基于无线传感器网络的粮情测控系统设计

　粮情测控系统/智能粮库系统摘要 针对我国粮食存储的实际，将无线传感器网络技术应用在粮食存储领域，探索了物联网技术在粮食仓储领域的应用模式，以无线网络与智能感知技术为核心，在不改变现有粮食存储与管理方式的基础上，争取提供一种完整的适用于粮食存储的粮情测控系统解决方案。 

　　关键词 无线传感器网络；粮情测控；温度；湿度；传感器节点  粮情测控系统/智能粮库系统
　　中图分类号 F325.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）10-0339-02 
　　作为一个农业大国，粮食生产和储备至关重要[1]。随着我国经济的快速发展和粮食储备的日益增加，大型粮食储备库的建设对粮情测控技术也提出了越来越高的要求。粮情监测是储备库中防止粮食霉烂、保质存放的重要环节。我国粮食生产、需求与储备量都很大，大量粮食在储备的过程中常因粮食湿度过大而升温发热，导致大量粮食腐烂变质，给国家带来巨大损失。基于无线传感器网络的粮情测控系统，不需要有线网络的支持，仓库安装简单方便，系统稳定可靠，可维护性好，可动态监测仓库粮情变化情况，为粮食的储藏安全提供了重要保障，粮库管理自动化与智能化水平得到提高。 
　　1 粮情测控系统/智能粮库系统粮情测控系统概述 
　　利用电子技术和现代计算机技术对粮库粮食的物理储藏状态及其他质量影响因素进行检测、数据储存与分析，并对通风、冷却、熏蒸等储粮技术设施进行适时控制的系统即为粮情测控系统[2]。其可根据储备库中粮食的温湿度、虫情、入仓时间、品种、仓型、熏蒸记录等进行综合分析，实现仓内情况的动态管理，为科学安全储粮提供和科学决策。根据其系统功能，可分为粮情检测、粮情分析与粮情控制3个部分。 
　　1.1 粮情检测 
　　适宜的温度、湿度是保证粮食贮藏质量的2个基本条件，也是粮情检测的重要参数[3]。通过粮情检测，即将粮情传感器上感应到的温湿度变化情况通过分线器、测控分机、测控主机等反映到主控机房的计算机上，可使库房保管人员随时观测粮堆内的粮情变化，采取及时合理的处理措施，确保储粮安全。 
　　1.2 粮情分析 
　　根据当前情况及历史检测数据，借助粮情分析数学模型，自动确定粮温的正确走向及报警温度阈限，并提出相应的处理建议，对仓库保管人员预测及处理储藏过程中有可能发生的问题提供借鉴，克服了人为因素对分析结论的影响，对于辅助决策意义重大。 
　　1.3 粮情控制 
　　粮情控制包括机械通风、环流熏蒸、谷物冷却、生产过程控制。粮情测控系统是利用计算机、传感器、通信等现代电子技术对粮食储备中的粮情变化进行实时检测，并将数据传输、存储、分析预测报警、自动控制粮情设备运行的系统[4]。粮情测控系统要求具备以下功能：储藏物理量检测，具备检测温度、湿度指标功能；数据分析，能对检测的数据进行分类，按粮温、湿度等的变化规律，自动确定理论值，并与实测值进行差值、变化率、临界点的分析，并自动找出异常点和异常值；系统报警，系统可以根据人工设定的界限或根据温湿度变化规律模型分析得出报警点，通过屏幕显示报警和打印；通风控制，简易的可通过定温定湿控制，较*可按不同的通风目的，自动运算、判断和控制。 
　　2 粮情测控系统/智能粮库系统基于无线传感器网络的粮情测控系统设计 
　　储粮的主要物理参数是粮食的温度、水分以及仓内空气的温度、湿度[5]。由于粮食储备库的特殊环境条件，粮食出入库时，传感器模块要拆卸和重新安装，仓库中存在有毒气体，容易腐蚀电子元器件，粮堆中损坏的传感器不容易更换。而目前应用于粮食储藏的粮食检测系统大多采用模拟温湿度传感器，布局大多为有线通信方式，如现场总线、集散控制总线等，布线繁琐，不利于系统布局变动和维护。而且需要在仓库布置大量的测温电缆，安装和拆卸繁杂，同时受到导线电阻和分布电容的影响，测量误差比较大。而基于无线传感器网络的粮情监测系统既降低了成本，而且布线简单，抗雷电干扰，功耗低，组网灵活，安置和维护简单，解决了之前有线方式及基于其他技术的无线网络中存在的问题[6]。无线传感器网络可以很好地避免传统粮食存储测控系统存在的弊端，具有智能健壮、方便灵活、成本较小等优点。基于无线传感器网络的粮情测控系统，在粮仓中均匀安置粮情参数无线传感器监测节点，粮情监测节点负责接收来自粮仓主控节点的数据采集指令，采集粮情参数，数据通过无线传感器节点发送到粮仓主控无线网关节点，具体分布如图1所示。 
　　2.1 无线传感器网络简介 
　　监测区域内随机分布的种类繁多的微型传感器组成了无线传感器网络，简称WSN。其工作原理是低功耗微型传感器节点通过无线通信方式迅速自行组网，并对监测区域内的各种微观环境信息进行感知、监测、采集、分析，后将结果发送给观察者[7]。无线传感器网络已经被视为互联网之后的第二大广泛存在的网络，其作为信息获取的重要和常用的新技术，发展的越来越快，也越来越深入到农业生产的各个领域。 
　　2.2 系统结构 
　　为保证粮情数据实时、准确、稳定传输，需要建立一个稳定、合理的体系结构。在无线传感器网络中，维持良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为网内数据处理、时间同步和定位等提供，有利于延长整个网络的寿命[8]。基于无线传感器网络的粮情测控系统是通过无线通讯信号将计算机、测控主机、测控分机、分线器和粮情传感器等连结起来构成的，其主要系统结构如图2所示。在粮库总控室内一台或几台计算机上进行检测，该计算机通过测控主机与现场检测传感器相连，或在粮库办公楼内某个计算机局域网的任意一台计算机上进行检测，将粮情检测系统当作一台网络服务设备。随着计算机技术的广泛应用，机械系统设计的理论、方法和手段也随之发生重大变革[9]。分布在粮仓中的无线温湿度、水分传感器对粮仓中的粮食各部位温度、粮仓内空间温度和湿度、粮仓外环境温度和湿度等基本粮情参数进行检测，也可对粮食水分、虫害、磷化氢气体浓度等扩充粮情参数进行检测。温湿度传感器接收粮情测控分机指令，直接输出数字化的仓房外环境温湿度和仓房内上部空间温湿度数据传送到分机进行处理。水分传感器通过开孔透气的探杆将传感器埋设在粮堆中，实时检测粮堆位置的温度、湿度和平衡水分，且检测值与粮堆深度、粮食密度以及粮食杂质无关。在该系统运行过程中，通过对检测结果的分析，判断粮仓内的粮食是否处于正常状态，对粮仓中的粮食各温度测点的温度值和升温趋势进行分析报警，并给出报警点的具体位置。一旦发现粮情异常，如遇高温天气时，自动通过风机降温通风。各设备之间采用无线的方式进行数据传输，相比于有线方案，传感器的安装位置不受环境因素制约，可按照实际需要，在无线信号的覆盖范围内任意位置部署，针对一些特殊环境下的监测点可灵活增减传感器的数量。 　　基于无线传感器网络的粮情测控系统，通过对粮食温度变化进行实时监测，采集到的温度数据以无线通信的形式，经无线传感器网络上传到远程服务器中，实现温度数据的实时跟踪与监测，提升了仓储粮食的管理水平。 
　　2.3 系统特点 
　　粮食收储单位大多位于较偏远地区。若采用传统的有线组网方式，大量使用的电缆会引入电磁干扰，从而降低信噪比[10]。而无线传感器网络是将数目繁多的温湿度传感器用无线自组织网络确定连接关系，从而组成结构化的网络。基于无线传感器网络的粮情测控系统，通过无线通讯方式实现仓与仓、仓与控制中心之间数据传输，系统软硬件之间兼容性非常好，可避免因通讯线路不畅或电脑损坏造成不能检测粮情的问题，无线网络传输系统设备抗干扰能力强，数据传输准确，造价低，无需电缆连接，省掉大量繁杂的电缆布线工作，大大提高粮库管理的灵活性，维护操作简单，不影响进出库、杀虫作业等工作，大大减少雷击的机会，抗干扰、抗雷击能力强，测量精度高，设备抗熏蒸效果好。设备间可自由互换，故障隔离效果好，如出现某一故障点，不影响其他设备正常工作，系统结构灵活多样，适合各种大、中、小型粮库，提高了系统的可靠性和稳定性。无线传感器网络（WSN）不但可以实现实时监测、感知和采集网络分布区域内监测对象信息，并对这些信息进行处理，而且可实时将信息通过无线的方式发送给用户[11]。这样减轻了管理人员的工作强度，加快了决策效率。 
　　3 粮情测控系统/智能粮库系统结语 
　　粮食安全是关系国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值[12]。在我国粮食产量逐年递增的情况下，国家对于粮食品质和存储安全提出了越来越高的要求。在粮食流通环节中，存储管理是保证粮食安全的重要环节。基于无线传感器网络的粮情测控系统，能够根据粮食存储的实际要求，实现粮食温度的实时监测，达到粮食霉变的早期预防和科学保粮的目的。系统对采集到的大量温度数据进行汇总、统计与分析，既提升了粮食存储与管理的水平，又为今后探索粮食温度变化与季节、气候、存储工艺、粮食质量等诸多因素的关系打下了坚实的基础。 
　　4 粮情测控系统/智能粮库系统参考文献 
　　[1] 徐春华，王晓宁.智能化粮情监控系统的设计与实现[J].安徽农业科学，2012，40（23）：11913-11914. 
　　[2] 张炼冬，汪秉文.无线传感器网络在粮情测控系统中的应用[J].计算机工程与科学，2010，32（4）：114-118. 
　　[3] 李敏，汪春，孟臣.数字化粮情检测智能温湿度传感器[J].农业机械学报，2005，36（4）：99-102. 
　　[4] 陈中孝，蒋军胜.基于Web的粮情测控系统的设计及实现[J].现代电子技术，2012，35（12）：72-74. 
　　[5] 滕召胜，蔡铁，王可宁，等.一种智能化粮情自动检测系统[J].农业工程学报，2001，17（4）：144-147. 
　　[6] 岐世峰，李艳华.无线粮情监测管理系统的设计与实现[J].四川大学学报：自然科学版，2012，49（1）：75-79. 
　　[7] 蔡镔，袁超，顿文涛，等.无线传感器网络在农业生产中的应用研究[J].江西农业学报，2010，22（9）：149-151. 
　　[8] 顿文涛，毕庆生，惠向晖，等.无线传感器网络在数字农业中的应用[J].科技视界，2012（29）：123-124. 
　　[9] 顿文涛，谷小青，王力斌，等.基于无线传感器网络的农业温室环境测控系统研究[J].现代农业科技，2013（5）：203-204. 
　　[10] 赵文敏，琚春华，朱安定.粮情监测系统传感器网络的混合路由算法[J].传感技术学报，2010，23（3）：423-427. 
　　[11] 顿文涛，夏斌，车银超，等.基于无线传感器网络的农业精量灌溉系统设计[J].现代农业科技，2012（24）：216-217. 
　　[12] 韩安太，何勇，李剑锋，等.基于无线传感器网络的多参数粮情自动检测系统设计[J].农业工程学报，2011，27（7）：231-237.

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