹】

基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的倉儲糧食溫度監(jiān)測系統(tǒng)【產(chǎn)品介紹】2011 2011-12-291. 產(chǎn)品介紹本產(chǎn)品是針對我國糧食存儲的實際特點，創(chuàng)新地將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用在糧食存儲領域，開拓了物聯(lián)網(wǎng)技術在糧食倉儲領域的應用模式。本產(chǎn)品以無線網(wǎng)絡與智能感知技術為核心，在不改變現(xiàn)有糧食存儲與管理方式的基礎上，提供一套先進完整的適用于各級糧食存儲單位使用的糧食存儲環(huán)境監(jiān)測解決方案。我國長期把發(fā)展農(nóng)業(yè)作為基本國策，把糧食儲備作為國家重大安全事項，自2004年2011年，我國糧食行業(yè)實現(xiàn)了連續(xù)8年的產(chǎn)量持續(xù)增長，在糧食產(chǎn)量逐年遞增的情況下，國家對于糧食品質(zhì)和存儲安全提出了越來越高的要求。在糧食流通環(huán)節(jié)中，收儲管理是保證糧食安全的重要一環(huán)，在糧食存儲期間，由于糧食的后熟、水分過高、害蟲、微生物和雜質(zhì)過高都會引起糧溫升高，造成局部糧食霉變。目前，由于儲糧條件簡陋、儲糧技術水平低，儲糧損失大，平均損失率高達8%-10%，每年我國僅農(nóng)戶儲糧損失就達1500萬2000萬噸，造成直接經(jīng)濟損失180億240億元。糧食產(chǎn)后損失是個世界性的問題，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的調(diào)查，全世界每年糧食霉變損失3，蟲害損失5，合計8(資料來源：董振國、王汝堂等，我國農(nóng)村糧食產(chǎn)后損失約810，“三農(nóng)在線”2006年10月16日)。為此國家已經(jīng)啟動了糧食產(chǎn)后減損安全保障工程，計劃到2016年，將在全國24個?。▍^(qū)）改善儲糧監(jiān)測條件，并通過示范效應影響全國，把儲糧的損失率減少到3%-5%，即每年減少糧食損失55億公斤左右，這相當于增加1200多萬畝高標準糧田。如何根據(jù)糧食存儲的實際要求，及早實現(xiàn)糧食溫度的實時監(jiān)測，達到糧食霉變的早期預防和科學保糧的目的，是各級糧庫或糧食加工企業(yè)所面臨的現(xiàn)實難題。本項目是遵循無線傳感器網(wǎng)絡技術的技術原理，根據(jù)倉儲糧食溫度監(jiān)測的國家標準以及相關技術文獻，利用無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品價格低廉、自由部署、無線通信、自組織網(wǎng)絡等技術優(yōu)勢，研制出一套低能耗、高速率、防護能力強、多路溫度采集的無線遠傳糧食溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理是通過對糧食溫度變化進行實時監(jiān)測，采集到的溫度數(shù)據(jù)以無線通信的形式，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡上傳到遠程監(jiān)測服務器中，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時跟蹤與監(jiān)測。為了提升倉儲糧食的管理水平，系統(tǒng)對采集到的大量溫度數(shù)據(jù)進行匯總，統(tǒng)計與分析（利用數(shù)據(jù)聚集、決策樹等技術），探索糧食溫度變化與季節(jié)、氣候、存儲工藝、糧食質(zhì)量等諸多因素的關系。產(chǎn)品主要特點如下：l 物聯(lián)網(wǎng)絡，創(chuàng)新應用在國家大力倡導的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的背景下，本產(chǎn)品中所采用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術是國際先進的無線自組織網(wǎng)絡，設備間的組網(wǎng)過程具有智能自組織的特點，無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡。l 可信產(chǎn)品，工業(yè)品質(zhì)溫度環(huán)境監(jiān)測設備選用國際先進的智能芯片，所有器件均按工業(yè)級別標準進行采購，可達到-40的抗寒能力以及IP6級別的防塵防水等級，不僅如此，產(chǎn)品采用超低功耗設計，在4節(jié)1.5V電池供電的情況下，電能續(xù)航能力在2年以上。測溫產(chǎn)品的測量精度為0.5，可以實時監(jiān)測糧食存儲環(huán)境的溫度變化。溫度環(huán)境監(jiān)測設備，支持多點溫度并行監(jiān)測，并且針對一些特殊環(huán)境下的監(jiān)測點可適當增減傳感器的數(shù)量，使系統(tǒng)達到“無死角”的監(jiān)測。l 實用便利，易于部署 在采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式的監(jiān)測系統(tǒng)解決方案中，電纜和光纜的使用數(shù)量較多，施工布線受電源、環(huán)境等因素的限制，安裝鋪設困難，后期維護復雜，施工成本偏高，并且有線網(wǎng)絡一旦形成就不可隨意拆卸，極大地降低了糧食存儲監(jiān)測系統(tǒng)實施使用的靈活性。在本產(chǎn)品中，各設備之間采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，相比于有線方案，傳感器的安裝位置不受環(huán)境因素制約，可按照用戶的實際需要，在無線信號的覆蓋范圍內(nèi)任意位置部署；設備部署與使用期間，無需大量布線，易于安裝于維護。l 節(jié)省投入，長期收益本系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方案，無需支付任何布線費用，所使用的無線通信頻段，是國家無線電管理委員會批準的公共免費無線頻段，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，用戶無須承擔任何通訊費用和系統(tǒng)運行費用，在保證使用便利性的同時大幅降低了系統(tǒng)的實施難度，同時也為客戶節(jié)省了實施與維護成本。2. 解決方案2.1 技術導則在制定本方案期間，經(jīng)過嚴格的產(chǎn)品與標準調(diào)研工作，結合本方案內(nèi)容，我們嚴格遵循糧食倉儲行業(yè)的糧情電子檢測分析控制系統(tǒng)技術規(guī)程、中央直屬儲備糧庫糧情測控系統(tǒng)技術質(zhì)量要求以及相關電子產(chǎn)品設計規(guī)范，已保證方案的科學性，先進性與安全性。具體標準如下：l 糧情電子檢測分析控制系統(tǒng)技術規(guī)程；l 中央直屬儲備糧庫糧情測控系統(tǒng)技術質(zhì)量要求；l GB 49432001 信息技術設備的安全；l GB/T 61131995 無線電干擾和抗擾度測量設備規(guī)范；l GB/T 2423.12001電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗A高溫試驗方法；l GB/T 2423.22001電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗B高溫試驗方法；l GB/T 2423.42001電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗Db交變濕熱試驗方法；l GB/T 2423.5-1995 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗Ea沖擊試驗方法；l GB/T 2423.5-1995 電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗Fc振動正弦試驗方法；l GB/T 17626.3-1998 電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗；l GB/T 17626.2-1998 電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗；l GB/T 15844.11995 移動通信調(diào)頻無線電話機通用技術條件；l GB/T 1527794 信息處理6bit分組密碼算法的工作方式；2.2 同類產(chǎn)品對比目前，國內(nèi)外對倉儲糧食溫度的檢測產(chǎn)品，按照技術路線的不同，可分為便攜式手持糧溫檢測儀，現(xiàn)場總線控制和短距離無線通信三種技術方案，均能夠達到以預防為主，降低糧食霉變幾率，最大限度地減少糧食收獲后的損失的目的。下面結合國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀對各項技術進行比較與分析：（1） 便攜式手持糧溫檢測儀。便攜式糧溫檢測儀是目前人工抄錄糧溫數(shù)據(jù)的主要方式，設備類型屬于全集成化數(shù)字儀表，采用標準的CMOS數(shù)字集成電路技術，測溫儀具有投資省、體積小、操作簡單、易于攜帶等特點。便攜式糧溫檢測儀的溫度采集過程是通過糧囤內(nèi)的溫度探桿與便攜式糧溫檢測儀的采溫端口連接，探桿將溫度模擬信號發(fā)送到監(jiān)測儀中，信號經(jīng)模/數(shù)轉化后以數(shù)字形式顯現(xiàn)；最后，檢測人員進行現(xiàn)場紙質(zhì)手工記錄。圖 1 便攜式糧溫檢測儀便攜式糧溫檢測儀的突出優(yōu)點是價格低廉，易于使用，無需布線，對場地沒有特殊要求，廣泛應用于小型糧庫和室外糧囤。但是，這種方式的存在人工抄錄數(shù)據(jù)的痼疾，需要投入很大的人力進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)抄收和二次錄入，經(jīng)常出現(xiàn)錯抄，漏讀的情況，并且這種方式不具備信息化監(jiān)測的任何特征，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與分析，更不能實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。（2） 現(xiàn)場總線控制方式。目前，大多數(shù)倉儲糧食溫度監(jiān)測系統(tǒng)的技術路線是采用總線控制方式，糧食溫度數(shù)據(jù)通過部署在糧庫的總線進行有線的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)總線類型的不同可分為CAN，MODBUS和串口總線等多種技術方案。圖 2 總線解決方案這種方式的主要優(yōu)點在于利用成熟的總線控制技術，數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃暂^高、實時性好、技術風險低。但是總線技術必須在現(xiàn)場鋪設線纜，對糧倉的場地建設標準要求較高，普遍用于大型水泥或鋼板糧倉，不能應用于非固定集中儲糧的現(xiàn)場，此外，在現(xiàn)場實施期間對于安裝位置，操作流程，固定方式都需要有嚴格的實施標準，實施難度和成本較高。 方案內(nèi)容有線解決方案無線解決方案系統(tǒng)精度低 系統(tǒng)精度=傳感器精度*變送器精度*巡檢儀精度 （普通的在線方式傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)傳遞到計算機時，必須通過三次模擬量到數(shù)字量的信號轉換過程，而每次轉換都肯定產(chǎn)生精度誤差，所以，最終有效數(shù)據(jù)結果精度低、誤差大）高 系統(tǒng)精度=傳感器精度 （傳感器只通過一次模擬量到數(shù)字量的信號轉換過程，在隨后的數(shù)據(jù)傳送中就是不存在轉換精度問題的數(shù)字信號）技術先進性已經(jīng)使用了將近20年的通用技術21世紀初最新的無線通訊產(chǎn)品可靠性 低 （因為有接線，所以存在電纜不通被老鼠咬斷、老化、接線端子松動等潛在的故障隱患） 高 （因為沒有接線，所有元器件全部密封在一層防水涂料中，可以應用于非常潮濕的環(huán)境）安裝方式復雜 （需要走橋架、布線、配電）簡單 （無線通訊方式）工程施工量大小可替換性差好可維護性差好使用壽命一般 （即使該庫房不使用，傳感器仍安裝在現(xiàn)場） 長 （該庫房不使用，可以把傳感器輕松地取下，停止其工作，存放到環(huán)境好的備件庫內(nèi)）重復使用難 （拆卸不方便）容易 （只要傳感器在使用精度范圍內(nèi)，就可以在不同的地點、不同的項目中重復使用）投資成本一次性投資成本高 （不管該庫房是否馬上使用，都必須一次性布線、安裝傳感器）一次性投資成本低 （無線溫濕度傳感器可以按實際使用量購買）傳輸距離300-500米800米以上表格 1 有線與無線方案技術對比2.3 系統(tǒng)結構本項目所采用的監(jiān)測方案是物聯(lián)網(wǎng)技術的一種典型案例，系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)體系架構可分為：感知層、網(wǎng)絡層與應用層，共三個層次。其中，感知層是由帶有傳感器的無線終端組成，多個設備之間可以進行無線數(shù)據(jù)轉發(fā)；網(wǎng)絡層用于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，并且可與局域網(wǎng)或者物聯(lián)網(wǎng)進行對接；應用層是通過計算機軟件系統(tǒng)，手機或其他設備，將傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息提供給用戶。圖 3 系統(tǒng)層次圖按照系統(tǒng)的組織結構，系統(tǒng)可分為現(xiàn)場采集點，無線網(wǎng)絡和監(jiān)控中心三部分。首先，現(xiàn)場采集設備負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度），然后，這些環(huán)境數(shù)據(jù)由采集設備內(nèi)的無線模塊發(fā)送給無線網(wǎng)絡設備；其次，由無線路由器和基站共同構成的無線網(wǎng)絡將環(huán)境數(shù)據(jù)上報給監(jiān)控中心；最后，監(jiān)控中心將原始的環(huán)境數(shù)據(jù)轉化為業(yè)務數(shù)據(jù)并進行存儲，供用戶查閱與分析，當發(fā)生異常時，系統(tǒng)還將向用戶顯示報警信息。圖 4 系統(tǒng)結構圖2.4 系統(tǒng)組成監(jiān)測系統(tǒng)是由無線溫度檢測儀，智能無線路由器，基站和一套專用應用系統(tǒng)共同構成，各部分的具體功能如下：1. 無線溫度監(jiān)測儀：無線溫度監(jiān)測儀是指可外接測溫帶或者溫度探桿的無線環(huán)境溫度監(jiān)測設備。無線溫度檢測儀采用低功耗產(chǎn)品設計，具有突出的節(jié)能安全特點，每臺無線溫度檢測儀最多可接入8根測溫帶。無線溫度檢測儀由無線路由器節(jié)點負責管理，采用休眠/喚醒的工作方式，大大節(jié)省了電量的消耗；圖 5 無線溫度監(jiān)測儀2. 無線路由器：無線路由器是整個無線網(wǎng)絡的骨干，負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)，網(wǎng)絡信息采集，自動組網(wǎng)和其他網(wǎng)絡層協(xié)議的實現(xiàn)。每個無線路由器管理一組終端設備，無線路由器間相互組成自組態(tài)網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡向上級基站發(fā)送數(shù)據(jù)或向下發(fā)送由無線路由器發(fā)送下的命令信息，每個無線路由器可以管理20個終端或者其他無線路由器；圖 6 智能無線路由器3. 基站：基站設備是作為鏈接有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的樞紐，負責上、下行數(shù)據(jù)的處理，以及網(wǎng)絡信息的維護?；竟芾硪唤M無線路由器，實時管理和維護整個網(wǎng)絡的拓撲變化。每個基站下可以同時管理50個無線路由器；圖 7 基站4. 監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)測系統(tǒng)是一個綜合的、基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)處理與服務系統(tǒng)。其主要功能包括：無線網(wǎng)絡管理，現(xiàn)場監(jiān)測，歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計，異常信息提示，數(shù)據(jù)分析等。圖 8 應用系統(tǒng)截圖3. 現(xiàn)有產(chǎn)品3.1 無線溫度監(jiān)測儀無線溫度監(jiān)測儀樣機圖片功能描述無線溫度監(jiān)測儀，內(nèi)置無線收發(fā)模塊與溫度監(jiān)測傳感器，可外接溫度探桿或者測溫帶，負責采集糧堆的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給基站或路由器。主要參數(shù)1. 測量范圍：20+60；2. 測量精度：0.5；3. 工作溫度范圍：-40+85；4. 工作濕度范圍：85%RH；5. 傳輸距離：節(jié)點中的無線射頻單元，采用符合國際標準的射頻芯片，可根據(jù)需要現(xiàn)場需要，進行功率調(diào)整，達到最低功耗的使用。在不加入PA以及LNA的情況下，有效穩(wěn)定距離為500米；6. 供電方式：電池供電；7. 持續(xù)工作能力：使用高性能電池，在數(shù)據(jù)上傳頻率5min/次情況下，可以使用2年時間以上；8. 容錯能力：CRC校驗，電源檢測以及完全自動的數(shù)據(jù)傳輸安全保護。表 1 溫度監(jiān)測儀3.2 智能無線路由器智能無線路由器樣機圖片功能描述智能無線路由器，是自主研發(fā)的適用于糧食監(jiān)控環(huán)境的專屬設備，該設備通過對數(shù)據(jù)信號的復制、調(diào)整和放大功能，來擴大網(wǎng)絡傳輸?shù)木嚯x。智能無線路由器是整個無線網(wǎng)絡的骨干，負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)，網(wǎng)絡信息采集，自動組網(wǎng)和無線網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)。每個無線路由器管理一組終端，無線路由器間相互組成自組態(tài)網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡向上級基站發(fā)送數(shù)據(jù)或向下發(fā)送由無線路由器發(fā)送下的命令信息。主要參數(shù)1. 工作溫度范圍：-40+85；2. 工作濕度范圍：85%RH；3. 傳輸距離：路由器中的無線射頻單元，可根據(jù)需要現(xiàn)場需要，進行功率調(diào)整，通常情況下，有效穩(wěn)定傳送距離800米；4. 供電方式：有源；5. 掉電保護：有；6. 容錯能力：CRC校驗，電源檢測以及完全自動的數(shù)據(jù)傳輸安全保護。表 2 智能無線路由器3.3 基站基站樣機圖片功能描述基站設備是通過無線方式實時收集各節(jié)點采集的溫度等信息，并通過以太網(wǎng)或者GPRS等通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測管理系統(tǒng)?；咀鳛殒溄佑芯€網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的樞紐，該設備負責上、下行數(shù)據(jù)的處理，以及網(wǎng)絡信息的維護。每臺基站管理一組無線路由器，實時管理和維護整個網(wǎng)絡的拓撲變化。主要參數(shù)1. 工作溫度范圍：-40+85；2. 工作濕度范圍：85%RH；3. 傳輸距離：節(jié)點中的無線射頻單元，可根據(jù)需要現(xiàn)場需要，進行功率調(diào)整，通常情況下，有效穩(wěn)定傳送距離為800米；4. 供電方式：有源；5. 掉電保護：有；6. 容錯能力：CRC校驗，電源檢測以及完全自動的數(shù)據(jù)傳輸安全保護。表 3 智能基站3.4 軟件系統(tǒng)l 場地監(jiān)測“場地監(jiān)測”是進行糧食存儲環(huán)境實時監(jiān)測的主要手段。在該功能中，系統(tǒng)采用圖形化的顯示方式監(jiān)測當前場地內(nèi)各個糧食存儲點（糧倉，筒倉和糧囤）的溫度變化情況，用戶能夠從宏觀角度綜合地觀測到各場地溫度環(huán)境狀態(tài)。此外，存儲點的位置采用可自由部署，用戶隨意選擇任何一個監(jiān)測點就可進入該存儲點內(nèi)部，觀察溫度變化的詳細情況。圖 9 場地監(jiān)測整體l 現(xiàn)場監(jiān)測對于已經(jīng)部署了帶有溫度監(jiān)測設備（可外接探桿或者測溫帶）的糧食存儲點，如果要查看溫度監(jiān)測的詳細信息，可進入該存儲點內(nèi)觀測現(xiàn)場各設備的監(jiān)測詳情，系統(tǒng)提供了包括平均溫度，最高，最低溫度以及糧堆各個深度的溫度等多種信息。圖 10 現(xiàn)場監(jiān)測l 溫度查詢按照用戶輸入的查詢時間與查詢范圍，系統(tǒng)將獲取出指定時間范圍內(nèi)的溫度上傳的記錄。圖 11 溫度查詢l 報警查詢按照用戶輸入的查詢時間，根據(jù)系統(tǒng)預先設值的溫度上、下限閾值，系統(tǒng)將顯示出高低溫度報警數(shù)據(jù)信息。圖 12 報警數(shù)據(jù)查詢結果l 數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能是根據(jù)統(tǒng)計選項生成每日，月份，季度或年度統(tǒng)計報表，展現(xiàn)糧囤中各個溫度監(jiān)測點的平均溫度，最高溫度和最低溫度。圖 13 數(shù)據(jù)統(tǒng)計l 報表功能為方便客戶的打印和數(shù)據(jù)導出，系統(tǒng)提供了強大的報表功能支撐，支持打印預覽，預覽，內(nèi)容檢索以及縮放等功能，不僅如此，報表還支持Excel與PDF兩種數(shù)據(jù)導出格式，用戶可以根據(jù)實際需求來變更或保存數(shù)據(jù)內(nèi)容。圖 14 Excel導出結果