基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

張德超

（吉林煙草工業(yè)有限責任公司 長春卷煙廠，吉林 長春 130031）

0 引言

隨著新能源、無線通訊、微電子等行業(yè)技術的更新迭代，物聯(lián)網(wǎng)技術得到了迅速發(fā)展，當前物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等領域大量應用，有效推動了行業(yè)的智能化發(fā)展，從而提高了行業(yè)效率、效益。目前物聯(lián)網(wǎng)技術也越來越多的應用在煙草行業(yè)，如貨物的出入庫掃描、加料防差錯掃描識別以及環(huán)境監(jiān)測等[1]。

目前對于國內(nèi)的煙草行業(yè)，大部分還在沿用傳統(tǒng)的倉儲管理方式，環(huán)境溫度、濕度以及PM濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)需要人工抄報，不僅時效性不強，數(shù)據(jù)采集頻率低，還容易出現(xiàn)抄報錯誤及數(shù)據(jù)缺失的問題[2]。近年來國內(nèi)各省煙草公司更加注重生產(chǎn)技術革新，積極研究并改善煙草倉儲管理技術，從而保證煙草質量、降低人力物力損耗，提高倉儲智能化管理水平。當前，越來越多成型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)被應用到煙草的倉儲管理體系中，本方案立足于傳統(tǒng)的倉儲系統(tǒng)，尋求更新技術方案，從而實現(xiàn)更高效、更完善、成本更低的倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 倉庫中溫濕度情況分析

1.1 溫度對卷煙的影響

在成煙和煙葉的倉儲管理中，氣溫是影響煙草質量的關鍵參數(shù)之一，不僅能直接影響卷煙的安全儲存，而且還能對環(huán)境的相對濕度產(chǎn)生影響并最終影響卷煙的質量。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）對相對濕度的影響導致的質量變化。如圖1為氣溫與飽和水汽壓關系曲線，由于：

圖1 氣溫與飽和水汽壓關系曲線

因此絕對濕度不變的情況下，溫度越高，相對濕度越小，卷煙的水分也會更容易揮發(fā)，反之則更容易受潮。

（2）對卷煙造成的直接影響。由于卷煙中包含其固有的以及人工添加的酯類、酮類等香味物質，這類物質容易在空氣中揮發(fā)，溫度越高時，這種揮發(fā)作用就會越強。另一方面，卷煙儲存過程中易產(chǎn)生霉菌，當溫度越高時，霉菌的活性也就越強，霉變也就更容易擴散。

1.2 濕度對卷煙的影響

由于煙葉表面是具有毛細管現(xiàn)象的多孔膠質體，并且含有可溶性糖分、有機酸等，并且本身含有一定的水分，因此卷煙具有很強的吸濕性，煙葉與空氣接觸時內(nèi)部水分容易隨著空氣中相對濕度的變化而產(chǎn)生蒸發(fā)或吸附[3]。因此相對濕度是卷煙倉儲管理中的關鍵參數(shù)，相對濕度過高時，與空氣接觸的卷煙水分增加即發(fā)生受潮現(xiàn)象，反之則水分減少。由于包含糖分卷煙在受潮后極易產(chǎn)生霉變，而且潮濕和霉變具有一定的傳導性：即水分多的向水分少的部分導濕；霉變的向沒有霉變的傳染，且溫度越高，水分子及霉菌活動愈強，傳導速度愈快。

1.3 設計思想

庫房的溫濕度對于卷煙的安全儲存有著密切關系，目前各煙草企業(yè)倉庫主要采用通風驅熱、密封保濕以及機械制冷等方法來控制卷煙倉庫的溫濕度，然而歸根結底都要有原始的溫濕度記錄，目的在于觀察、掌握其變化規(guī)律，利用現(xiàn)有的條件制造一個區(qū)域性的人工氣候環(huán)境，達到理想的溫濕度范圍以滿足卷煙的安全儲存條件。而目前倉庫都是采用人工觀測溫濕度表記錄的方法，然后再開啟空氣調節(jié)和濕度調節(jié)設備等工作方法，溫濕度管理工作的精細度存在一些的管理漏洞，因此開發(fā)設計一套倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將溫濕度自動化監(jiān)控與預警應用到卷煙倉儲區(qū)管理中，重點解決減少卷煙霉變、減少現(xiàn)階段人工抄報實效性不強、節(jié)假日期間管控缺失且隨機差錯難以避免等問題，運用溫濕度傳感采集器為工具，利用相關設備和信息化技術全面提高溫濕度監(jiān)控管理水平。

2 總體設計

針對現(xiàn)有倉庫環(huán)境和實際情況，構建倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，總體設計思路如下：

（1）安裝溫濕度傳感器結合低功耗單片機實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的自動采集，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動上傳替代人工抄報工作，將數(shù)據(jù)采集提升為7×24小時全天候自動采集；

（2）通過實時采集倉儲庫房中環(huán)境溫濕度，形成實時趨勢，同時隨著時間的推移，這些實時數(shù)據(jù)形成巨大的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)可以作為的追溯數(shù)據(jù)，為了提升煙葉質量，這些數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生更大的價值和意義，它作為大數(shù)據(jù)分析原始數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)分析和應用打下數(shù)據(jù)基礎。

（3）利用數(shù)據(jù)接口向其它信息平臺如MES、中控系統(tǒng)提供倉庫溫濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫對接。

3 詳細設計

3.1 硬件設計

首先考慮到布線成本和安裝靈活性，本方案選擇采用電池供電結合無線信號傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為了降低功耗及基站成本，擬采用低功耗廣域網(wǎng)通訊技術進行數(shù)據(jù)傳輸，LoRa和NB-IoT是目前最具發(fā)展前景的兩個低功耗廣域網(wǎng)通信技術[4]，滿足物聯(lián)網(wǎng)無線應用方案的長距離和低功耗要求，其中NB-IoT采用運營商的移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連入以太網(wǎng)，每臺無線終端單獨接入蜂窩網(wǎng)絡，通過服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集集成。LoRa也是一種低功耗無線標準，它使用非授權免費頻段，擁有更高的傳輸距離，利用LoRa搭建物聯(lián)網(wǎng)應用時需要一個基于LoraWan協(xié)議的網(wǎng)關，負責與終端傳感器節(jié)點通訊以及連入以太網(wǎng)絡和服務器進行通訊，所有網(wǎng)絡及基站由企業(yè)自建，其用戶數(shù)據(jù)既能在內(nèi)網(wǎng)上傳輸，也可接入互聯(lián)網(wǎng)進行管理。

經(jīng)調研分析LoRa與NB-IoT的主要對比見表1。

表1 LoRa與NB-IoT網(wǎng)絡對比

由于溫濕度的測量對傳輸速率要求不高，并且考慮信息安全及運維成本，選擇LoRa網(wǎng)絡作為倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，對于LoRa的硬件選擇，市面上有成熟可供二次開發(fā)的相應產(chǎn)品，經(jīng)過實地考察測量，選用Lo-Ra高功率版本，網(wǎng)關覆蓋范圍理論10km，支持40臺設備組網(wǎng)，終端傳感器節(jié)點選用3km版本，電池在5min上傳一次數(shù)據(jù)情況下理論上可使用1年左右，見圖2。

圖2 基于Lora網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測硬件

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)與交互邏輯

LoRa網(wǎng)絡協(xié)議工作在1GHz以下的非授權頻段，應用時不需要額外付費。其組網(wǎng)方式，見圖3。Lora溫濕度傳感器終端通過無線方式接入LoraWan網(wǎng)關，網(wǎng)關通過以太網(wǎng)接入數(shù)據(jù)應用服務器，數(shù)據(jù)應用服務器負責溫濕度儀器數(shù)據(jù)的采集，轉發(fā)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)存儲服務器，同時為客戶端和手持設備提供系統(tǒng)權限、數(shù)據(jù)分析、頁面展示等相關服務。

圖3 系統(tǒng)組網(wǎng)結構圖

3.3 系統(tǒng)功能設計

上位機軟件采用數(shù)據(jù)采集服務器與數(shù)據(jù)管理程序相結合的方式，其中數(shù)據(jù)采集服務實時采集各個節(jié)點的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)管理程序實現(xiàn)主要的業(yè)務功能，包括設備管理維護、實時數(shù)據(jù)查看以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

3.3.1 設備維護

在環(huán)境數(shù)據(jù)管理程序中，對環(huán)境監(jiān)測終端設備以及基站進行管理維護，見圖4，用戶可對設備類型、IP地址、端口號、設備描述和位置信息等檢測儀器的基礎信息進行查看、新增、更新和導入導出等操作，并查看設備連接狀態(tài)，報告異常情況。

圖4 設備管理界面

3.3.2 實時數(shù)據(jù)

如圖5所示，用戶可對各個區(qū)域的溫濕度信息進行查看，區(qū)域1為設備的詳情信息，包括位置信息、網(wǎng)絡信息、連接信息以及實時溫濕度數(shù)據(jù)，區(qū)域2為實時的報警信息，區(qū)域3和區(qū)域4分別為溫度和濕度的實時信息。

圖5 實時數(shù)據(jù)展示界面

3.3.3 統(tǒng)計分析

如圖6所示為溫濕度統(tǒng)計分析界面，可用于溫濕度實時趨勢的展示，同時可根據(jù)用戶選擇的時間區(qū)間進行統(tǒng)計分析并形成報表。同時可導出各個時間節(jié)點的溫濕度歷史數(shù)據(jù)，以供用戶進行進一步分析。

圖6 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面

4 結束語

設計并開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在煙草倉庫部署基于Lora無線網(wǎng)絡的溫濕度傳感器，分別采集倉庫不同區(qū)域的溫濕度，并部署無線網(wǎng)關采集溫濕度節(jié)點報文，使用數(shù)據(jù)服務器對倉庫所有節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)進行采集匯總以及進一步的展示、報警等，相比于其它溫濕度監(jiān)測方案，該系統(tǒng)不僅在硬件及部署成本上有較大優(yōu)勢，而且在實際應用中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作維護簡便、功能齊全，有利于提高倉儲環(huán)境溫濕度監(jiān)控管理水平，降低人工成本。