基于无线传感器网络的粮情监测系统

基于无线传感器网络的粮情监测系统

陈得民  北京必创科技有限公司

摘自:粮食加工

摘要：粮库粮食安全关系国家经济命脉，本文主要研究设计了粮情无线监测系统方案。通过对粮库粮堆结构研究，设计了无线传感器网络模型，分析了粮情要监测的信息，并对此设计开发了相应的粮情监测软件。本文给出了整个系统的架构，无线传感器节点平面布置方案，无线传感器节点立体布置方案，数据采集方案，数据处理方案，上位机系统的架构及功能开发。通过实际工程应用，本系统运行可靠，很好的实现了国家粮库粮堆的安全监测。

关键词： 无线传感器网络 网络模型 数据采集

1  引言

近年来，在国家投资新建的粮库中，都配备了粮情电子检测分析控制系统，它的使用大大降低了保管员的劳动强度，提高了保粮的技术含量和水平。粮情测控系统是保证储粮安全的主要设备之一。形象地说，粮情测控系统是粮库管理人员看好粮食的眼睛，是保证储粮质量安全不可缺少的设备。粮库配备非常先进的储粮设施，意在提高国家粮食储备的科技含量，使储备粮管理科学化、信息化。

本系统采用无线技术，测温点以无线方式将温度值送回中心，完全没有了各种连线电缆，仓内无需穿墙、打孔、埋线，测温点以电池供电，任意放置于粮堆内任何位置。在测温系统中，感温元件也就是温度传感器是最关键部分,本粮情测控系统主要使用数字式温度传感器。

2        系统整体方案设计

   本系统可以通过连接BS903网关实现本地粮情检测，亦可通过带GPRS功能的BS909网关实现远程检测，其系统架构如图1所示。     

（一）本地检测系统

（二）远程检测系统

    如1图所示，该系统采用先进的无线通讯体系结构，它改变传统的集散型测控模式，实现了现场设备之间和现场设备与控制室之间多站点、全数字化以及双向通讯，使系统基本测控功能完全下载到现场，成为新一代的全分布式测控系统。

    为本系统可配置专门设计的便携式手持测试仪，在仓房现场即可很方便地进行系统调试和维护，免除在微机室和现场之间来回奔跑之苦。

    该系统由以下三级结构组成，易维护、运行稳定可靠。

第一级：计算机

    计算机安装必创科技BeeDat软件，通过USB或网口与BS903网关连接，通过GPRS网络与远程GPRS网关连接，实现粮库测点数据处理。

第二级：网关

    本地检测系统采用BS903网关，远程检测系统采用带GPRS功能的BS909网关。

第三级：传感器网络[1~3]

 通过传感器网络模型将传感器节点布置在粮仓内。检测数据通过无线传感器节点发送到网关。

   在粮仓中均匀安置粮情参数监测节点，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，通过无线方式发送到粮仓主控无线网关节点，如图3所示。

3        系统功能

3.1 温湿度检测功能

   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，包括以下检测方式：

   实时检测: 对粮情进行实时检测;

   定时检测: 对系统进行设定，在指定的时间进行自动定时检测;

   本地检测: 在粮库总控室内一台单独的微机上进行检测(该微机通过检测主机与现场无线网关相连);

   远程检测: 在上级主管部门某个办公室内一台单独的微机上通过网络连接进行远程检测。

3.2 扩展检测功能

   可根据需要对粮食水分、虫害、磷化氢气体浓度等扩充粮情参数进行检测。软件上预留有上述扩充功能。

可按要求设计多传感器的封装结构，将温湿度、水份、密度、虫害等传感器集成在其中，实现可应用的多传感器系统，如图2所示。

3.3 温度报警

   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。

3.4 数据分析

  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（正常可能虫害或霉变）。

3.5 数据显示

    可以用户认为某种直观的方式对粮仓中粮食各部位温度值进行显示，包括以下显示方式：

    三维图形方式：以连续变化的图形颜色表示温度值高低

    三维数字方式：以数字及其变化的颜色表示温度值高低

    表格方式：以通用的表格形式显示温度数据

    曲线方式：以“三温三湿”复合曲线显示各温度和湿度测点或层面在一段时间（年、季度、月等）内的变化轨迹。

3.6 数据打印

   软件包括以下打印方式：

    测点编号报表打印、电缆物理布局打印、曲线打印。

3.7 数据存储与检索

   存储：对用户每天检测的粮情数据进行自动保存和备份。

    检索：用户可以查询任何一个检测日期的数据。

3.8 数据共享与远程传输

共享：可以很方便地与其它数据库管理软件实现数据的共享。

远程传输：系统通过服务器∕客户端模式，运用TCP/IP协议实现任意两地间安全可靠的数据传输，为国家有关粮食管理部门进行数据的自动汇总及统计分析提供了方便。

3.9 单机与网络运行

   单机运行：软件在粮库总控室独立的微机上运行，用户通过该计算机对粮情进行测控。

    网络运行：软件在用户局域网上的任何一台微机上运行，多个用户（设置不同权限）通过局域网控制测控计算机（直接连接测控设备的计算机）进行粮情测控。

4  传感器网络布置模型[4]

   为了达到既能有效及时地检测粮仓各点温度又节约设备投资的目的，系统采用以下合理的检测点布置原则（针对平房仓）。

    粮温布点原则：测温电缆水平方向点距≤5米，垂直方向点距≤2米，上下四周测温点设在粮面下、靠墙壁、地坪30—50厘米处。

    仓温仓湿及气温气湿布点原则：每个仓房（廒间）设置一对温湿度传感器（仓温仓湿传感器），整个库区设置一对温湿度传感器（气温气湿传感器）。

    在实验仓房中，为了充分反映外界环境对粮温的影响，除了利用原有的温度传感器外，还额外布置了从内到外逐渐加密的传感器布置方案，具体监测点平面布置及采集方案如下。

   （一）数据监测点平面布置方案

    平房仓粮堆温度数据信息采集系统监测点布置平面示意图如图4所示。具体方案：仓内粮堆温度监测装置的设定是相对东、南、西、北侧墙向内每侧各布置2组测温电缆，每组间距为1m;东、南、西、北各侧由墙向内布置的间距分别是0.25m、0.25m、0.5m、1.0m、1.0m、……。

   （二）数据监测点立面布置方案

    平房仓粮堆温度数据信息采集系统监测点布置立面示意图如图5所示。具体方案：粮堆温度监测点分别由粮面向下和由仓底向上布置，按照6m装粮高度每根测温电缆设置11只温度传感器，自粮面向下及自仓底向上传感器布置间距为0.25m、0.25m、0.5m、1.0m、1.0m。

  （三）数据信息监测采集时间及周期方案

   监测数据信息的采集时间及周期设定为：每日每2小时定时监测采集一次各监测点的数据信息，监测采集周期定为2年。

  （四）数据监测信息采集与整理方案

   在保证将同一批粮食在以上仓房连续存储2年以上的情况下，按上述采集频率和周期连续采集粮温及气象监测数据。数据整理程序绘制粮堆各部位及自然环境的温度-时间变化曲线，并对邻近位置的曲线加以比较。分析比较曲线间的时滞及振幅变化。

    对仓内东、南、西、北各侧2组同一平面的2个粮堆温度监测点的数据信息采取求平均值的方法进行整理，按以上方案进行整理，以调整监测数据信息的可靠性和稳定性。

5、上位机软件设计[5]

    上位机软件各功能模块组合框架如图6所示，通过“主界面”、“数据源”、“数据记录”和“数据显示”四个子系统的协同工作，实现了对无线传感器节点的管理和控制, 数据处理窗口如图7所示, 软件主界面如图8所示,立体测点显示如图9所示。

    主界面主要提供了一些网络参数的察看设置以及一些对网络的控制命令；数据记录系统主要实现对采集的数据进行保存；数据源系统主要是对实时采集的数据进行缓冲，根据用户对数据的不同显示方式，将数据进行前期处理；数据显示系统主要是对采集的数据用不同的形式表示出来。

               6、结论

近几年来，在国家投资新建的粮库中，都配备了粮情电子检测分析控制系统，它的使用大大降低了保管员的劳动强度，提高了保粮的技术含量和水平。形象地说，粮情测控系统是粮库管理人员看好粮食的眼睛，是保证储粮质量安全不可缺少的设备。粮库配备非常先进的储粮设施，意在提高国家粮食储备的科技含量，使储备粮管理科学化、信息化。

本系统采用无线技术，测温点以无线方式将温度值送回中心，完全没有了各种连线电缆，仓内无需穿墙、打孔、埋线，测温点以电池供电，任意放置于粮堆内任何位置，比传统的粮情有线监测系统更加方便。

参考文献：  

[1] SANJAY-AKKOTTAI,ARIKANTR,NESSSHROF. Unreliable SensorGrids: Coverage, Connectivity and  Diameter[C]//INFOCOM2003, Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.San Francisco,CA,April 2003:1073-1083.

[2] 孙利民，李建中，陈 渝，等.无线传感器网络[M].北京,清华大学出版社，2005.

[3] 郑增威，吴朝晖，金水祥.无线传感器网络及其用[J].计算机科学, 2003,30(10):138-139

[4] 王海东,孙利民.无线传感器网络的定位机制[J].计算机科学,2006,33(4):36-38.

[5] 吴 涛.PLC 与上位机的高速通信实现[J]. 控制系统, 2007 :12-1.