仓储环境监测的研究和进展

2015-05-08

物流技术 2015年8期

（北京物资学院信息学院，北京 101149）

1 引言

仓储安全管理在仓储管理甚至在整个物流系统中都占有十分重要的地位。防潮、防腐、防霉、防爆等工作是仓储安全日常管理的重要内容，直接影响储存货物的质量和使用寿命。仓储环境监测是仓储安全管理的重要组成部分，是保证仓储货物安全和仓储系统高效运行的关键。针对各类货物对仓储环境的不同要求，维持适宜的存储环境，保证仓储货物的质量，从而最大限度地减少损耗、节约成本。随着蔬菜、水果、药品等温湿度敏感性货物以及危险品等特种货物物流的发展，仓储环境监测的重要性日益提高。

2 仓储环境监测的重要性及关键参数分析

2.1 仓储环境监测的重要性

随着物流业的发展，企业对物流服务提出了更高更急迫的要求，许多企业对仓储服务提出了个性化的需求。例如商场和超市要求针对货物特点，对仓库实现温湿度分区管理和控制；乳制品企业要在原料和奶制品的仓储过程中对温度进行严格控制；烟草行业要对原料及成品仓储环境的温湿度进行严格控制；果品对环境的温湿度及二氧化碳、乙烯等气体浓度敏感，需要对仓储环境进行较为严格地控制。这些个性化的需求在给物流行业带来更多发展机遇的同时，也对仓储环境的实时监控和库存安全管理提出了挑战。所以，保证仓库安全和货物质量是仓储管理的一个重要部分，仓储环境实时监测是仓储管理的关键。

仓储环境监测是指对食品、农产品、工业品、工业设备等物品存储仓库的监测管理，是供应链中非常重要的管理环节[1]。仓储环境监测的主要目的为及时获取反映仓库环境质量现状及发展趋势的准确全面的数据，科学地指导仓库环境调控以及货物管理等。对仓储环境进行有效监测不仅可以保证存放货物的质量，延长货物的使用寿命，还能防止货物变质和损坏造成的环境污染，对整个物流系统和社会经济发展具有重要意义。

2.2 仓储环境关键参数分析

仓储环境参数可反映仓储环境的状态。影响仓储环境的参数主要有温度和湿度、光照度、气体浓度、粉尘和烟尘等[2]。

大多货物在储存过程中对仓库环境都要求很高，尤其要严格控制温度和湿度的变化；粉尘遇明火极易爆炸，直接威胁仓储安全；烟尘主要由燃烧物产生。此外，光照强度、空气流速以及空气pH值等参数也会影响部分货物的存储质量。

2.2.1 温度和湿度。在仓储环境中，温度和湿度是较为常见的环境参数，其变化直接影响着存储货物的性质。不同类别的货物拥有不同的物理、化学性质，因此对温湿度的适应性也就不同。

（1）温度。普通货物的一般存储温度为25℃左右，现有常温库的温度在0～30℃之间，所以大多货物都可以在常温库中存放。此外，某些货物对其所处环境的空气温度要求非常严格。典型的温度敏感性产品有生鲜食品、乳制品、疫苗以及药品等。为确保产品质量安全，在生产、贮藏、运输、销售等各个环节中，必须始终处于规定的温度环境下。

（2）湿度。空气湿度可用绝对湿度、饱和湿度、相对湿度、露点湿度等四种方法表示，其中最常用的是空气相对湿度。相对湿度是指一定温度条件下空气中水汽压与饱和水汽压的百分比，相对湿度越大，表示距离饱和状态越接近，空气越潮湿，水分越不易蒸发。

空气湿度受空气温度的影响很大，当温度不断上升时，潮湿的空气会变得越来越干燥。同一仓库内，向阳面及仓库上部温度较高，相对湿度偏低；背阳面及仓库近地面处温度较低，相对湿度则偏高。对空气湿度敏感度不同的货物进行入库操作时，需将其存放于仓库中的适宜位置。

2.2.2 光照度。光照度表示被照射主体表面在单位面积上所受到的光通量。在仓储环境中，光照度对货物的存储有积极的影响，也存在着消极影响。性质不稳定的物质，在光照条件下易分解并导致变质，反应过程中产生的热量和可能的可燃性气体会引发安全事故。同时，日光又影响很多微生物地生长，霉腐微生物可致食品、工业制品等发生霉变和腐烂，严重影响货物的仓储安全。此类微生物在日光直射下1-4小时即可死亡，因此易发生霉腐的货物应储存在光照度较好的环境中。

2.2.3 气体浓度。各类气体的含量和环境状况好坏有密切关系，不同种类气体的浓度是仓储环境监控的重要参数，主要包括氧气、二氧化碳、二氧化硫、乙烯和各种有害气体的浓度监控。其中，氧气和二氧化碳的浓度影响维持有机物自身生命活动的代谢过程，是仓储气体浓度监测的重点；除此之外，二氧化硫等有毒气体和具有催熟作用的乙烯的气体浓度也是仓储安全的重要监测参数。

2.2.4 粉尘和烟尘。在大气中粉尘的存在是不可避免的，然而粉尘会对货物产生不利影响，在一定空间内遇到明火极易发生爆炸。储存在被粉碎后的物质颗粒表面的能量称为表面能[2]。表面能的大小与物质的粉碎程度成正比，被粉碎的程度越大，表面能就越大。粉尘颗粒非常小，具有极高的表面能，易发生物理或化学变化。粉尘与空气充分混合后，遇到适宜的条件，会在瞬间发生爆炸，释放出巨大的能量。因此，对仓储环境中粉尘和烟尘地监控，增加环境预警功能，能够有效地控制灾难事件发生。

根据仓储环境中所储藏货物的不同，应具体制定不同的环境参数监控要求，对影响仓储环境的关键参数进行监控，并对采集到的数据进行存储与分析。在出现异常参数信息时产生报警通知相关人员，以便及时采取必要的措施。

3 仓储环境监测的国内外研究与应用现状

传统的仓储环境监测主要依靠人工，利用温度计、湿度计或湿度试纸、压力计等探测装置对环境参数进行测量，并且不定时查看、记录仓库各环境参数值。通过分析监测结果，采用人工调节控制方法，对不符合环境要求的库房进行换气、通风、去湿和降温等。

伴随着信息技术的发展，开始出现采用有线方式构建的仓储环境监测系统。在某个监测区域布置固定的监测点,通过有线通信方式将监测数据传输给控制中心。韩慧设计了基于RS-485总线的温室环境实时监测系统，监测温度、湿度以及CO2浓度等多个参数，采用RS-485总线式通信网络进行各环境参数值实时传输，从而实现远程控制[3]；白云州设计了由环境参数采集端和监控中心两部分组成的基于W5100的网络化温室环境监测系统，客户端将远程的实时环境信息通过计算机网络传输到监控中心，监控中心的软件能够对这些数据进行处理、显示和分析[4]；张晓东设计了一种基于ARM微处理器和CAN总线的粮食仓储环境监测系统，采用环境质量监测传感器对粮食仓储环境进行在线实时监测[5]。

采用有线方式的环境监测系统虽然能够获得仓储环境参数的实时信息，实现用户在控制室中就可了解到全部仓室内的运行情况。但是存在布线复杂、不易扩展、可移动性差、管理和维护成本高等问题。

针对传统仓储环境监测方式和有线仓储环境监测系统存在的不足，各国专家学者对仓储环境监测技术做了大量研究。Junjun Wu介绍了基于移动机器人的智能仓储环境监测系统，由可自动导航的移动机器人携带可自动获取环境参数的传感器对仓储环境进行实时监测[6]。随着无线通信技术的飞速发展，人们开始研究采用无线通信技术实现对仓储环境地监管，以提升物流企业的整体运营效率，其中最常用的是无线传感器网络（WSN）。

20世纪90年代兴起于美国的无线传感器网络技术是将功能相同或不同的无线智能传感器以一定的方式自组织而成的网络化、智能化的传感器网络。该网络具有低成本、低功耗、密集型、随机分布等特点，能够实时对监测区域中探测目标的各种相关参数信息进行监控，同时可以对有用数据做相应处理，并以无线的方式发送给用户。可用来进行仓储环境监测、厂房环境控制、特殊实验室环境控制等。

将无线传感器网络应用到仓储环境监测系统中能有效地弥补传统监测系统的不足。其可扩充性能够满足监测节点分布无规律的特点，自组网及容错能力可以保证其不会因为个别节点退出网络而致使整套系统瘫痪。无线方式连接更加灵活，部署几乎不受监测对象的制约，易于维护且成本较低。监测区域中的各种环境信息，通过传感器节点内置的对应功能的传感器实时地感知和采集，人们可以在任何地点和时间获得环境的各种可靠信息。无线传感器网络技术在仓储环境监测系统中应用的潜力非常大，尤其是传感器节点部署、传感器节点设计与实现、系统架构及设计、无线通讯技术和环境参数分析成为目前国内外研究的热点。

节点部署是传感器网络正常工作的前提，是无线传感器网络研究领域的重要问题之一。目标区域内部署的传感器节点的数量和位置决定了网络的拓扑结构，这会进一步影响传感器网络的其它性能，如网络覆盖、连通性、网络构建成本和使用寿命等[7]。因此，应恰当地部署传感器节点，利用节点自身携带的不同种类的传感器来获取环境信息，然后通过节点间的相互协作，完成数据采集和环境监测。

戴欢针对目前一些无线传感器网络节点定位算法在实际应用中存在的问题，从节点通信距离、测距误差及定位精度等方面对节点定位技术进行了深入地研究，并提出了三种新型定位算法[8]；凡志刚总结了无线传感器网络覆盖问题的分类，分析了典型算法的基本理论、实现方法和优缺点，并提出基于K覆盖度的覆盖控制算法和结点覆盖度的计算公式。同时，提出一种基于蜂窝网格的传感器节点部署算法，并对传感器网络内外层节点寿命进行研究，从理论上提出了一种理想分布模型[9]。

根据无线传感器网络中节点的功能不同，可将其分为传感器节点、汇聚节点和管理节点三种。因此这些节点的硬件设计和实现也不相同，在实际应用中应结合仓库的特定环境对节点进行设计。通过对芯片和传感器的研究，设计出具有丰富功能的仓储环境监测无线传感器节点，包括节点地硬件设计和嵌入式软件设计、节点硬件地测试和仿真、节点功能和组网测试以及对传感器功能和精度地验证等[10]；传感器节点采集的数据在汇聚节点处集中，然后汇聚节点通过无线通信方式上传到管理节点；用户通过管理节点对网络进行管理。

目前，可应用于无线传感器网络的无线通信技术主要有：无线局域网WiFi，GPRS技术以及ZigBee技术等。这三种无线通信技术对比见表1。

表1 无线通信技术对比

从表1可以看出，WiFi技术应用比较成熟，其网络速度快、使用灵活，但是功耗比较高，需要较高的电能存储，从而导致成本较高；GPRS网络覆盖面比较广，但是设备成本高；Zig-Bee具有低功耗、低成本、低速率等特点，主要使用在监测或控制等领域。

基于不同无线通信技术的仓储环境监测系统研究是当今国内外相关领域学者的研究热点。越来越多的研究者通过对比分析不同的芯片、传感器和无线通信技术设计对仓储环境进行实时监测的系统。

目前国内外对基于WiFi无线传感器网络的温室环境监测和农业环境地研究逐渐开始，但在仓储方面的应用实例较少。Qinghua Zhang、Zhao Shaojun、闫振利、战美玲等研究设计了基于Zigbee无线传感器网络的仓储环境监测系统，分析了仓储环境监测系统的系统架构，实现系统对仓储内的各环境参数进行采集、传输及处理并通过上位机进行显示，从而达到了对仓储内货物实时监测的目的[11-14]。吴芳研究了一种基于GPRS的危险货物仓储环境实时监测系统，在需要监测的仓储区域内布置传感器实时采集参数信息，将采集的环境参数数据通过现场总线汇集到现场主模块[15]，再通过GPRS网络将数据传输到监测中心，由上位机进行数据处理、显示。郑宝周提出了基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统，通过搭建ZigBee测量网络和GPRS模块，实现数据的短距离采集与远程传输相结合[16]。

仓储环境监测在粮仓、危险品仓库、烟草仓库、纺织品仓库、生鲜农产品仓库及名贵物品仓库等有较为广泛的应用[17-22]。尤其将无线传感器网络应用于仓储环境监测中，对仓储环境的关键参数进行实时监控，从而保证对该参数比较敏感的货物能在适宜的环境中保存，避免不必要的损失。

4 仓储环境监测发展趋势分析

如今仓储规模不断扩大，自动化水平不断提高，仓储环境监测的应用范围逐渐扩大。因此配备先进的环境监测系统是仓储规模化和自动化进程的必然要求，也是实现仓储安全管理的基本保证。

基于智能传感器网络的分布式仓储环境监测系统可以减少大量的人工操作，提高监测结果的准确性，大大提高工作效率。无线传感网络技术能够实时准确地采集和传输相关环境参数，有效弥补现有仓储环境监测系统的不足，具有很高的应用价值[23]。

WiFi具有数据传输速率高，抗干扰能力强的特点，用在恶劣的工业现场环境中有其明显的优势。但节点依靠电池供电，WiFi技术下节点能耗较大，如何在不影响感知精度的情况下，降低节点功耗仍需要进一步研究。ZigBee技术在节点能耗小、安装维护简单且成本低等具有优势。但数据传输可靠性较低，人们在如何提高可靠性以保证监测的精准性方面将会更加深入地研究。将WiFi和ZigBee技术应用于仓储环境监测是一个研究热点，应用前景广泛，将大力推广。

不同货物对环境参数的敏感度不同，安全存储需要的环境条件也不尽相同。基于现有仓储环境监测技术水平，应用无线传感器网络技术[24]，研制开发具有感知和传送多参数能力的无线传感器网络节点设备，是设计实现具有多空间多参数监测能力的仓储环境监测系统的关键。另外，合理的传感器节点部署，能有效提高监测信息的准确性、完整性和实效性。合理地布置传感器节点，高效利用有限资源，最大程度地降低能耗，是实际应用中首先需要解决的问题。在大型仓储系统中，可对确定的空间进行有限元划分，采用合适的优化算法，确定最优节点数目和分布。

5 结束语

本文首先分析了仓储环境监测的重要性及仓储环境参数，接着研究了仓储环境监测方式。从传统的人工监测方式及基于有线方式构建的仓储环境监测系统，到基于无线传感器网络的仓储环境监测系统的转变，从现状和发展趋势研究中可看出，无线传感器网络正处在起步阶段，作为当今信息领域内一个新的研究热点，将其运用在仓储环境监测中的潜力非常大，仓储环境监测的应用范围也必将更加广泛。

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