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1、基于无线传感器网络技术的仓储粮食温度监测系统【产品介绍】2011 2011-12-291. 产品介绍本产品是针对我国粮食存储的实际特点，创新地将无线传感器网络技术应用在粮食存储领域，开拓了物联网技术在粮食仓储领域的应用模式。本产品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，提供一套先进完整的适用于各级粮食存储单位使用的粮食存储环境监测解决方案。我国长期把发展农业作为基本国策，把粮食储备作为国家重大安全事项，自2004年2011年，我国粮食行业实现了连续8年的产量持续增长，在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，收
2、储管理是保证粮食安全的重要一环，在粮食存储期间，由于粮食的后熟、水分过高、害虫、微生物和杂质过高都会引起粮温升高，造成局部粮食霉变。目前，由于储粮条件简陋、储粮技术水平低，储粮损失大，平均损失率高达8%-10%，每年我国仅农户储粮损失就达1500万2000万吨，造成直接经济损失180亿240亿元。粮食产后损失是个世界性的问题，根据联合国粮农组织的调查，全世界每年粮食霉变损失3，虫害损失5，合计8(资料来源：董振国、王汝堂等，我国农村粮食产后损失约810，“三农在线”2006年10月16日)。为此国家已经启动了粮食产后减损安全保障工程，计划到2016年，将在全国24个省（区）改善储粮监测条件，并
3、通过示范效应影响全国，把储粮的损失率减少到3%-5%，即每年减少粮食损失55亿公斤左右，这相当于增加1200多万亩高标准粮田。如何根据粮食存储的实际要求，及早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，是各级粮库或粮食加工企业所面临的现实难题。本项目是遵循无线传感器网络技术的技术原理，根据仓储粮食温度监测的国家标准以及相关技术文献，利用无线传感器网络产品价格低廉、自由部署、无线通信、自组织网络等技术优势，研制出一套低能耗、高速率、防护能力强、多路温度采集的无线远传粮食温度监测与分析系统。系统的工作原理是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
4、传感器网络上传到远程监测服务器中，实现温度数据的实时跟踪与监测。为了提升仓储粮食的管理水平，系统对采集到的大量温度数据进行汇总，统计与分析（利用数据聚集、决策树等技术），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。产品主要特点如下：l 物联网络，创新应用在国家大力倡导的物联网产业的背景下，本产品中所采用的物联网网络技术是国际先进的无线自组织网络，设备间的组网过程具有智能自组织的特点，无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。l 可信产品，工业品质温度环境监测设备选用国际先进的智能芯片，所有器件均按工业级别标准进行采购，可达到-40的抗
5、寒能力以及IP6级别的防尘防水等级，不仅如此，产品采用超低功耗设计，在4节1.5V电池供电的情况下，电能续航能力在2年以上。测温产品的测量精度为0.5，可以实时监测粮食存储环境的温度变化。温度环境监测设备，支持多点温度并行监测，并且针对一些特殊环境下的监测点可适当增减传感器的数量，使系统达到“无死角”的监测。l 实用便利，易于部署 在采用有线数据传输方式的监测系统解决方案中，电缆和光缆的使用数量较多，施工布线受电源、环境等因素的限制，安装铺设困难，后期维护复杂，施工成本偏高，并且有线网络一旦形成就不可随意拆卸，极大地降低了粮食存储监测系统实施使用的灵活性。在本产品中，各设备之间采用无线的方式进
6、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，可按照用户的实际需要，在无线信号的覆盖范围内任意位置部署；设备部署与使用期间，无需大量布线，易于安装于维护。l 节省投入，长期收益本系统采用无线数据传输方案，无需支付任何布线费用，所使用的无线通信频段，是国家无线电管理委员会批准的公共免费无线频段，在数据传输过程中，用户无须承担任何通讯费用和系统运行费用，在保证使用便利性的同时大幅降低了系统的实施难度，同时也为客户节省了实施与维护成本。2. 解决方案2.1 技术导则在制定本方案期间，经过严格的产品与标准调研工作，结合本方案内容，我们严格遵循粮食仓储行业的粮情电子检测分析控制系统技术规
7、程、中央直属储备粮库粮情测控系统技术质量要求以及相关电子产品设计规范，已保证方案的科学性，先进性与安全性。具体标准如下：l 粮情电子检测分析控制系统技术规程；l 中央直属储备粮库粮情测控系统技术质量要求；l GB 49432001 信息技术设备的安全；l GB/T 61131995 无线电干扰和抗扰度测量设备规范；l GB/T 2423.12001电工电子产品基本环境试验规程 试验A高温试验方法；l GB/T 2423.22001电工电子产品基本环境试验规程 试验B高温试验方法；l GB/T 2423.42001电工电子产品基本环境试验规程 试验Db交变湿热试验方法；l GB/T 2423.5
8、-1995 电工电子产品基本环境试验规程 试验Ea冲击试验方法；l GB/T 2423.5-1995 电工电子产品基本环境试验规程 试验Fc振动正弦试验方法；l GB/T 17626.3-1998 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验；l GB/T 17626.2-1998 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验；l GB/T 15844.11995 移动通信调频无线电话机通用技术条件；l GB/T 1527794 信息处理6bit分组密码算法的工作方式；2.2 同类产品对比目前，国内外对仓储粮食温度的检测产品，按照技术路线的不同，可分为便携式手持粮温检测仪，现场总线控制和
9、短距离无线通信三种技术方案，均能够达到以预防为主，降低粮食霉变几率，最大限度地减少粮食收获后的损失的目的。下面结合国内外的研发现状对各项技术进行比较与分析：（1） 便携式手持粮温检测仪。便携式粮温检测仪是目前人工抄录粮温数据的主要方式，设备类型属于全集成化数字仪表，采用标准的CMOS数字集成电路技术，测温仪具有投资省、体积小、操作简单、易于携带等特点。便携式粮温检测仪的温度采集过程是通过粮囤内的温度探杆与便携式粮温检测仪的采温端口连接，探杆将温度模拟信号发送到监测仪中，信号经模/数转化后以数字形式显现；最后，检测人员进行现场纸质手工记录。图 1 便携式粮温检测仪便携式粮温检测仪的突出优点是价格
10、低廉，易于使用，无需布线，对场地没有特殊要求，广泛应用于小型粮库和室外粮囤。但是，这种方式的存在人工抄录数据的痼疾，需要投入很大的人力进行现场数据抄收和二次录入，经常出现错抄，漏读的情况，并且这种方式不具备信息化监测的任何特征，不能实现数据存储与分析，更不能实现远程实时监测。（2） 现场总线控制方式。目前，大多数仓储粮食温度监测系统的技术路线是采用总线控制方式，粮食温度数据通过部署在粮库的总线进行有线的数据传输，根据总线类型的不同可分为CAN，MODBUS和串口总线等多种技术方案。图 2 总线解决方案这种方式的主要优点在于利用成熟的总线控制技术，数据采集与传输的可靠性较高、实时性好、技术风险低
11、。但是总线技术必须在现场铺设线缆，对粮仓的场地建设标准要求较高，普遍用于大型水泥或钢板粮仓，不能应用于非固定集中储粮的现场，此外，在现场实施期间对于安装位置，操作流程，固定方式都需要有严格的实施标准，实施难度和成本较高。 方案内容有线解决方案无线解决方案系统精度低 系统精度=传感器精度*变送器精度*巡检仪精度 （普通的在线方式传感器采集的温湿度数据传递到计算机时，必须通过三次模拟量到数字量的信号转换过程，而每次转换都肯定产生精度误差，所以，最终有效数据结果精度低、误差大）高 系统精度=传感器精度 （传感器只通过一次模拟量到数字量的信号转换过程，在随后的数据传送中就是不存在转换精度问题的数字信号
12、）技术先进性已经使用了将近20年的通用技术21世纪初最新的无线通讯产品可靠性 低 （因为有接线，所以存在电缆不通被老鼠咬断、老化、接线端子松动等潜在的故障隐患） 高 （因为没有接线，所有元器件全部密封在一层防水涂料中，可以应用于非常潮湿的环境）安装方式复杂 （需要走桥架、布线、配电）简单 （无线通讯方式）工程施工量大小可替换性差好可维护性差好使用寿命一般 （即使该库房不使用，传感器仍安装在现场） 长 （该库房不使用，可以把传感器轻松地取下，停止其工作，存放到环境好的备件库内）重复使用难 （拆卸不方便）容易 （只要传感器在使用精度范围内，就可以在不同的地点、不同的项目中重复使用）投资成本一次性投
13、资成本高 （不管该库房是否马上使用，都必须一次性布线、安装传感器）一次性投资成本低 （无线温湿度传感器可以按实际使用量购买）传输距离300-500米800米以上表格 1 有线与无线方案技术对比2.3 系统结构本项目所采用的监测方案是物联网技术的一种典型案例，系统按照物联网体系架构可分为：感知层、网络层与应用层，共三个层次。其中，感知层是由带有传感器的无线终端组成，多个设备之间可以进行无线数据转发；网络层用于无线网络数据传输，并且可与局域网或者物联网进行对接；应用层是通过计算机软件系统，手机或其他设备，将传感器所采集的数据信息提供给用户。图 3 系统层次图按照系统的组织结构，系统可分为现场采集点
14、，无线网络和监控中心三部分。首先，现场采集设备负责采集环境数据（温度），然后，这些环境数据由采集设备内的无线模块发送给无线网络设备；其次，由无线路由器和基站共同构成的无线网络将环境数据上报给监控中心；最后，监控中心将原始的环境数据转化为业务数据并进行存储，供用户查阅与分析，当发生异常时，系统还将向用户显示报警信息。图 4 系统结构图2.4 系统组成监测系统是由无线温度检测仪，智能无线路由器，基站和一套专用应用系统共同构成，各部分的具体功能如下：1. 无线温度监测仪：无线温度监测仪是指可外接测温带或者温度探杆的无线环境温度监测设备。无线温度检测仪采用低功耗产品设计，具有突出的节能安全特点，每台无
15、线温度检测仪最多可接入8根测温带。无线温度检测仪由无线路由器节点负责管理，采用休眠/唤醒的工作方式，大大节省了电量的消耗；图 5 无线温度监测仪2. 无线路由器：无线路由器是整个无线网络的骨干，负责数据的转发，网络信息采集，自动组网和其他网络层协议的实现。每个无线路由器管理一组终端设备，无线路由器间相互组成自组态网络，整个网络向上级基站发送数据或向下发送由无线路由器发送下的命令信息，每个无线路由器可以管理20个终端或者其他无线路由器；图 6 智能无线路由器3. 基站：基站设备是作为链接有线网络和无线网络的枢纽，负责上、下行数据的处理，以及网络信息的维护。基站管理一组无线路由器，实时管理和维护整
16、个网络的拓扑变化。每个基站下可以同时管理50个无线路由器；图 7 基站4. 监测系统：监测系统是一个综合的、基于网络数据流的数据处理与服务系统。其主要功能包括：无线网络管理，现场监测，历史数据查询统计，异常信息提示，数据分析等。图 8 应用系统截图3. 现有产品3.1 无线温度监测仪无线温度监测仪样机图片功能描述无线温度监测仪，内置无线收发模块与温度监测传感器，可外接温度探杆或者测温带，负责采集粮堆的温度，并将温度数据通过无线方式发送给基站或路由器。主要参数1. 测量范围：20+60；2. 测量精度：0.5；3. 工作温度范围：-40+85；4. 工作湿度范围：85%RH；5. 传输距离：节点
17、中的无线射频单元，采用符合国际标准的射频芯片，可根据需要现场需要，进行功率调整，达到最低功耗的使用。在不加入PA以及LNA的情况下，有效稳定距离为500米；6. 供电方式：电池供电；7. 持续工作能力：使用高性能电池，在数据上传频率5min/次情况下，可以使用2年时间以上；8. 容错能力：CRC校验，电源检测以及完全自动的数据传输安全保护。表 1 温度监测仪3.2 智能无线路由器智能无线路由器样机图片功能描述智能无线路由器，是自主研发的适用于粮食监控环境的专属设备，该设备通过对数据信号的复制、调整和放大功能，来扩大网络传输的距离。智能无线路由器是整个无线网络的骨干，负责数据的转发，网络信息采集
18、，自动组网和无线网络协议的实现。每个无线路由器管理一组终端，无线路由器间相互组成自组态网络，整个网络向上级基站发送数据或向下发送由无线路由器发送下的命令信息。主要参数1. 工作温度范围：-40+85；2. 工作湿度范围：85%RH；3. 传输距离：路由器中的无线射频单元，可根据需要现场需要，进行功率调整，通常情况下，有效稳定传送距离800米；4. 供电方式：有源；5. 掉电保护：有；6. 容错能力：CRC校验，电源检测以及完全自动的数据传输安全保护。表 2 智能无线路由器3.3 基站基站样机图片功能描述基站设备是通过无线方式实时收集各节点采集的温度等信息，并通过以太网或者GPRS等通信方式将温
19、度数据传送给监测管理系统。基站作为链接有线网络和无线网络的枢纽，该设备负责上、下行数据的处理，以及网络信息的维护。每台基站管理一组无线路由器，实时管理和维护整个网络的拓扑变化。主要参数1. 工作温度范围：-40+85；2. 工作湿度范围：85%RH；3. 传输距离：节点中的无线射频单元，可根据需要现场需要，进行功率调整，通常情况下，有效稳定传送距离为800米；4. 供电方式：有源；5. 掉电保护：有；6. 容错能力：CRC校验，电源检测以及完全自动的数据传输安全保护。表 3 智能基站3.4 软件系统l 场地监测“场地监测”是进行粮食存储环境实时监测的主要手段。在该功能中，系统采用图形化的显示方
20、式监测当前场地内各个粮食存储点（粮仓，筒仓和粮囤）的温度变化情况，用户能够从宏观角度综合地观测到各场地温度环境状态。此外，存储点的位置采用可自由部署，用户随意选择任何一个监测点就可进入该存储点内部，观察温度变化的详细情况。图 9 场地监测整体l 现场监测对于已经部署了带有温度监测设备（可外接探杆或者测温带）的粮食存储点，如果要查看温度监测的详细信息，可进入该存储点内观测现场各设备的监测详情，系统提供了包括平均温度，最高，最低温度以及粮堆各个深度的温度等多种信息。图 10 现场监测l 温度查询按照用户输入的查询时间与查询范围，系统将获取出指定时间范围内的温度上传的记录。图 11 温度查询l 报警查询按照用户输入的查询时间，根据系统预先设值的温度上、下限阈值，系统将显示出高低温度报警数据信息。图 12 报警数据查询结果l 数据统计数据统计功能是根据统计选项生成每日，月份，季度或年度统计报表，展现粮囤中各个温度监测点的平均温度，最高温度和最低温度。图 13 数据统计l 报表功能为方便客户的打印和数据导出，系统提供了强大的报表功能支撑，支持打印预览，预览，内容检索以及缩放等功能，不仅如此，报表还支持Excel与PDF两种数据导出格式，用户可以根据实际需求来变更或保存数据内容。图 14 Excel导出结果
