倉儲環境監測的研究和進展

（北京物資學院 信息學院，北京 101149）

1 引言

倉儲安全管理在倉儲管理甚至在整個物流系統中都占有十分重要的地位。防潮、防腐、防霉、防爆等工作是倉儲安全日常管理的重要內容，直接影響儲存貨物的質量和使用壽命。倉儲環境監測是倉儲安全管理的重要組成部分，是保證倉儲貨物安全和倉儲系統高效運行的關鍵。針對各類貨物對倉儲環境的不同要求，維持適宜的存儲環境，保證倉儲貨物的質量，從而最大限度地減少損耗、節約成本。隨著蔬菜、水果、藥品等溫濕度敏感性貨物以及危險品等特種貨物物流的發展，倉儲環境監測的重要性日益提高。

2 倉儲環境監測的重要性及關鍵參數分析

2.1 倉儲環境監測的重要性

隨著物流業的發展，企業對物流服務提出了更高更急迫的要求，許多企業對倉儲服務提出了個性化的需求。例如商場和超市要求針對貨物特點，對倉庫實現溫濕度分區管理和控制；乳制品企業要在原料和奶制品的倉儲過程中對溫度進行嚴格控制；煙草行業要對原料及成品倉儲環境的溫濕度進行嚴格控制；果品對環境的溫濕度及二氧化碳、乙烯等氣體濃度敏感，需要對倉儲環境進行較為嚴格地控制。這些個性化的需求在給物流行業帶來更多發展機遇的同時，也對倉儲環境的實時監控和庫存安全管理提出了挑戰。所以，保證倉庫安全和貨物質量是倉儲管理的一個重要部分，倉儲環境實時監測是倉儲管理的關鍵。

倉儲環境監測是指對食品、農產品、工業品、工業設備等物品存儲倉庫的監測管理，是供應鏈中非常重要的管理環節[1]。倉儲環境監測的主要目的為及時獲取反映倉庫環境質量現狀及發展趨勢的準確全面的數據，科學地指導倉庫環境調控以及貨物管理等。對倉儲環境進行有效監測不僅可以保證存放貨物的質量，延長貨物的使用壽命，還能防止貨物變質和損壞造成的環境污染，對整個物流系統和社會經濟發展具有重要意義。

2.2 倉儲環境關鍵參數分析

倉儲環境參數可反映倉儲環境的狀態。影響倉儲環境的參數主要有溫度和濕度、光照度、氣體濃度、粉塵和煙塵等[2]。

大多貨物在儲存過程中對倉庫環境都要求很高，尤其要嚴格控制溫度和濕度的變化；粉塵遇明火極易爆炸，直接威脅倉儲安全；煙塵主要由燃燒物產生。此外，光照強度、空氣流速以及空氣pH值等參數也會影響部分貨物的存儲質量。

2.2.1 溫度和濕度。在倉儲環境中，溫度和濕度是較為常見的環境參數，其變化直接影響著存儲貨物的性質。不同類別的貨物擁有不同的物理、化學性質，因此對溫濕度的適應性也就不同。

（1）溫度。普通貨物的一般存儲溫度為25℃左右，現有常溫庫的溫度在0～30℃之間，所以大多貨物都可以在常溫庫中存放。此外，某些貨物對其所處環境的空氣溫度要求非常嚴格。典型的溫度敏感性產品有生鮮食品、乳制品、疫苗以及藥品等。為確保產品質量安全，在生產、貯藏、運輸、銷售等各個環節中，必須始終處于規定的溫度環境下。

（2）濕度。空氣濕度可用絕對濕度、飽和濕度、相對濕度、露點濕度等四種方法表示，其中最常用的是空氣相對濕度。相對濕度是指一定溫度條件下空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，相對濕度越大，表示距離飽和狀態越接近，空氣越潮濕，水分越不易蒸發。

空氣濕度受空氣溫度的影響很大，當溫度不斷上升時，潮濕的空氣會變得越來越干燥。同一倉庫內，向陽面及倉庫上部溫度較高，相對濕度偏低；背陽面及倉庫近地面處溫度較低，相對濕度則偏高。對空氣濕度敏感度不同的貨物進行入庫操作時，需將其存放于倉庫中的適宜位置。

2.2.2 光照度。光照度表示被照射主體表面在單位面積上所受到的光通量。在倉儲環境中，光照度對貨物的存儲有積極的影響，也存在著消極影響。性質不穩定的物質，在光照條件下易分解并導致變質，反應過程中產生的熱量和可能的可燃性氣體會引發安全事故。同時，日光又影響很多微生物地生長，霉腐微生物可致食品、工業制品等發生霉變和腐爛，嚴重影響貨物的倉儲安全。此類微生物在日光直射下1-4小時即可死亡，因此易發生霉腐的貨物應儲存在光照度較好的環境中。

2.2.3 氣體濃度。各類氣體的含量和環境狀況好壞有密切關系，不同種類氣體的濃度是倉儲環境監控的重要參數，主要包括氧氣、二氧化碳、二氧化硫、乙烯和各種有害氣體的濃度監控。其中，氧氣和二氧化碳的濃度影響維持有機物自身生命活動的代謝過程，是倉儲氣體濃度監測的重點；除此之外，二氧化硫等有毒氣體和具有催熟作用的乙烯的氣體濃度也是倉儲安全的重要監測參數。

2.2.4 粉塵和煙塵。在大氣中粉塵的存在是不可避免的，然而粉塵會對貨物產生不利影響，在一定空間內遇到明火極易發生爆炸。儲存在被粉碎后的物質顆粒表面的能量稱為表面能[2]。表面能的大小與物質的粉碎程度成正比，被粉碎的程度越大，表面能就越大。粉塵顆粒非常小，具有極高的表面能，易發生物理或化學變化。粉塵與空氣充分混合后，遇到適宜的條件，會在瞬間發生爆炸，釋放出巨大的能量。因此，對倉儲環境中粉塵和煙塵地監控，增加環境預警功能，能夠有效地控制災難事件發生。

根據倉儲環境中所儲藏貨物的不同，應具體制定不同的環境參數監控要求，對影響倉儲環境的關鍵參數進行監控，并對采集到的數據進行存儲與分析。在出現異常參數信息時產生報警通知相關人員，以便及時采取必要的措施。

3 倉儲環境監測的國內外研究與應用現狀

傳統的倉儲環境監測主要依靠人工，利用溫度計、濕度計或濕度試紙、壓力計等探測裝置對環境參數進行測量，并且不定時查看、記錄倉庫各環境參數值。通過分析監測結果，采用人工調節控制方法，對不符合環境要求的庫房進行換氣、通風、去濕和降溫等。

伴隨著信息技術的發展，開始出現采用有線方式構建的倉儲環境監測系統。在某個監測區域布置固定的監測點,通過有線通信方式將監測數據傳輸給控制中心。韓慧設計了基于RS-485總線的溫室環境實時監測系統，監測溫度、濕度以及CO2濃度等多個參數，采用RS-485總線式通信網絡進行各環境參數值實時傳輸，從而實現遠程控制[3]；白云州設計了由環境參數采集端和監控中心兩部分組成的基于W5100的網絡化溫室環境監測系統，客戶端將遠程的實時環境信息通過計算機網絡傳輸到監控中心，監控中心的軟件能夠對這些數據進行處理、顯示和分析[4]；張曉東設計了一種基于ARM微處理器和CAN總線的糧食倉儲環境監測系統，采用環境質量監測傳感器對糧食倉儲環境進行在線實時監測[5]。

采用有線方式的環境監測系統雖然能夠獲得倉儲環境參數的實時信息，實現用戶在控制室中就可了解到全部倉室內的運行情況。但是存在布線復雜、不易擴展、可移動性差、管理和維護成本高等問題。

針對傳統倉儲環境監測方式和有線倉儲環境監測系統存在的不足，各國專家學者對倉儲環境監測技術做了大量研究。Junjun Wu介紹了基于移動機器人的智能倉儲環境監測系統，由可自動導航的移動機器人攜帶可自動獲取環境參數的傳感器對倉儲環境進行實時監測[6]。隨著無線通信技術的飛速發展，人們開始研究采用無線通信技術實現對倉儲環境地監管，以提升物流企業的整體運營效率，其中最常用的是無線傳感器網絡（WSN）。

20世紀90年代興起于美國的無線傳感器網絡技術是將功能相同或不同的無線智能傳感器以一定的方式自組織而成的網絡化、智能化的傳感器網絡。該網絡具有低成本、低功耗、密集型、隨機分布等特點，能夠實時對監測區域中探測目標的各種相關參數信息進行監控，同時可以對有用數據做相應處理，并以無線的方式發送給用戶。可用來進行倉儲環境監測、廠房環境控制、特殊實驗室環境控制等。

將無線傳感器網絡應用到倉儲環境監測系統中能有效地彌補傳統監測系統的不足。其可擴充性能夠滿足監測節點分布無規律的特點，自組網及容錯能力可以保證其不會因為個別節點退出網絡而致使整套系統癱瘓。無線方式連接更加靈活，部署幾乎不受監測對象的制約，易于維護且成本較低。監測區域中的各種環境信息，通過傳感器節點內置的對應功能的傳感器實時地感知和采集，人們可以在任何地點和時間獲得環境的各種可靠信息。無線傳感器網絡技術在倉儲環境監測系統中應用的潛力非常大，尤其是傳感器節點部署、傳感器節點設計與實現、系統架構及設計、無線通訊技術和環境參數分析成為目前國內外研究的熱點。

節點部署是傳感器網絡正常工作的前提，是無線傳感器網絡研究領域的重要問題之一。目標區域內部署的傳感器節點的數量和位置決定了網絡的拓撲結構，這會進一步影響傳感器網絡的其它性能，如網絡覆蓋、連通性、網絡構建成本和使用壽命等[7]。因此，應恰當地部署傳感器節點，利用節點自身攜帶的不同種類的傳感器來獲取環境信息，然后通過節點間的相互協作，完成數據采集和環境監測。

戴歡針對目前一些無線傳感器網絡節點定位算法在實際應用中存在的問題，從節點通信距離、測距誤差及定位精度等方面對節點定位技術進行了深入地研究，并提出了三種新型定位算法[8]；凡志剛總結了無線傳感器網絡覆蓋問題的分類，分析了典型算法的基本理論、實現方法和優缺點，并提出基于K覆蓋度的覆蓋控制算法和結點覆蓋度的計算公式。同時，提出一種基于蜂窩網格的傳感器節點部署算法，并對傳感器網絡內外層節點壽命進行研究，從理論上提出了一種理想分布模型[9]。

根據無線傳感器網絡中節點的功能不同，可將其分為傳感器節點、匯聚節點和管理節點三種。因此這些節點的硬件設計和實現也不相同，在實際應用中應結合倉庫的特定環境對節點進行設計。通過對芯片和傳感器的研究，設計出具有豐富功能的倉儲環境監測無線傳感器節點，包括節點地硬件設計和嵌入式軟件設計、節點硬件地測試和仿真、節點功能和組網測試以及對傳感器功能和精度地驗證等[10]；傳感器節點采集的數據在匯聚節點處集中，然后匯聚節點通過無線通信方式上傳到管理節點；用戶通過管理節點對網絡進行管理。

目前，可應用于無線傳感器網絡的無線通信技術主要有：無線局域網WiFi，GPRS技術以及ZigBee技術等。這三種無線通信技術對比見表1。

表1 無線通信技術對比

從表1可以看出，WiFi技術應用比較成熟，其網絡速度快、使用靈活，但是功耗比較高，需要較高的電能存儲，從而導致成本較高；GPRS網絡覆蓋面比較廣，但是設備成本高；Zig-Bee具有低功耗、低成本、低速率等特點，主要使用在監測或控制等領域。

基于不同無線通信技術的倉儲環境監測系統研究是當今國內外相關領域學者的研究熱點。越來越多的研究者通過對比分析不同的芯片、傳感器和無線通信技術設計對倉儲環境進行實時監測的系統。

目前國內外對基于WiFi無線傳感器網絡的溫室環境監測和農業環境地研究逐漸開始，但在倉儲方面的應用實例較少。Qinghua Zhang、Zhao Shaojun、閆振利、戰美玲等研究設計了基于Zigbee無線傳感器網絡的倉儲環境監測系統，分析了倉儲環境監測系統的系統架構，實現系統對倉儲內的各環境參數進行采集、傳輸及處理并通過上位機進行顯示，從而達到了對倉儲內貨物實時監測的目的[11-14]。吳芳研究了一種基于GPRS的危險貨物倉儲環境實時監測系統，在需要監測的倉儲區域內布置傳感器實時采集參數信息，將采集的環境參數數據通過現場總線匯集到現場主模塊[15]，再通過GPRS網絡將數據傳輸到監測中心，由上位機進行數據處理、顯示。鄭寶周提出了基于ZigBee和GPRS技術的倉儲環境監測系統，通過搭建ZigBee測量網絡和GPRS模塊，實現數據的短距離采集與遠程傳輸相結合[16]。

倉儲環境監測在糧倉、危險品倉庫、煙草倉庫、紡織品倉庫、生鮮農產品倉庫及名貴物品倉庫等有較為廣泛的應用[17-22]。尤其將無線傳感器網絡應用于倉儲環境監測中，對倉儲環境的關鍵參數進行實時監控，從而保證對該參數比較敏感的貨物能在適宜的環境中保存，避免不必要的損失。

4 倉儲環境監測發展趨勢分析

如今倉儲規模不斷擴大，自動化水平不斷提高，倉儲環境監測的應用范圍逐漸擴大。因此配備先進的環境監測系統是倉儲規模化和自動化進程的必然要求，也是實現倉儲安全管理的基本保證。

基于智能傳感器網絡的分布式倉儲環境監測系統可以減少大量的人工操作，提高監測結果的準確性，大大提高工作效率。無線傳感網絡技術能夠實時準確地采集和傳輸相關環境參數，有效彌補現有倉儲環境監測系統的不足，具有很高的應用價值[23]。

WiFi具有數據傳輸速率高，抗干擾能力強的特點，用在惡劣的工業現場環境中有其明顯的優勢。但節點依靠電池供電，WiFi技術下節點能耗較大，如何在不影響感知精度的情況下，降低節點功耗仍需要進一步研究。ZigBee技術在節點能耗小、安裝維護簡單且成本低等具有優勢。但數據傳輸可靠性較低，人們在如何提高可靠性以保證監測的精準性方面將會更加深入地研究。將WiFi和ZigBee技術應用于倉儲環境監測是一個研究熱點，應用前景廣泛，將大力推廣。

不同貨物對環境參數的敏感度不同，安全存儲需要的環境條件也不盡相同。基于現有倉儲環境監測技術水平，應用無線傳感器網絡技術[24]，研制開發具有感知和傳送多參數能力的無線傳感器網絡節點設備，是設計實現具有多空間多參數監測能力的倉儲環境監測系統的關鍵。另外，合理的傳感器節點部署，能有效提高監測信息的準確性、完整性和實效性。合理地布置傳感器節點，高效利用有限資源，最大程度地降低能耗，是實際應用中首先需要解決的問題。在大型倉儲系統中，可對確定的空間進行有限元劃分，采用合適的優化算法，確定最優節點數目和分布。

5 結束語

本文首先分析了倉儲環境監測的重要性及倉儲環境參數，接著研究了倉儲環境監測方式。從傳統的人工監測方式及基于有線方式構建的倉儲環境監測系統，到基于無線傳感器網絡的倉儲環境監測系統的轉變，從現狀和發展趨勢研究中可看出，無線傳感器網絡正處在起步階段，作為當今信息領域內一個新的研究熱點，將其運用在倉儲環境監測中的潛力非常大，倉儲環境監測的應用范圍也必將更加廣泛。

[1]杜朝暉.倉儲與配送[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2008.

[2]朱曉東,劉軍.倉儲環境監測參數分析[J].物流技術,2009,（10）:25-27.

[3]韓慧.基于RS-485總線的溫室環境監測系統[J].儀表技術與傳感器,2012,（3）:60-61.

[4]白云州.基于W5100的網絡化溫室大棚環境監測系統[J].制造業自動化,2011,（3）:20-21,28.

[5]張曉東,李秀娟,張杰.基于ARM的糧食倉儲環境監測系統[J].微計算機信息,2010,（8）.

[6]Junjun Wu,Zhonghui Huang,Yisheng Guan.An intelligent environmental monitoring system based on autonomous mobile robot[A].Robotics and Biomimetics（ROBIO）,2011 IEEE International Conference[C].2011.

[7]常艷.混合無線傳感器網絡移動節點部署方法研究[D].蘇州:蘇州大學,2014.

[8]戴歡.無線傳感器網絡定位算法及其應用研究[D].無錫:江南大學,2012.

[9]凡志剛.無線傳感器網絡覆蓋與節點部署問題研究[D].成都:電子科技大學,2008.

[10]艾海峰.基于ZigBee的倉儲環境監測無線節點設計與實現[D].成都:電子科技大學,2013.

[11]Qinghua Zhang,Yi Wang,Guoquan Cheng.Research on warehouse environment monitoring system based on wireless sensor network[A].Industrial Electronics and Applications （ICIEA）,2014 IEEE 9th Conference on[C].2014.

[12]Zhao Shaojun,Liu Meiqin,Fan Zhen.Warehousing environment monitoring systems based on CC2530[A].Control Conference（CCC）[C].2014.

[13]閆振利.基于Zigbee無線傳感器網絡的倉儲環境參數監測系統設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[14]戰美玲.基于ZigBee無線傳感器網絡的倉儲環境監控系統研究[D].濟南:山東師范大學,2012.

[15]吳芳,劉亞利,馬昌喜.基于GPRS的危險貨物倉儲環境實時監測系統[J].北京理工大學學報,2013,（8）:806-810.

[16]鄭寶周,李富強,吳莉莉,林愛英,鄭丹,郁會平,袁超.基于ZigBee和GPRS技術的倉儲環境監測系統設計[J].江西農業學報,2013,（3）:107-110,114.

[17]陳揚.煙草倉庫環境無線監測系統設計[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[18]朱晴.無線傳感器網絡在煙葉倉儲監控中的研究與應用[D].長沙:中南大學,2013.

[19]周芬.基于物聯網架構的紡織品倉庫溫濕度監控系統設計[J].物流技術,2014,（9）:453-455.

[20]潘長順,劉麗芳,李海寧,楊平,劉哲.茶葉倉儲環境監控系統的設計[J].價值工程,2015,（2）:206-207.

[21]袁江,曹金偉,邱自學,邵建新.基于WSN的糧庫溫濕度無線監測系統[J].測控技術,2012,（4）:77-81,89.

[22]李家金,滕國庫.基于ZigBee的糧倉環境監測系統設計與實現[J].計算機與數字工程,2012,（4）:120-122,139.

[23]劉軍.基于無線傳感器網絡的倉儲監控管理系統關鍵技術研究[J].中國流通經濟,2010,（7）:17-19.

[24]袁朝輝,王高峰.基于數據融合確保目標檢測精度的傳感器節點布置[J].計算機科學,2009,20（22）:51-54.