左志平，譚泗橋，唐少先

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

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一種基于傳感器的智能谷倉(cāng)的設(shè)計(jì)

左志平，譚泗橋，唐少先

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

摘 要：提出了一套應(yīng)用于谷物儲(chǔ)存的智能谷倉(cāng)設(shè)計(jì)方案，通過特定傳感器和計(jì)算機(jī)程序，對(duì)進(jìn)出谷倉(cāng)的谷物的重量變化和位置分布進(jìn)行精確估計(jì)，并通過無線局域網(wǎng)上傳谷倉(cāng)內(nèi)谷物或糧食的進(jìn)倉(cāng)時(shí)間及位置分布到儲(chǔ)糧調(diào)度服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)谷物進(jìn)出倉(cāng)優(yōu)化調(diào)度，通過智能傳感器并利用專家知識(shí)對(duì)谷倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存的谷物狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)溫度濕度并及時(shí)報(bào)警，防止谷物霉變和因儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)形成陳化糧，對(duì)于保證糧食安全以及優(yōu)化糧食調(diào)度具有積極意義。

關(guān)鍵詞：智能谷倉(cāng)；傳感器；陳化糧

糧食儲(chǔ)存過程中的質(zhì)量保障是關(guān)系到國(guó)家穩(wěn)定發(fā)展的重要問題。近年來發(fā)生的陳化糧流入市場(chǎng)等惡性事件已經(jīng)成為現(xiàn)階段困擾我國(guó)食品安全和社會(huì)穩(wěn)定的一個(gè)重要問題，對(duì)我國(guó)的糧食供應(yīng)和人民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。與此同時(shí)，谷物（糧食的一種主要形態(tài)）的儲(chǔ)存管理十分繁雜，不但耗費(fèi)大量的人力和物力，而且涉及到一系列技術(shù)和設(shè)施。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能技術(shù)成為解決復(fù)雜事務(wù)管理的重要方向[2-4]。研究智能谷倉(cāng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)糧食安全存儲(chǔ)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　智能谷倉(cāng)的功能及控制

1.1智能谷倉(cāng)的功能

作為谷物安全存儲(chǔ)的設(shè)施，智能谷倉(cāng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)谷物的進(jìn)倉(cāng)、出倉(cāng)和存放等普通谷倉(cāng)的功能之外，還具有兩個(gè)方面的特殊功能，一方面它可以自動(dòng)感知倉(cāng)內(nèi)谷物的儲(chǔ)存環(huán)境和谷物儲(chǔ)存狀態(tài)，如平均進(jìn)倉(cāng)時(shí)間、最長(zhǎng)進(jìn)倉(cāng)時(shí)間、分批進(jìn)倉(cāng)的量和位置分布，倉(cāng)內(nèi)溫度、濕度變化狀況，倉(cāng)內(nèi)是否有霉變傾向等；另一方面它可以通過專家系統(tǒng)根據(jù)入倉(cāng)谷物的類型、入倉(cāng)時(shí)間、傳感器采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中的專家知識(shí)對(duì)倉(cāng)內(nèi)谷物的狀況進(jìn)行綜合分析和評(píng)估。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)谷物入倉(cāng)和出倉(cāng)調(diào)度優(yōu)化。通過智能傳感器可以預(yù)知倉(cāng)內(nèi)谷物霉變風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)倉(cāng)內(nèi)谷物類型和最長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間預(yù)防谷物儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)而形成成化糧。此外，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)降低日常管理工作強(qiáng)度、提高工作效率。

1.2谷物進(jìn)倉(cāng)出倉(cāng)控制及統(tǒng)計(jì)

從物理結(jié)構(gòu)上看，儲(chǔ)存谷物的智能谷倉(cāng)是一個(gè)具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的封閉罐體和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。谷倉(cāng)的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該谷倉(cāng)的出口和入口由電子系統(tǒng)控制，不能同時(shí)打開。當(dāng)入口打開時(shí)，壓力傳感器和處理機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數(shù)傳給處理器。處理機(jī)將壓力參數(shù)換算成倉(cāng)內(nèi)谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉(cāng)內(nèi)徑換算成倉(cāng)內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力達(dá)到臨界值時(shí)自動(dòng)停止谷物輸入。與此類似，當(dāng)出口打開時(shí)，壓力傳感器和處理機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數(shù)傳給處理器。處理機(jī)將壓力參數(shù)換算成倉(cāng)內(nèi)谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉(cāng)內(nèi)徑換算成倉(cāng)內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力降低到臨界值時(shí)自動(dòng)顯示存量谷物重量并提示停止谷物輸出。

1.3谷物儲(chǔ)存狀態(tài)檢測(cè)與管理

實(shí)施谷物存儲(chǔ)管理依賴于谷倉(cāng)內(nèi)設(shè)置的各類傳感器和知識(shí)庫(kù)內(nèi)的谷物儲(chǔ)存知識(shí)。這些傳感器包括電子鼻[5-6]及溫度和濕度傳感器。通過溫度和濕度傳感器獲知艙內(nèi)谷物的儲(chǔ)存溫度和濕度，再通過知識(shí)庫(kù)提供該類谷物的特性相關(guān)知識(shí)，評(píng)估當(dāng)前溫度和濕度環(huán)境是否適應(yīng)當(dāng)前谷物的安全存儲(chǔ)。通過知識(shí)庫(kù)中有關(guān)該類谷物儲(chǔ)存周期評(píng)估谷物的存儲(chǔ)安全時(shí)間周期。通過電子鼻等智能傳感器檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)谷物是否有異常氣味來確定倉(cāng)內(nèi)谷物是否有霉變傾向。

1.4谷倉(cāng)與服務(wù)器的通信

處理機(jī)通過無線局域網(wǎng)將谷倉(cāng)的編號(hào)、物理位置、谷物分布數(shù)據(jù)及谷物進(jìn)出的時(shí)間上傳到糧庫(kù)管理中心服務(wù)器中。管理中心可以及時(shí)查詢谷物的儲(chǔ)存時(shí)間和物理位置和重量等狀況，為科學(xué)的儲(chǔ)糧調(diào)度決策提供依據(jù)。

1.5服務(wù)器中知識(shí)庫(kù)的知識(shí)組成

谷物類型知識(shí)，每種類型谷物存儲(chǔ)期間發(fā)生霉變的原因以及防止霉變的措施，例如溫度和濕度及通風(fēng)等方面的要求、每種谷物的安全存儲(chǔ)周期以及評(píng)估在存谷物質(zhì)量的知識(shí)等。

1.6服務(wù)器中谷物調(diào)度子系統(tǒng)

當(dāng)新來谷物進(jìn)倉(cāng)時(shí)，記錄和上傳谷物的數(shù)量、類型和時(shí)間，服務(wù)器啟動(dòng)相應(yīng)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以相同類型谷物放在臨近谷倉(cāng)或同一谷倉(cāng)和保持同一個(gè)谷倉(cāng)的谷物進(jìn)倉(cāng)時(shí)間差最小為原則，輸出最佳進(jìn)倉(cāng)方案，這樣有利于維持谷倉(cāng)的儲(chǔ)存環(huán)境管理。當(dāng)有谷物出倉(cāng)任務(wù)時(shí)，服務(wù)器啟動(dòng)相關(guān)程序，確定哪些谷倉(cāng)的谷物適合出倉(cāng)。在滿足提取谷物在數(shù)量、類型和質(zhì)量方面的要求前提下，盡可能將儲(chǔ)存時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的谷物出倉(cāng)，這樣可以最大程度降低陳化糧的形成，防止管理上的失誤造成倉(cāng)內(nèi)谷物因儲(chǔ)存時(shí)間超期而形成陳化糧。

圖1　谷倉(cāng)的物理結(jié)構(gòu)

2　傳感器、處理機(jī)及服務(wù)器的功能

2.1傳感器

智能谷倉(cāng)具有一系列傳感器，一類用于倉(cāng)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，如溫度、濕度、氣味。這些傳感器安裝在圖1所示的傳感器安裝柱內(nèi)，可按照不同高度和位置進(jìn)行布設(shè)。安裝柱本身還具有通氣等功能，可以獨(dú)立取出，便于維修。另一類用于谷物重量變化和倉(cāng)門開閉監(jiān)測(cè)，如壓力及倉(cāng)門位置等傳感器。通過這兩類傳感器可以使得谷倉(cāng)的存儲(chǔ)環(huán)境及時(shí)得到監(jiān)測(cè)。其中谷倉(cāng)的氣味傳感器在最近幾年中取得了很大的突破，該類智能傳感器被稱為電子鼻[5]，是一類專門為防止谷物霉變而研制的智能傳感器，使得一旦谷物有霉變傾向，谷物必然產(chǎn)生異常氣味，電子鼻通過其布置在谷倉(cāng)內(nèi)若干個(gè)傳感器件以及其內(nèi)部的專門針對(duì)谷物霉變的分析程序及時(shí)報(bào)警，為谷物的存儲(chǔ)提供安全保障。將這些傳感器安裝在谷倉(cāng)的上中下三個(gè)層面可有效提高其對(duì)谷倉(cāng)儲(chǔ)存環(huán)境變化的敏感性。傳感器的設(shè)置和位置選擇如圖1所示。倉(cāng)內(nèi)安裝三組溫度、濕度和氣味傳感器，用于實(shí)時(shí)探測(cè)谷倉(cāng)內(nèi)不同部位的溫度、濕度、氣味所處的范圍；通過處理機(jī)內(nèi)的程序進(jìn)行平滑處理，獲得倉(cāng)內(nèi)谷物儲(chǔ)存環(huán)境的具體數(shù)值。傳感器的安裝如圖3所示。

2.2處理機(jī)

數(shù)據(jù)處理和通信則由安裝在谷倉(cāng)的處理機(jī)來執(zhí)行，它由嵌入式計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)卡及A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成，是智能谷倉(cāng)的數(shù)據(jù)收集、發(fā)送及對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它從壓力、電子鼻、溫度和濕度等傳感器獲得參數(shù)并通過特定程序計(jì)算出谷物重量變化，從電子鼻獲取檢測(cè)信息進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送至服務(wù)器，從濕度及溫度傳感器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均和噪聲處理后通過無線局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。此外，處理機(jī)還可以接收從服務(wù)器發(fā)來的指令，調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)倉(cāng)內(nèi)環(huán)境，適應(yīng)谷物的存儲(chǔ)。此外，處理機(jī)還通過A/D轉(zhuǎn)換控制電機(jī)開啟和關(guān)閉谷倉(cāng)的出入口。其構(gòu)成如圖2所示。

圖2　處理機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓力傳感器位于谷倉(cāng)的底部，主要用于檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)谷物重量的變化。由于谷倉(cāng)本身重量很大，采用減力杠桿的方式安裝，在計(jì)算實(shí)際重量時(shí)將傳感器獲得的壓力乘以杠桿的長(zhǎng)度比就可以獲得谷倉(cāng)的實(shí)際重量。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　壓力傳感器及附件物理結(jié)構(gòu)

2.3服務(wù)器

服務(wù)器根據(jù)智能倉(cāng)谷物發(fā)來的溫度、濕度、重量、及電子鼻獲得的參數(shù)，針對(duì)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存的谷物的重量、類型、平均存儲(chǔ)時(shí)間，利用特定的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出倉(cāng)內(nèi)增加或減少的谷物重量及各批次進(jìn)入谷倉(cāng)的谷物在谷倉(cāng)內(nèi)的分布狀況及谷物在倉(cāng)內(nèi)堆積高度。通過近似的分布圖展示在服務(wù)器界面上，使管理員可以在管理中心瀏覽各個(gè)谷倉(cāng)的存儲(chǔ)狀況。

服務(wù)器利用其知識(shí)庫(kù)內(nèi)的專家知識(shí)，綜合季節(jié)、天氣等因素，評(píng)估倉(cāng)內(nèi)谷物是否具有霉變風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估倉(cāng)內(nèi)谷物的濕度及溫度環(huán)境是否適應(yīng)該類谷物的存儲(chǔ)。如果不適應(yīng)倉(cāng)內(nèi)谷物的存儲(chǔ)，應(yīng)調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度及采取相應(yīng)措施。并將這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡傳送到主服務(wù)器。

3　工作流程

3.1處理機(jī)程序及工作流程

3.1.1通信程序 每天定時(shí)將谷倉(cāng)谷物所存谷物進(jìn)入時(shí)間批次和每批次進(jìn)入的重量發(fā)送給陳化糧監(jiān)管服務(wù)器；定時(shí)將谷倉(cāng)溫度，濕度，氣味參數(shù)傳送給服務(wù)器。接收服務(wù)器發(fā)送來的溫度、濕度調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存環(huán)境。

3.1.2谷物重量及分布位置 估算方法當(dāng)有一批谷物進(jìn)倉(cāng)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)谷物分布會(huì)發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下:

進(jìn)倉(cāng)谷物凈高度=谷物比重÷谷倉(cāng)底面積;

谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前谷物高度=谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前重量÷谷倉(cāng)底面積；

進(jìn)倉(cāng)谷物相對(duì)于谷倉(cāng)底部高度=谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前谷物高度＋進(jìn)倉(cāng)谷物凈高度；

進(jìn)倉(cāng)谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前谷物高度-進(jìn)倉(cāng)谷物相對(duì)于谷倉(cāng)底部高度；

當(dāng)有一批谷物出倉(cāng)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)谷物分布會(huì)發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下：

出倉(cāng)谷物凈高度=谷物比重÷谷倉(cāng)底面積；谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前谷物高度=谷物出谷倉(cāng)前重量÷谷倉(cāng)底面積；

出倉(cāng)谷物相對(duì)于谷倉(cāng)底部高度=谷物出谷倉(cāng)前谷物高度＋出倉(cāng)谷物凈高度；

出倉(cāng)谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉(cāng)前谷物高度-出倉(cāng)谷物相對(duì)于谷倉(cāng)底部高度；

谷倉(cāng)內(nèi)谷物儲(chǔ)存平均時(shí)間=（第1層谷物重量× 第1層谷物存儲(chǔ)時(shí)間＋第2層谷物重量×第2層谷物存儲(chǔ)時(shí)間＋…第n層谷物重量×第內(nèi)n層谷物存儲(chǔ)時(shí)間）÷倉(cāng)內(nèi)谷物總重量；

出入口控制程序：當(dāng)出口按鈕通電時(shí)，檢查入口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動(dòng)開啟電機(jī)打開谷倉(cāng)出口；當(dāng)入口按鈕通電時(shí)，檢查出口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動(dòng)開啟電機(jī)打開谷倉(cāng)入口。

如果入口打開則處理器啟動(dòng)圖4對(duì)應(yīng)的程序流程圖工作，如果出口打開則處理器啟動(dòng)圖5邊對(duì)應(yīng)的程序流程圖工作。通過對(duì)歷次增加和減少的谷物重量的統(tǒng)計(jì)以及谷物的比重可以估算出谷倉(cāng)內(nèi)每次存入的谷物的重量和位置。由于采用先進(jìn)先出的順序，谷倉(cāng)底部的谷物保存的時(shí)間最長(zhǎng)，因此一旦某谷倉(cāng)底部的谷物接近存放極限值，則服務(wù)器更具智能谷倉(cāng)提供的數(shù)據(jù)可以及時(shí)向管理員報(bào)警。

圖4　處理機(jī)入口打開工作流程

圖5　處理機(jī)出口打開工作流程

4　結(jié) 語(yǔ)

智能谷倉(cāng)的管理員通過服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可及時(shí)掌握糧食儲(chǔ)存狀況：（1）共有多少谷物在儲(chǔ)存。（2）保存時(shí)間1～3月的谷物量及位置分布，3～6月的谷物量及位置分布，7～9月的谷物量及位置分布。管理員可以根據(jù)糧食的儲(chǔ)存狀況優(yōu)化出庫(kù)順序，防止谷物陳化事件發(fā)生，保障出倉(cāng)谷物質(zhì)量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

服務(wù)器知識(shí)庫(kù)的建立需要有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行密切配合，尤其是針對(duì)不同類型的谷物，發(fā)生霉變和陳化的誘因和時(shí)間有很大的差異，不能一概而論之；此外處于不同的地理位置，谷物的存儲(chǔ)期間質(zhì)量保證的措施也應(yīng)當(dāng)因地制宜，對(duì)于具體問題應(yīng)當(dāng)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)形成針對(duì)性強(qiáng)的具體對(duì)策。

電子鼻的性能對(duì)于智能谷倉(cāng)對(duì)谷物霉變的預(yù)防和監(jiān)測(cè)非常重要，這類智能傳感器目前還沒有統(tǒng)一的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)所儲(chǔ)存的谷物事先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和校對(duì)，只有當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期時(shí)方能投入使用。

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（責(zé)任編輯：賀 藝）

An Design of Intelligent Barn Based on Sensors

ZUO Zhi-ping，TAN Si-qiao，TANG Shao-xian
（College of Information Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract：The study proposes an intelligent barn design scheme for the grain storage. Through specific sensors and computer programs，the weight change and distribution of grains entering or leaving the barn could be accurately estimated. Through wireless LAN, the intelligent barn uploads the information on the time of grains entering the barn and the distribution of grains to the grain storage scheduling server to realize the optimal scheduling of grains entering or leaving the barn. Meanwhile, with intelligent sensors and expert knowledge, it evaluates the status of stored grains, adjusts the warehouse’s temperature and humidity and promptly alerts management persons so as to prevent the formation of aged grains due to mildew and too long storage time. The proposed design scheme is significant to ensure food security and optimize the scheduling of grains.

Key words：food security; intelligent barn; aged grain

通訊作者：譚泗橋

作者簡(jiǎn)介：左志平（1977-），女，湖南衡陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息服務(wù)。

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（14JJ2082）

收稿日期：2016-01-25

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.04.027

中圖分類號(hào)：Q945.78

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2016）04-0090-04