基于物联网的仓库环境监测系统设计

张德超

（吉林烟草工业有限责任公司 长春卷烟厂，吉林 长春 130031）

0 引言

随着新能源、无线通讯、微电子等行业技术的更新迭代，物联网技术得到了迅速发展，当前物联网技术在工业、农业、环境、交通、物流、安保等领域大量应用，有效推动了行业的智能化发展，从而提高了行业效率、效益。目前物联网技术也越来越多的应用在烟草行业，如货物的出入库扫描、加料防差错扫描识别以及环境监测等[1]。

目前对于国内的烟草行业，大部分还在沿用传统的仓储管理方式，环境温度、湿度以及PM浓度等环境数据需要人工抄报，不仅时效性不强，数据采集频率低，还容易出现抄报错误及数据缺失的问题[2]。近年来国内各省烟草公司更加注重生产技术革新，积极研究并改善烟草仓储管理技术，从而保证烟草质量、降低人力物力损耗，提高仓储智能化管理水平。当前，越来越多成型的环境监测系统被应用到烟草的仓储管理体系中，本方案立足于传统的仓储系统，寻求更新技术方案，从而实现更高效、更完善、成本更低的仓储环境监测系统。

1 仓库中温湿度情况分析

1.1 温度对卷烟的影响

在成烟和烟叶的仓储管理中，气温是影响烟草质量的关键参数之一，不仅能直接影响卷烟的安全储存，而且还能对环境的相对湿度产生影响并最终影响卷烟的质量。主要表现在以下两个方面：

（1）对相对湿度的影响导致的质量变化。如图1为气温与饱和水汽压关系曲线，由于：

图1 气温与饱和水汽压关系曲线

因此绝对湿度不变的情况下，温度越高，相对湿度越小，卷烟的水分也会更容易挥发，反之则更容易受潮。

（2）对卷烟造成的直接影响。由于卷烟中包含其固有的以及人工添加的酯类、酮类等香味物质，这类物质容易在空气中挥发，温度越高时，这种挥发作用就会越强。另一方面，卷烟储存过程中易产生霉菌，当温度越高时，霉菌的活性也就越强，霉变也就更容易扩散。

1.2 湿度对卷烟的影响

由于烟叶表面是具有毛细管现象的多孔胶质体，并且含有可溶性糖分、有机酸等，并且本身含有一定的水分，因此卷烟具有很强的吸湿性，烟叶与空气接触时内部水分容易随着空气中相对湿度的变化而产生蒸发或吸附[3]。因此相对湿度是卷烟仓储管理中的关键参数，相对湿度过高时，与空气接触的卷烟水分增加即发生受潮现象，反之则水分减少。由于包含糖分卷烟在受潮后极易产生霉变，而且潮湿和霉变具有一定的传导性：即水分多的向水分少的部分导湿；霉变的向没有霉变的传染，且温度越高，水分子及霉菌活动愈强，传导速度愈快。

1.3 设计思想

库房的温湿度对于卷烟的安全储存有着密切关系，目前各烟草企业仓库主要采用通风驱热、密封保湿以及机械制冷等方法来控制卷烟仓库的温湿度，然而归根结底都要有原始的温湿度记录，目的在于观察、掌握其变化规律，利用现有的条件制造一个区域性的人工气候环境，达到理想的温湿度范围以满足卷烟的安全储存条件。而目前仓库都是采用人工观测温湿度表记录的方法，然后再开启空气调节和湿度调节设备等工作方法，温湿度管理工作的精细度存在一些的管理漏洞，因此开发设计一套仓库环境监测系统，将温湿度自动化监控与预警应用到卷烟仓储区管理中，重点解决减少卷烟霉变、减少现阶段人工抄报实效性不强、节假日期间管控缺失且随机差错难以避免等问题，运用温湿度传感采集器为工具，利用相关设备和信息化技术全面提高温湿度监控管理水平。

2 总体设计

针对现有仓库环境和实际情况，构建仓库环境监测系统，总体设计思路如下：

（1）安装温湿度传感器结合低功耗单片机实现温湿度数据的自动采集，并利用物联网技术实现环境数据的自动上传替代人工抄报工作，将数据采集提升为7×24小时全天候自动采集；

（2）通过实时采集仓储库房中环境温湿度，形成实时趋势，同时随着时间的推移，这些实时数据形成巨大的历史数据，历史数据可以作为的追溯数据，为了提升烟叶质量，这些数据可以产生更大的价值和意义，它作为大数据分析原始数据，为大数据分析和应用打下数据基础。

（3）利用数据接口向其它信息平台如MES、中控系统提供仓库温湿度数据，实现环境数据的无缝对接。

3 详细设计

3.1 硬件设计

首先考虑到布线成本和安装灵活性，本方案选择采用电池供电结合无线信号传输的物联网系统，为了降低功耗及基站成本，拟采用低功耗广域网通讯技术进行数据传输，LoRa和NB-IoT是目前最具发展前景的两个低功耗广域网通信技术[4]，满足物联网无线应用方案的长距离和低功耗要求，其中NB-IoT采用运营商的移动数据网络连入以太网，每台无线终端单独接入蜂窝网络，通过服务器实现数据的采集集成。LoRa也是一种低功耗无线标准，它使用非授权免费频段，拥有更高的传输距离，利用LoRa搭建物联网应用时需要一个基于LoraWan协议的网关，负责与终端传感器节点通讯以及连入以太网络和服务器进行通讯，所有网络及基站由企业自建，其用户数据既能在内网上传输，也可接入互联网进行管理。

经调研分析LoRa与NB-IoT的主要对比见表1。

表1 LoRa与NB-IoT网络对比

由于温湿度的测量对传输速率要求不高，并且考虑信息安全及运维成本，选择LoRa网络作为仓库环境检测系统的组网方式，对于LoRa的硬件选择，市面上有成熟可供二次开发的相应产品，经过实地考察测量，选用Lo-Ra高功率版本，网关覆盖范围理论10km，支持40台设备组网，终端传感器节点选用3km版本，电池在5min上传一次数据情况下理论上可使用1年左右，见图2。

图2 基于Lora网络的环境监测硬件

3.2 系统组网与交互逻辑

LoRa网络协议工作在1GHz以下的非授权频段，应用时不需要额外付费。其组网方式，见图3。Lora温湿度传感器终端通过无线方式接入LoraWan网关，网关通过以太网接入数据应用服务器，数据应用服务器负责温湿度仪器数据的采集，转发数据至数据存储服务器，同时为客户端和手持设备提供系统权限、数据分析、页面展示等相关服务。

图3 系统组网结构图

3.3 系统功能设计

上位机软件采用数据采集服务器与数据管理程序相结合的方式，其中数据采集服务实时采集各个节点的环境监测数据，并存储至数据库，数据管理程序实现主要的业务功能，包括设备管理维护、实时数据查看以及数据统计分析。

3.3.1 设备维护

在环境数据管理程序中，对环境监测终端设备以及基站进行管理维护，见图4，用户可对设备类型、IP地址、端口号、设备描述和位置信息等检测仪器的基础信息进行查看、新增、更新和导入导出等操作，并查看设备连接状态，报告异常情况。

图4 设备管理界面

3.3.2 实时数据

如图5所示，用户可对各个区域的温湿度信息进行查看，区域1为设备的详情信息，包括位置信息、网络信息、连接信息以及实时温湿度数据，区域2为实时的报警信息，区域3和区域4分别为温度和湿度的实时信息。

图5 实时数据展示界面

3.3.3 统计分析

如图6所示为温湿度统计分析界面，可用于温湿度实时趋势的展示，同时可根据用户选择的时间区间进行统计分析并形成报表。同时可导出各个时间节点的温湿度历史数据，以供用户进行进一步分析。

图6 历史数据统计界面

4 结束语

设计并开发了基于物联网的仓库环境监测系统，在烟草仓库部署基于Lora无线网络的温湿度传感器，分别采集仓库不同区域的温湿度，并部署无线网关采集温湿度节点报文，使用数据服务器对仓库所有节点温湿度数据进行采集汇总以及进一步的展示、报警等，相比于其它温湿度监测方案，该系统不仅在硬件及部署成本上有较大优势，而且在实际应用中，该系统运行稳定、操作维护简便、功能齐全，有利于提高仓储环境温湿度监控管理水平，降低人工成本。