物聯網技術在智能倉儲環境監控中的應用

單彬　毛丹輝　王勇　王仁芳

摘 要：智能倉儲是現代物流業發展的重要方向；物聯網技術的發展和應用，為智能倉儲的發展提供了強有力的技術支持。智能倉儲的一個重要特征是可以根據產品的特性提供良好的、可控制的存儲環境，并保證產品的有效和安全。文章對物聯網技術在糧食倉儲、醫藥倉儲、棉花倉儲等方面的應用進行闡述，并提出將各類功能性倉儲集合于綜合性智能倉儲之中的技術方案，探討了基于物聯網技術建立信息化、標準化、智能化、集約化的綜合性智能倉儲的現實意義。

關鍵詞：現代物流；物聯網技術；智能倉儲

中圖分類號：F406.5 文獻標識碼：A

Abstract： Intelligent warehousing is an important direction in modern logistics industry. The applications of technologies of the internet of things（IoT）provide powerful technical support for the development of intelligent warehousing. An important feature of intelligent warehousing is that it can provide a good storage environment and make the stored products safe and effective according to the characteristics of the products. This article elaborates the applications of IoT technologies in food storage， medicine warehouse， cotton storage. In the meanwhile integrating all kinds of functional storage into comprehensively intelligent warehousing is a technical proposal and establishing an informational， standardized， intelligent and intensive warehousing by using IoT technologies is realistic.

Key words： modern logistics； internet of things； intelligent warehousing

0 引 言

近年來，我國現代物流業不斷發展，大部分物流業是傳統物流業融入信息化技術[1]，少數采用先進的自動化和物聯網技

術[2]，還有小部分保持著傳統的運輸方式[3]，總體呈現為中間大兩頭小的橄欖形。全國“十三五”規劃中指出現代物流業要加強物流基礎設施的建設，大力發展第三方物流和綠色物流、冷鏈物流、城鄉配送。2016年7月份，國務院總理李克強提出以先進的信息技術與物流深度融合來促進物流業的轉型升級。總體的方向是讓物流業向著先進化、智能化發展。倉儲是物流業中不可或缺的環節也是對基礎設施要求較高的部分，在供應鏈中起到了承接上下游的作用，所以物流的智能化也要求者倉儲向智能化發展[4]。本文著眼于倉儲中的環境部分，探討基于物聯網技術建立信息化、標準化、智能化、集約化的綜合性智能倉儲的技術方案與應用意義。

1 智能倉儲及物聯網技術概述

依托于物聯網技術的智能倉儲，能夠有效提高倉儲管理的效率和安全，從而促進現代物流的發展，體現現代物流的實用性和先進性。

智能倉儲管理對象基本上包括倉、儲、物和環境四項。倉是指倉儲活動所需的場地、設施、設備；儲是指倉儲業務及其管理活動，包括出入庫業務、出庫業務、移庫業務、倉儲規劃、尋址管理和貨位管理等；物是指對倉庫內商品和工作人員，實現貨、人的監管。環境是指人、設備和貨物的活動、存放環境因素[5]。智能倉儲常采用物聯網技術、自動控制技術、智能機器人技術、大數據挖掘技術、云計算技術、智能信息管理技術等先進的技術來實現其對四個對象的管理控制。本文主要探討的是物聯網技術在智能倉儲環境監控方面的問題。

物聯網從狹義上可指連接物品與物品間網絡，用來實現對物品的智能化識別和管理；而廣義上的物聯網則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，在物品之間、物品與人之間、人與現實環境之間實現高效信息交互方式，并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為，是信息化在人類社會綜合應用達到的更高境界[6]。國際電聯報告提出物聯網主要有四個關鍵性的應用技術：RFID、傳感器、智能技術以及納米技術[7]。這些先進的技術都是為了使人與物之間更緊密的聯系，方便人們的生活和工作，是促進社會生產發展的動力。

2 物聯網技術在倉儲中的應用研究

物聯網技術在各類倉儲的環境監控中都有著應用，本文著重綜述了物聯網技術在糧食倉儲、醫藥倉儲、棉花倉儲環境監控中的應用。

2.1 糧食倉儲

物聯網技術可以應用于糧食的多個方面：糧食物流、糧食倉儲、糧食信息跟蹤等[8]。物聯網技術在糧食倉儲中的應用是本文關注的重點，尤其是對于實時監測糧食的環境，并對環境情況進行反饋控制。

糧食存儲在倉庫之中，受氣候、通風和環境等外界因素的影響，糧食倉庫的溫度和濕度都會發生變化，從而影響了糧倉中氣體、微生物的濃度或數量，進而造成糧食的品質下降。針對這一情況，以糧倉和糧食的溫度和濕度作為主要的監測目標并利用溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、蟲害傳感器等傳感系統對其進行采集。根據采集到的信息進行數據分析，找出關鍵影響因素，制定決策方案并根據方案自動調節糧食倉儲的環境條件，包括自動控溫、自動控濕、自動通風以及自動熏蒸等，其簡略流程如圖1所示。在所示的整個流程中，關鍵技術主要有傳感器技術、傳輸技術、信息處理技術、智能控制技術等。傳感器的選擇要滿足倉儲環境監測的需求，并且保證所采集信息的可靠性；傳輸技術保證信息傳輸的及時和準確，如藍牙、Zigebee、Wi-Fi等無線傳輸技術；信息處理技術主要是處理大量的信息，提取出對決策控制有用的信息；智能控制技術根據決策的信息智能控制通風、熏蒸、溫度和濕度設備的開啟或關閉。

在“大蒜之鄉”山東省濟寧市金鄉縣建立的全國首個物聯網冷庫綜合監控系統就是一個成功的應用。傳統的大蒜倉儲環境監控主要通過人工實時監控的方式來進行溫度調整，耗費了大量的人力、物力，卻無法保證環境監控的精度。由于環境監精度的問題，大蒜出現低溫凍壞或高溫生芽腐爛的情況時有發生，而且無法及時判斷倉庫里二氧化碳的濃度含量，會出現因二氧化碳濃度過高造成工作人員窒息的情形。利用物聯網技術可以有效改善上面出現的問題。倉庫內溫度、濕度和二氧化碳濃度等重要的指標信息通過傳感器來進行監測，將監測到的數據信息通過無線網絡傳輸到控制中心，控制中心通過與系統預設的溫度、濕度和二氧化碳濃度進行比較分析，再通過控制決策中心的指令，自動實現對溫度設備和排風系統的控制。同時，還可以隨時將倉庫內溫度、濕度和二氧化碳數值等報警短信發送到手機上，有效實現無人值守、手機端24小時監控，在節約了管理控制成本的同時，也提高倉儲管理水平與環境監控的準確率[9]。

糧食倉儲環境監控信息感知主要是傳感器的使用，利用收集的信息分析控制環境。基于ZigBee技術等無線網絡技術通信方式的系統得到廣泛應用，使得數據信息的傳輸更加快速、安全、可靠[10-11]。多傳感器融合、無線遠程監控等技術的應用研究，也在不斷提高糧食倉儲環境監測的適用性和穩定性[12-13]。智能自動通風技術可以參考各個參數間的關系，例如溫度、濕度等環境參數，通過數據分析找到參數的最佳點，利用智能化控制通風系統，實現倉儲環境的控制[14]。氣調儲糧技術主要監測氧氣、二氧化碳等氣體數據，調整控制氣體濃度，在倉儲環境內形成一個低氧、高二氧化碳或者高二氧化氮的倉儲環境，從而達到抑制糧食呼吸、殺蟲抑菌、延長糧食存儲時間的目的[15]。

2.2 醫藥倉儲

2016年3月的山東疫苗事件引起社會極大反響，經食藥監管部門核查，兩名犯罪嫌疑人經營的疫苗雖為正規廠家生產，但并沒有未按照國家相關法律規定運輸、保存，而且脫離了2～8℃的恒溫冷鏈，難以保證疫苗的品質和使用效果，注射后甚至可能產生副作用。這一事實說明了醫藥存儲環境的敏感性，這就需要冷鏈不斷流來保證儲藏溫度。無論對常溫或冷鏈物流體系，由于倉儲是其每個重要物流節點的銜接點，不僅涉及生產、儲存、運輸、銷售等環節的啟承，也集中了物流體系中的各關鍵節點間的主要矛盾[16]。本文關注的是醫藥冷鏈物流中的倉儲環境監測控制。

物聯網技術在醫藥倉儲環境監測控制中有如下特點：（1）通過RFID技術，對醫藥品進行識別，獲取藥品的信息，根據取得信息確定此類藥物的存儲溫度；（2）通過相應的傳感技術感知倉儲周圍的環境變化，取得周圍環境的信息；（3）獲取的醫藥儲藏的需求溫度和當前周圍環境信息的數據，根據數據的變化智能的控制環境，實現醫藥品可以在自己所需的溫度下儲藏。基于Agent的環境控制基本結構圖如圖2所示，Agent通過傳感器獲取醫藥存儲環境的數據信息，通過自身信息處理，對環境信息的變化做出快速響應，再通過效應器作用于醫藥倉儲環境，從而達到調節控制環境的目的。Agent可以確保不傳輸有誤信息，它的學習能力也讓它能夠根據環境的變化調節自己，從而滿足當前所設定的需求。

傳統的醫藥品存放環境監控都是通過人工監控，人工監管控制無法保證醫藥品存儲環境的可靠性。傳統醫藥環境監控的自動化水平低，不能對醫藥環境實行自動、實時的監控以及對環境的自動調節控制，從而不能及時發現當前環境數據是否超過預設的數值，造成醫藥品脫離合適的環境，極易造成損失。基于Agent的環境信息監測系統的研究最近幾年十分活躍，該系統融合了環境監測和Agent等學科的最新成果[17]。將物聯網技術和Agent等技術的融合，能快速、可靠地獲取醫藥倉儲環境的信息，并智能化的自我調節控制環境達到預設值，提升了醫藥倉儲環境監控的自動化、信息化和智能化。

無線射頻識別（RFID）技術的應用研究，將數據通過帶有傳感器的RFID傳送至后臺處理，利用程序對環境數據進行檢測和處理，實現對溫濕度等環境信息數據的自動化監測[18-19]。利用無線傳感器網絡（WSN）和多傳感器技術可以獲得更多的感知信息，實現對環境信息更加準確、可靠、高效的監控[20-21]。將RFID與WSN技術融合起來組成WSID網絡，改善了通信距離、定位追蹤、數據融合等技術，不僅提高了監測的時效性和準確性，還極大的降低了成本[22-23]。將物聯網RFID技術與基于多Agent的管理系統以及云計算應用相結合，利用Agent的智能性與其他的Agent共同協作完成對應的任務，可以提高管理的信息化以及管理控制的水平和效率[24-25]。

2.3 棉花倉儲

中國已成為了全世界最大的棉花生產和消費國家，棉花制品在我國每個家庭中必然存在。棉花是被認定為易燃物的天然纖維，當前有大量棉花儲備在物流倉庫中，一旦點燃，大火將會在幾秒鐘內迅速擴張到幾百平方米，造成難以估計的損失[26]。除去建筑和管理角度的考慮，本文主要是對棉花倉儲的環境監控以及相應防火措施進行分析。

由于棉花易燃、陰燃、自燃的特殊性質，對于棉花倉儲的存儲的高要求和特殊的防火高要求就更加必要。基于棉花的特殊性質，棉花倉儲的溫度應保持低于30℃，最大不能高于35℃且相對濕度不超過70%。

通過物聯網技術中的傳感技術，采用溫度傳感器和濕度傳感器感知倉儲環境。而棉花起火最初僅僅是在表層燃燒蔓延，一般都有煙霧、高溫和火光，因此采用煙霧傳感器、感溫傳感器和光輻射傳感器器等作為防火探測感知器件。利用Zigbee和單片機或其他網絡信息技術采集到環境和防火數據，并對數據進行分析處理，來控制報警、防火、滅火等系統。簡略的方案如圖3所示，棉花倉儲整體方案中，由于棉花防火的區域較廣，需要接受大量的傳感器的數據，還需要長時間的監控并且保證傳輸信息的及時性，那么采用無線傳輸技術中的Zigbee技術就是一種很好的方案。Zigbee技術優勢：省電，普通兩節電池就能使用6個月到2年左右的時間；時延短，可以在ms時間里完成激活和通信；可靠，采用避免碰撞的策略，避免發送數據時候的沖突；網絡容量大，一個Zigbee網絡可以容納200多個設備。

傳統火災探測器采用悠閑的通行方式，布線復雜、可靠性低、通信方式拓展性差，且線路容易老化或遭到磨損、腐蝕，有比較高的故障發生率和誤報率。采用ZigBee技術構建無線傳感網絡，將其應用到火災自動報警系統中的方案，低成本、低功耗的特點克服了有線傳感網絡的局限性，且其隨時可以移動以及添加的特性大大方便了火災自動報警系統的調整、更新，提高了現有火災自動報警系統的靈活性。同時增加的移動定位的功能，方便了火災救援和滅火工作，特別是火災現場的濃煙密布，無法看清現場的情況，消防工作人員通過移動定位系統，可以與監測控制中心聯系并快速確定自己所在方位和火災的地點以及火災現場的情況，有效提高了救援和滅火工作的效率[27-28]。

單一的傳感器在測量火災信息時會存在數據可能不完整以及片面的問題，為保證火災判斷的準確性，采用多傳感器數據融合的技術，利用計算機技術和算法對信息進行多方面處理分析，從而產生一個能夠準確判斷當前情況的新信息[29-31]。

3 綜合性智能倉儲的現實意義

從物聯網技術在智能倉儲環境控制中的應用中可以看出，大多數的應用都是針對某一具體的行業或某一種特殊產品，基本上是單對單的使用，例如是糧食倉儲那么僅僅是用于糧食的存放，其他的不同貨物基本就很少有能儲藏到其中的。如果倉儲存在大量多余的空間，就存在閑置和低利用率的問題，造成資源的浪費，物流的成本也很難降低。本文研究并提出了以物聯網技術為核心實現多個功能倉儲于一體的智能倉儲的方案。

在常見的智能倉儲環境控制中，溫濕度這一環境參數都是關注的對象，防火報警也是倉儲不能缺少的一塊，將這兩方面作為最基本的智能倉儲環境參數。針對不同特性的商品可以添加其相應參數需求的環境檢測模塊，最理想的綜合性智能倉儲可以滿足任意存儲貨物的需求，不同存儲空間可以滿足不同貨物的存儲環境需求，但這樣的代價對現代物流來說是不可能承受的，因此可以考慮幾類對于環境要求類似的貨物來進行綜合，達到任意倉儲空間都能滿足這幾類貨物的環境監控。例如糧食和水果這兩類，都十分重視溫濕度、氣體濃度、微生物等環境因素，可以考慮兩者的結合，將這兩類所需要的所有環境監測傳感器件安裝在倉庫，并且隔離出不同的倉儲位置。這樣在各個倉儲位置都能存儲這兩類貨物，并根據存儲的貨物進行監控設置，那么倉庫的閑置的可能性就會降低。其基本的環境監控設置如圖4所示。

隨著現代物流的發展，綜合性的智能倉儲也能一步步前進，在不久的將來也許就可以實現一個智能倉儲就可以滿足絕大多數貨物的存儲環境監控，這樣就能夠極大的利用資源，降低物流成本。在實現綜合性智能倉儲的情況下，如果某一地區發生災害，就可以選擇離災區最近智能倉儲作為應急倉儲，無論是水、食品、藥物還是被子、帳篷等一系列的救援物資都能快速運入智能倉儲保存并及時送入災害地區，極大方便了不同救災物資的運輸，非常具有現實意義的。

4 總 結

綜合性智能倉儲的一個倉庫可以滿足多種貨物的存放需求，利用物聯網技術實現對不同貨物的環境監控，根據監控的情況實時進行智能控制貨物所處環境，滿足了不同貨物的存儲，極大提高了倉儲資源的利用率，降低物流為不同貨物建立不同倉儲的成本。倉儲以綜合性智能倉儲為目標，體現出綜合性智能倉儲的標準化；物聯網技術及其智能控制的引入和應用展現了綜合性智能倉儲的信息化和智能化；綜合性智能倉儲可以降低物流成本、提升資源利用率，集成了各類貨物的存儲，彰顯了其集約化。

將針對某一具體的行業或某一種特殊產品的單一型智能型倉儲升級為滿足多方需求的綜合性智能倉儲，對于物流成本的降低和資源利用率的提升都具有現實意義。本文綜述了三類倉儲的環境監控情況，提出一種綜合性智能倉儲的簡單方案，希望可以在前人對智能倉儲的研究基礎上進一步拓展研究的廣度和深度。

參考文獻：

[1] 吳景新. 論我國物流運輸的現狀及對策[J]. 黑龍江科技信息，2010（12）：90.

[2] 高迎冬，李杰，張穎. 物聯網技術在現代物流管理中的應用[J]. 物流技術，2012，31（11）：175-177.

[3] 張樂樂，馮愛蘭. 現代物流與傳統物流的比較分析[J]. 物流技術，2005（7）：25-27.

[4] 陳杰. 基于物聯網的智能倉儲管理系統研究[D]. 合肥：合肥工業大學（碩士學位論文），2015.

[5] 張仁彬. 基于物聯網環境的倉儲系統架構研究[D]. 鄭州：鄭州大學（碩士學位論文），2012.

[6] 孫其博，劉杰，黎羴，等. 物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]. 北京郵電大學學報，2010（3）：1-9.

[7] International Telecommunication Union UIT. ITU Inter-net Reports 2005： The Internet of Things[Z]. 2005.

[8] 徐柏森. 倉儲糧情監測物聯網組網研究[D]. 鄭州：河南工業大學（碩士學位論文），2012.

[9] 武曉釗. 物聯網技術在倉儲物流領域應用分析與展望[J]. 中國流通經濟，2011（6）：36-39.

[10] 劉楠嶓，王磊. 基于ZigBee技術的糧食溫度監測系統的優化設計研究[J]. 糧油加工（電子版），2014（9）：56-59.

[11] 王億書. 基于無線傳感器網絡的糧情監測系統的設計與實現[J]. 計算機應用與軟件，2012，29（8）：110-114.

[12] 王鋒，孔李軍，艾英山. 糧情測控系統中多傳感器信息融合技術的應用[J]. 農機化研究，2010（2）：166-169.

[13] 張振聲，劉獻國，馮百聯，等. 遠程糧情無線監控系統應用報告[J]. 糧油倉儲科技通訊，2011，27（5）：7-9.

[14] 史鋼強. 智能通風操作系統水分控制模型優化及程序設計[J]. 糧油食品科技，2013，21（5）：109-113.

[15] 張來林，張采林，金文，等. 我國氣調儲糧技術的發展及應用[J]. 糧食與飼料工業，2011（9）：20-23.

[16] 黨培. 醫藥冷鏈物流倉儲管理系統關鍵問題研究[D]. 西安：陜西科技大學（碩士學位論文），2015.

[17] 蘇帥. 基于Agent技術的環境信息監測系統設計與實現[D]. 揚州：揚州大學（碩士學位論文），2014.

[18] 陳宇錚，湯仲品，倪云峰，等. 基于RFID的冷鏈物流監測系統的設計[J]. 計算機應用與軟件，2013（2）：263-265.

[19] K. R. Prasanna， M. Hemalatha. RFID GPS and GSM based logistics vehicle load balancing and tracking mechanism[J]. Procedia Engineering， 2012（30）：726-729.

[20] 王希杰. 基于物聯網技術的生態環境監測應用研究[J]. 傳感器與微系統，2011（7）：149-152.

[21] Jankovic， Olivera. WSN and M2M technology as support of logistics operations[J]. Put i Saobracaj， 2012，58（4）：33-37.

[22] 李斌，李文鋒. WSN與RFID技術的融合研究[J]. 計算機工程，2008（9）：127-129.

[23] Mirshahi， Shiva， Sener Uysal. Integration of RFID and WSN for supply chain intelligence system[J]. Computers and Artificial Intelligence， 2013（10）：1-6.

[24] 董景全. 基于物聯網和Multi-Agent的智能倉儲管理系統[J]. 四川兵工學報，2013（10）：52-54.

[25] Pavel， Burian. Multi-agent systems and cloud computing for controlling and managingchemical and food processes[J]. J. Chem. Chem. Eng， 2012（6）：1121-1135.

[26] Wen-hui Ju. Study on Fire Risk and Disaster Reducing Factors of Cotton Logistics Warehouse Based on Event and Fault Tree Analysis[J]. Procedia Engineering， 2016，135：418-426.

[27] 朱其祥，吳國新，徐守東，等. ZigBee技術在棉花倉庫火災自動報警系統中的應用[J]. 中國棉花加工，2011（6）：19-22.

[28] 張青春. 基于Zigbee技術的火災探測報警傳感器網絡設計[J]. 中國測試，2013（4）：73-75，80.

[29] 魏宏飛，趙慧. 多傳感器信息融合技術在火災報警系統的應用[J]. 現代電子技術，2013（6）：139-140，144.

[30] 胡祝格. 基于多傳感器信息融合技術的火災探測報警系統設計與研究[D]. 西安：西安建筑科技大學（碩士學位論文），2013.

[31] 楊曉萍，孫繼瑋，牛超，等. 數據融合在物聯網火災監測系統中的應用研究[J]. 電子測量技術，2016（3）：100-105.