基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度监测系统设计

引 言

随着社会的不断发展及人口数量激增，粮食已成为关系国计民生的重要产品。成品粮仓储是粮食物流的重要环节。为保证成品粮安全，需要周期性检测仓库多位置的温度、湿度数据。近年来，由于传感器技术、计算机技术、集成电路技术和网络通信技术的发展，国内也渐渐出现了丰富的数字传感器配套产品，技术比较成熟，使监测系统可广泛应用于物流仓储等方面，成品粮仓储监测技术的研究在软硬件等方面都取得了很大进展 [1,2]。

传统的仓储粮温湿度在线监测系统主要分为有线与无线两种。对于大型的成品粮库，有线方式受布线、安装等条件所限应用受到较多限制。现有大型仓储系统布点的监测只采用有线方式无法完成，因此基于ZigBee的无线传感器网络成为仓储系统、监测系统发展的重要趋势[3]。

本文基于无线传感器网络提供了一种成品粮仓储环境温湿度监测系统，并配合插补算法计算所监测到现有数据的均值得出变量的缺失值，绘制温湿度曲线，实现仓储环境温湿度监测，保证数据的实时性和可靠性。

1 监测系统的结构

1.1 监测系统总体结构

成品粮仓储温湿度监测系统的架构包括上位机与下位机两部分。基于上位机使用 Qt 平台进行软件系统开发，并与数据库连接，实现数据的存储。下位机由温湿度无线传感器节点组成，通过无线传感器网络实现温湿度数据的采集，并传输到上位机。系统架构如图 1 所示。

1.2 监测系统功能结构

成品粮温湿度监测系统软件由数据采集与存储、温湿度实时监测、过限报警、历史查询和温湿度场拟合五个子系统组成。该系统功能的实现有利于仓储的现代化管理，提高了仓储环境监测的效率、实时性与准确性。系统功能结构图如图 2 所示。

2 监测系统设计

2.1 监测系统硬件

无线传感器网络节点基于ZigBee 协议，采用ATmel 公司的ATmega1281V 微处理器和AT86RF 射频传输芯片，具有128 KB Flash 存储器，无线传输速率可达 2 Mb/s。监测系统由 8 个温湿度传感器节点与一个汇聚节点构成，温湿度传感器使用SHT10。

2.2 监测系统软件设计

无线传感器汇聚节点通过串口与上位机连接。上位机部分软件要对采集的数据进行校验，校验无误后对有效字段进行提取，提取的信息包括温度、湿度和节点信息，并在实时监测界面显示，存储到数据库中。如果温度超限，系统会报警提示。实时监测界面如图 3 所示，界面运行流程如图 4 所示。该监测系统还能够实现对历史数据的查询与曲线分析，界面分别如图 5、6 所示。

图 5 历史数据查询

在成品粮仓库中，温湿度场的分布对安全储藏影响较大， 然而在实际情况中传感器布置不可能无限布点，温湿度分布在空间范围内不会跃变，因此可以采用插补方法[4]，通过有限点拟合温湿度的分布。均值插补算法以总体的平均值作为该变量所有缺失值的替代值，经计算，以总体均值替代全部缺失值， 通过计算现有数据的均值就可以得出变量的缺失值，在算法的实践中也较容易。因此在监测系统中采用均值插补获取温湿度的分布。温湿度在仓内纵向分布拟合如图 7所示。

基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度监测系统经测试，成功运行。

结 语

本文设计了基于无线传感器网络的成品粮仓储环境温湿度监测系统，完成了成品粮库温湿度数据的实时采集、存储与显示，并能够进行超限报警、历史数据查询与曲线分析，同时为获得温湿度分布采用插补方法对温湿度数据进行拟合，该系统运行成功，为成品粮安全储藏提供了有效的监测手段。