基于WSN的农产品仓储安全监控系统研究

刘南星　刘婷

摘要采用基于无线传感器网络的仓储安全监控系统是农产品仓储安全监控系统未来的发展方向之一。其一方面能够进一步实现国家对农产品仓储业现代化、高效化、个性化、精细化的要求，另一方面还能够拓展无线传感器网络的市场应用需求，最终达到双赢的目的。首先总结了仓储安全监控系统的意义和业务，然后分析了Wi-Fi技术用于农产品仓储安全监控系统的3点优势，最后给出了农产品仓储安全监控系统架构并详细描述了架构中无线传感器网络节点的构成及功能。该系统最终能够实现农产品仓储环境监控和农产品仓储作业设备监控的功能，并对农产品仓储作业设备维护管理提供信息依据。

关键词农产品仓储安全监控系统；无线网络；无线传感器网络节点

中图分类号S126；TP393文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03678-03

基金项目北京高校物流技术工程研究中心项目（BJLE2010）；北京市教育委员会科技发展计划项目（KM201310037002）；北京市教委科研计划面上项目（KM201410037001）。

作者简介刘南星（1990- ），女，湖北黄石人，硕士研究生，研究方向：计算机测量与控制。

传统农产品仓储对环境和设备监控采用的方法主要有人工定点巡检和连续在线监控两种[1]。传统方法存在人力成本高、效率低下、数据误差大、记录方式落后、布线复杂、建设和维护成本高、不易扩展等缺陷。鉴于这些不足，笔者通过分析Wi-Fi无线通信技术在农产品仓储监控中的优势，设计了一种基于Wi-Fi的农产品仓储安全监控系统。该系统以环境和设备为监控对象，实时监测农产品仓储环境信息和作业设备工作状态，完成数据采集、设备控制、紧急报警等多项功能，同时管理者可以在监控中心或通过移动终端了解现场信息，发现安全隐患，及时维护农产品仓储安全。

1农产品仓储安全监控

1.1环境监控仓库储存的各类货品常因温湿度等环境因素的影响而发生变质现象，这些不仅造成不必要的财物损失，而且增加货品维护成本，所以为保证货品的安全保养，需要对农产品仓储环境变化进行实时监测，并配合各种调节手段保持最佳的环境状况。因此该系统业务之一就是利用各种传感器对农产品仓储温度、湿度、光照度、空气含氧量等表征参数进行实时测量、记录、计算、报警等，以达到对农产品仓储运行环境安全状况的监控和为改善农产品仓储作业环境提供历史分析数据的目的。

1.2作业设备监控在农产品仓储作业中，由于物流设备的损坏而导致的安全隐患是不容小觑的，如传送带摩擦系数降低、起重设备发动机转速减慢等情况，轻则降低农产品仓储作业效率，重则可能使设备连续承受高电压、强电流或是磨损漏电而带来火灾、爆炸、人员伤亡等重大事故。因此，该系统其业务之二就是通过对作业设备的工作电压、电流、温度、转速等表征参数的实时监测、记录，掌握其运行状态并对异常情况及时作出报警和处理[2]。

2基于Wi-Fi的无线传感器网络在农产品仓储监控中的应用优势

Wi-Fi技术的独特优势满足了设计农产品仓储监控系统中无线传感器网络的3个方面要求，如下分析。

2.1满足农产品仓储工作环境和网络覆盖要求首先，仓库多建筑结构要求安全监控系统的网络能方便快速地搭建起来，以适应不同种类仓库的建筑特点；其次，对于地下型和露天型这类现场环境较复杂、多变、恶劣的仓库，还要求网络稳定性好；而对于立体型仓库，其监控节点位于高层货架上，分布较广，要求网络要在横向和纵向上都能全面覆盖[3]。最新Wi-Fi通信半徑达300 m，在封闭式仓库中通信半径可达100 m左右，只要合理布局无线AP接入点，就可以使整个仓库覆盖网络信号，甚至可实现多个仓库集中联网，减少网络盲区[4]。

2.2适应农产品仓储安全监控系统应用特点为全面反映农产品仓储环境和设备状况，要求系统监控节点数多，输出数据量大。Wi-Fi最大的优势在于传输数据快，传输数据远。监控系统还具有监控节点移动性的特点，Wi-Fi技术由于其可以实现网络无缝覆盖，所以受节点移动的影响较小。《Wi-Fi中多AP间快速切换的研究与实现》[5]介绍了一种Wi-Fi中多AP间快速切换的实现技术，可以保证移动终端在移动过程快速无缝接入网络，避免通信断点，保障了用户的QoS。

2.3降低系统网络搭建成本在网络建设方面，Wi-Fi网络连接能有效利用已有的有线局域网资源，无需布线，只需安装1个或多个无线AP设备就可以解决区域的网络覆盖问题，远远降低了网络建设成本。

综上所述，Wi-Fi无线通信技术在农产品仓储安全监控系统中极具优势，特别是其中工作在5 GHz频段的802.11ac协议，绕开了拥挤的免许可证2.4 GHz频段，并提供向后兼容能力，其高速传输能力还能承载无线多媒体业务，将其用在农产品仓储安全监控系统中，在不久的将来还可以集成视频监控业务，实现农产品仓储的多方位智能化监控管理。

3农产品仓储安全监控系统架构设计

该研究提出的基于Wi-Fi无线传感器网络的农产品仓储安全监控系统架构采用的是3层闭环结构模式，即感知层、传输层和监控层，以上传监测信息下达控制信息的方式形成信息流回路，具体如图1所示，主要包括4个部分：无线传感器网络节点、Wi-Fi无线接入AP、移动终端、本地/远程监控中心。系统各部分功能如下。

3.1无线传感器网络节点无线传感器网络由大量可以进行环境监测、设备状态监测、数据处理以及无线数据传输的传感器节点组成，并且无线通信方式采用Wi-Fi技术，其在农产品仓储中主要按区域集中分布，每个区域对应一个无线接入节点AP。传感器节点工作过程为：首先通过其板载传感器对农产品仓储环境和工作设备的状态变化量进行实时测量并及时通过节点上的通信子系统向本地监控中心发送相关信息和接收控制指令，最终节点驱动控制电路按下达的控制指令给调控装置输出控制信号。

3.2WiFi无线接入点AP在Infrastructure网络结构中，无线传感器网络节点通过无线接入点AP与现有的有线局域网相连接，并采用扩展服务集合（ESS）模式来延伸无线网络系统的覆盖范围，而且每个AP的覆盖网络之间确保有15%的重叠范围。这样便于无线设备在不同的蜂窝之间可以做无缝漫游，避免了无线设备在移动过程时出现中断正在通信的链路连接的现象。

3.3本地/远程监控中心本地监控中心是整个农产品仓储安全监控系统的核心部分。它的功能主要包括数据存储、图形显示管理、报表打印、统计分析、异常处理等。当通过分析数据判断出农产品仓储安全出现异常情况时，监控中心作出控制决策下达到无线传感器网络节点，最终通过节点上功率驱动电路实现调控要求，所以它是实现系统信息闭环的重要环节。此外，本地监控中心还可以作为数据服务器通过C/S结构模式将所有监控信息和控制决策传至远程监控中心，而远程监控中心获取的信息可以是来自不同仓库的本地监控中心，从而对不同仓库的多个农产品仓储信息进行记录、处理、对比和调控，进而提升农产品仓储之间的有效合作关系。

3.4移动终端现场工作时还能够利用移动终端实时读取仓库环境信息和设备运行状态。其工作流程：本地监控中心和远程监控中心采用C/S结构允许权限内的外部客户端访问其获取的监控信息；处于现场的并拥有访问权限的移动终端设备在Wi-Fi的环境上获得上网功能后登陆客户端监控应用软件，并向监控中心的应用服务器发送访问数据请求；接着收到请求的本地或者远程应用服务器通过中间件将访问请求转换成可访问数据服务器的专用语言并提取相应的数据；最后将数据转化成网页并通过应用服务器返送给移动终端，如此使得现场或者非现场工作人员均能随时随地清楚动态地掌握农产品仓储的安全信息。

总之，该系统由无线传感器网络节点完成基础数据采集，通过Wi-Fi与本地监控中心和移动终端实现无线通信。监测信息在本地监控中心进行汇总、分类、处理等操作，然后将处理后的数据一方面上传至远程控制中心，另一方面得出控制信息再下传至无线传感器网络。

4无线传感器网络节点硬件构成

无线传感器节点是WSN的核心元素，感知、处理和通信都是通过节点进行的。图2给出了农产品仓储安全监控系统中的无线传感器节点构成，包括环境传感子系统、设备传感子系统、处理器、Wi-Fi通信子系统、扩展电路、电源子系统等。Wi-Fi通信子系统和传感子系统是无线传感器网络节点基本结构中的重要组成部分，前者是实现与移动终端设备和无线接入节点双向通信的关键步骤。后者设计的功能可分为两部分。

4.1用于农产品仓储环境监测针对农产品仓储室内温湿度、光照度、空气含氧量这3个参数进行设计，包括板载各类环境传感器及调理电路、微控制器、Wi-Fi无线通信模块等部分。节点通过MPU控制周期性地采集传感器数据，还可按需对环境监测节点采集的参数设置限值以及设置读取节点数据周期。当测得数据大于限值时可启动报警系统中的蜂鸣器发出报警信号，报警系统中的LED灯则可以显示危险等级。节点储存的数据通过Wi-Fi模块无线传输到本地监控中心以及移动终端上。

4.2用于农产品仓储设备监测无线传感器节点上的环境传感子系统和设备传感子系统中的AD、DI通道可以完成设备环境参数和运行状态信息的采集工作。该类节点一般安装到各个被监控设备上，通过设备上电压互感器和电流互感器经运算放大器放大、整流、滤波后送至节点上设备传感子系统中的A/D转换器收集电压电流信号，因为有电压电流两个信号，所以AD和DI通道都设置为两个。

图2Wi-Fi无线传感器网络节点硬件构成除上述几个子系统外，还有一个扩展电路和电源子系统。扩展电路可选触摸显示屏、键盘和USB接口模块，灵活增加人机交互方式。功率驱动电路是实现调控装置联动的桥梁。调控装置如图2所示，包括通风设备、空调设备、电源通断控制器等。微控制器从监控中心获得反馈信号主要是用来调节通风、空调等设备的内部变频器的频率，从而改变风机的转速，达到温湿度和空气质量调控的目的。扩展电路上的现场总线扩展接口可用于与其他设备通信联网。电源子系统给节点硬件提供稳定可靠的电压，并依据不同的情况选择干电池供电或者有线持续供电方式。

5结语

基于无线传感器网络的农产品仓储安全监控系统不仅能使无线传感器网络的全面感知、可靠传送和智能处理的优势得到良好的应用，未来还可以考虑与农产品仓储管理信息系统及农产品仓储自动控制系统相集成，在信息充分共享的基础上，实现作业管理、设备自动控制和安全监控一体化的管理，进而使农产品仓储管理与农产品仓储监控得到双重优化，综合提高企业的经济效益。

参考文献

[1] 王璐超.基于WSN的仓储环境监控系统关键技术研究[D].北京：北京物资学院，2011.

[2] 刘军.基于无线传感器网络的仓储监控管理系统关键技术[J].中国流通经济，2010（7）：17-18.

[3] 杨阳，胡永辉.移动监控终端无线传输系统的设計与实现[J].时间频率学报，2011，34（1）：29-30.

[4] 瓦舒尔，丹克尔.基于IP的物联网架构、技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2011：130.