一種基于傳感器的智能谷倉的設(shè)計(jì)論文
提出了一套應(yīng)用于谷物儲存的智能谷倉設(shè)計(jì)方案，通過特定傳感器和計(jì)算機(jī)程序，對進(jìn)出谷倉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)上傳谷倉內(nèi)谷物或糧食的進(jìn)倉時間及位置分布到儲糧調(diào)度服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)谷物進(jìn)出倉優(yōu)化調(diào)度，通過智能傳感器并利用專家知識對谷倉內(nèi)儲存的谷物狀態(tài)進(jìn)行評估，調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫度濕度并及時報警，防止谷物霉變和因儲存時間過長形成陳化糧，對于保證糧食安全以及優(yōu)化糧食調(diào)度具有積極意義。
糧食儲存過程中的質(zhì)量保障是關(guān)系到國家穩(wěn)定發(fā)展的重要問題。近年來發(fā)生的陳化糧流入市場等不良事件已經(jīng)成為現(xiàn)階段困擾我國食品安全和社會穩(wěn)定的一個重要問題，對我國的糧食供應(yīng)和人民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。
與此同時，谷物(糧食的一種主要形態(tài))的儲存管理十分繁雜，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]。研究智能谷倉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)糧食安全存儲具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 智能谷倉的功能及控制
1.1 智能谷倉的功能
作為谷物安全存儲的設(shè)施，智能谷倉除了能夠?qū)崿F(xiàn)谷物的進(jìn)倉、出倉和存放等普通谷倉的功能之外，還具有兩個方面的特殊功能，一方面它可以自動感知倉內(nèi)谷物的儲存環(huán)境和谷物儲存狀態(tài)，如平均進(jìn)倉時間、最長進(jìn)倉時間、分批進(jìn)倉的量和位置分布，倉內(nèi)溫度、濕度變化狀況，倉內(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)入倉谷物的類型、入倉時間、傳感器采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用知識庫中的專家知識對倉內(nèi)谷物的狀況進(jìn)行綜合分析和評估。
在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)谷物入倉和出倉調(diào)度優(yōu)化。通過智能傳感器可以預(yù)知倉內(nèi)谷物霉變風(fēng)險，根據(jù)倉內(nèi)谷物類型和最長儲存時間預(yù)防谷物儲存時間過長而形成成化糧。此外，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測降低日常管理工作強(qiáng)度、提高工作效率。
1.2 谷物進(jìn)倉出倉控制及統(tǒng)計(jì)
從物理結(jié)構(gòu)上看，儲存谷物的智能谷倉是一個具有一個入口和一個出口的封閉罐體和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。谷倉的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該谷倉的出口和入口由電子系統(tǒng)控制，不能同時打開。當(dāng)入口打開時，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)換算成倉內(nèi)谷物重量并記錄時間，按照比重和谷倉內(nèi)徑換算成倉內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力達(dá)到臨界值時自動停止谷物輸入。
與此類似，當(dāng)出口打開時，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)換算成倉內(nèi)谷物重量并記錄時間，按照比重和谷倉內(nèi)徑換算成倉內(nèi)谷物分布圖，當(dāng)壓力降低到臨界值時自動顯示存量谷物重量并提示停止谷物輸出。
1.3 谷物儲存狀態(tài)檢測與管理
實(shí)施谷物存儲管理依賴于谷倉內(nèi)設(shè)置的各類傳感器和知識庫內(nèi)的谷物儲存知識。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)谷物的儲存溫度和濕度，再通過知識庫提供該類谷物的特性相關(guān)知識，評估當(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。
通過知識庫中有關(guān)該類谷物儲存周期評估谷物的存儲安全時間周期。通過電子鼻等智能傳感器檢測倉內(nèi)谷物是否有異常氣味來確定倉內(nèi)谷物是否有霉變傾向。
1.4 谷倉與服務(wù)器的通信
處理機(jī)通過無線局域網(wǎng)將谷倉的編號、物理位置、谷物分布數(shù)據(jù)及谷物進(jìn)出的時間上傳到糧庫管理中心服務(wù)器中。管理中心可以及時查詢谷物的儲存時間和物理位置和重量等狀況，為科學(xué)的儲糧調(diào)度決策提供依據(jù)。
1.5 服務(wù)器中知識庫的知識組成
谷物類型知識，每種類型谷物存儲期間發(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周期以及評估在存谷物質(zhì)量的知識等。
1.6 服務(wù)器中谷物調(diào)度子系統(tǒng)
當(dāng)新來谷物進(jìn)倉時，記錄和上傳谷物的數(shù)量、類型和時間，服務(wù)器啟動相應(yīng)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以相同類型谷物放在臨近谷倉或同一谷倉和保持同一個谷倉的.谷物進(jìn)倉時間差最小為原則，輸出最佳進(jìn)倉方案，這樣有利于維持谷倉的儲存環(huán)境管理。當(dāng)有谷物出倉任務(wù)時，服務(wù)器啟動相關(guān)程序，確定哪些谷倉的谷物適合出倉。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，盡可能將儲存時間相對較長的谷物出倉，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內(nèi)谷物因儲存時間超期而形成陳化糧。
2 傳感器、處理機(jī)及服務(wù)器的功能
2.1 傳感器
智能谷倉具有一系列傳感器，一類用于倉內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，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門開閉監(jiān)測，如壓力及倉門位置等傳感器。通過這兩類傳感器可以使得谷倉的存儲環(huán)境及時得到監(jiān)測。其中谷倉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內(nèi)若干個傳感器件以及其內(nèi)部的專門針對谷物霉變的分析程序及時報警，為谷物的存儲提供安全保障。
將這些傳感器安裝在谷倉的上中下三個層面可有效提高其對谷倉儲存環(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。倉內(nèi)安裝三組溫度、濕度和氣味傳感器，用于實(shí)時探測谷倉內(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，獲得倉內(nèi)谷物儲存環(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，是智能谷倉的數(shù)據(jù)收集、發(fā)送及對采樣數(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)倉內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)等設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)倉內(nèi)環(huán)境，適應(yīng)谷物的存儲。此外，處理機(jī)還通過A/D轉(zhuǎn)換控制電機(jī)開啟和關(guān)閉谷倉的出入口。其構(gòu)成如圖2所示。
壓力傳感器位于谷倉的底部，主要用于檢測倉內(nèi)谷物重量的變化。由于谷倉本身重量很大，采用減力杠桿的方式安裝，在計(jì)算實(shí)際重量時將傳感器獲得的壓力乘以杠桿的長度比就可以獲得谷倉的實(shí)際重量。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.3 服務(wù)器
服務(wù)器根據(jù)智能倉谷物發(fā)來的溫度、濕度、重量、及電子鼻獲得的參數(shù)，針對倉內(nèi)儲存的谷物的重量、類型、平均存儲時間，利用特定的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算出倉內(nèi)增加或減少的谷物重量及各批次進(jìn)入谷倉的谷物在谷倉內(nèi)的分布狀況及谷物在倉內(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谷倉的存儲狀況。
服務(wù)器利用其知識庫內(nèi)的專家知識，綜合季節(jié)、天氣等因素，評估倉內(nèi)谷物是否具有霉變風(fēng)險，評估倉內(nèi)谷物的濕度及溫度環(huán)境是否適應(yīng)該類谷物的存儲。如果不適應(yīng)倉內(nèi)谷物的存儲，應(yīng)調(diào)節(jié)倉內(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 每天定時將谷倉谷物所存谷物進(jìn)入時間批次和每批次進(jìn)入的重量發(fā)送給陳化糧監(jiān)管服務(wù)器;定時將谷倉溫度，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)倉內(nèi)儲存環(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)倉時，倉內(nèi)谷物分布會發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下：
進(jìn)倉谷物凈高度=谷物比重÷谷倉底面積;
谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度=谷物進(jìn)入谷倉前重量÷谷倉底面積;
進(jìn)倉谷物相對于谷倉底部高度=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度+進(jìn)倉谷物凈高度;
進(jìn)倉谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度-進(jìn)倉谷物相對于谷倉底部高度;
當(dāng)有一批谷物出倉時，倉內(nèi)谷物分布會發(fā)生改變，其估計(jì)公式如下：
出倉谷物凈高度=谷物比重÷谷倉底面積;
谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度=谷物出谷倉前重量÷谷倉底面積;
出倉谷物相對于谷倉底部高度=谷物出谷倉前谷物高度+出倉谷物凈高度;
出倉谷物分布范圍=谷物進(jìn)入谷倉前谷物高度-出倉谷物相對于谷倉底部高度;
谷倉內(nèi)谷物儲存平均時間=(第1層谷物重量×第1層谷物存儲時間+第2層谷物重量×第2層谷物存儲時間+…第n層谷物重量×第內(nèi)n層谷物存儲時間)÷倉內(nèi)谷物總重量;
出入口控制程序：當(dāng)出口按鈕通電時，檢查入口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動開啟電機(jī)打開谷倉出口;當(dāng)入口按鈕通電時，檢查出口是否處于關(guān)閉狀態(tài)，如果處于關(guān)閉狀態(tài)則啟動開啟電機(jī)打開谷倉入口。
如果入口打開則處理器啟動圖4對應(yīng)的程序流程圖工作，如果出口打開則處理器啟動圖5邊對應(yīng)的程序流程圖工作。通過對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，谷倉底部的谷物保存的時間最長，因此一旦某谷倉底部的谷物接近存放極限值，則服務(wù)器更具智能谷倉提供的數(shù)據(jù)可以及時向管理員報警。
4 結(jié)語
智能谷倉的管理員通過服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可及時掌握糧食儲存狀況：(1)共有多少谷物在儲存。(2)保存時間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)糧食的儲存狀況優(yōu)化出庫順序，防止谷物陳化事件發(fā)生，保障出倉谷物質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。
服務(wù)器知識庫的建立需要有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行密切配合，尤其是針對不同類型的谷物，發(fā)生霉變和陳化的誘因和時間有很大的差異，不能一概而論之;此外處于不同的地理位置，谷物的存儲期間質(zhì)量保證的措施也應(yīng)當(dāng)因地制宜，對于具體問題應(yīng)當(dāng)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)形成針對性強(qiáng)的具體對策。
電子鼻的性能對于智能谷倉對谷物霉變的預(yù)防和監(jiān)測非常重要，這類智能傳感器目前還沒有統(tǒng)一的國際或國家標(biāo)準(zhǔn)，因此在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)所儲存的谷物事先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和校對，只有當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期時方能投入使用。
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