一種基于傳感器的智能谷倉的設計論文
提出了一套應用于谷物儲存的智能谷倉設計方案，通過(guò)特定傳感器和計算機程序，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，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)上傳谷倉內谷物或糧食的進(jìn)倉時(shí)間及位置分布到儲糧調度服務(wù)器，實(shí)現谷物進(jìn)出倉優(yōu)化調度，通過(guò)智能傳感器并利用專(zhuān)家知識對谷倉內儲存的谷物狀態(tài)進(jìn)行評估，調節倉內溫度濕度并及時(shí)報警，防止谷物霉變和因儲存時(shí)間過(guò)長(cháng)形成陳化糧，對于保證糧食安全以及優(yōu)化糧食調度具有積極意義。
糧食儲存過(guò)程中的質(zhì)量保障是關(guān)系到國家穩定發(fā)展的重要問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)生的陳化糧流入市場(chǎng)等不良事件已經(jīng)成為現階段困擾我國食品安全和社會(huì )穩定的一個(gè)重要問(wèn)題，對我國的糧食供應和人民健康構成嚴重威脅[1]。
與此同時(shí)，谷物(糧食的一種主要形態(tài))的儲存管理十分繁雜，不但耗費大量的人力和物力，而且涉及到一系列技術(shù)和設施。隨著(zhù)農業(yè)的發(fā)展，基于計算機網(wǎng)絡(luò )的智能技術(shù)成為解決復雜事務(wù)管理的重要方向[2-4]。研究智能谷倉系統來(lái)實(shí)現糧食安全存儲具有重要的現實(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施，智能谷倉除了能夠實(shí)現谷物的進(jìn)倉、出倉和存放等普通谷倉的功能之外，還具有兩個(gè)方面的特殊功能，一方面它可以自動(dòng)感知倉內谷物的儲存環(huán)境和谷物儲存狀態(tài)，如平均進(jìn)倉時(shí)間、最長(cháng)進(jìn)倉時(shí)間、分批進(jìn)倉的量和位置分布，倉內溫度、濕度變化狀況，倉內是否有霉變傾向等;另一方面它可以通過(guò)專(zhuān)家系統根據入倉谷物的類(lèi)型、入倉時(shí)間、傳感器采集的各項數據，運用知識庫中的專(zhuān)家知識對倉內谷物的狀況進(jìn)行綜合分析和評估。
在此基礎上可以實(shí)現谷物入倉和出倉調度優(yōu)化。通過(guò)智能傳感器可以預知倉內谷物霉變風(fēng)險，根據倉內谷物類(lèi)型和最長(cháng)儲存時(shí)間預防谷物儲存時(shí)間過(guò)長(cháng)而形成成化糧。此外，通過(guò)計算機系統的統計和監測降低日常管理工作強度、提高工作效率。
1.2 谷物進(jìn)倉出倉控制及統計
從物理結構上看，儲存谷物的智能谷倉是一個(gè)具有一個(gè)入口和一個(gè)出口的封閉罐體和相應的控制系統組成。谷倉的物理結構如圖1所示。該谷倉的出口和入口由電子系統控制，不能同時(shí)打開(kāi)。當入口打開(kāi)時(shí)，壓力傳感器和處理機進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數傳給處理器。處理機將壓力參數換算成倉內谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉內徑換算成倉內谷物分布圖，當壓力達到臨界值時(shí)自動(dòng)停止谷物輸入。
與此類(lèi)似，當出口打開(kāi)時(shí)，壓力傳感器和處理機進(jìn)入工作狀態(tài)，壓力傳感器不斷將壓力變化參數傳給處理器。處理機將壓力參數換算成倉內谷物重量并記錄時(shí)間，按照比重和谷倉內徑換算成倉內谷物分布圖，當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 谷物儲存狀態(tài)檢測與管理
實(shí)施谷物存儲管理依賴(lài)于谷倉內設置的各類(lèi)傳感器和知識庫內的谷物儲存知識。這些傳感器包括電子鼻[5-6]及溫度和濕度傳感器。通過(guò)溫度和濕度傳感器獲知艙內谷物的儲存溫度和濕度，再通過(guò)知識庫提供該類(lèi)谷物的特性相關(guān)知識，評估當前溫度和濕度環(huán)境是否適應當前谷物的安全存儲。
通過(guò)知識庫中有關(guān)該類(lèi)谷物儲存周期評估谷物的存儲安全時(shí)間周期。通過(guò)電子鼻等智能傳感器檢測倉內谷物是否有異常氣味來(lái)確定倉內谷物是否有霉變傾向。
1.4 谷倉與服務(wù)器的通信
處理機通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)將谷倉的編號、物理位置、谷物分布數據及谷物進(jìn)出的時(shí)間上傳到糧庫管理中心服務(wù)器中。管理中心可以及時(shí)查詢(xún)谷物的儲存時(shí)間和物理位置和重量等狀況，為科學(xué)的儲糧調度決策提供依據。
1.5 服務(wù)器中知識庫的知識組成
谷物類(lèi)型知識，每種類(lèi)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)器中谷物調度子系統
當新來(lái)谷物進(jìn)倉時(shí)，記錄和上傳谷物的數量、類(lèi)型和時(shí)間，服務(wù)器啟動(dòng)相應程序進(jìn)行統計，以相同類(lèi)型谷物放在臨近谷倉或同一谷倉和保持同一個(gè)谷倉的.谷物進(jìn)倉時(shí)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。當有谷物出倉任務(wù)時(shí)，服務(wù)器啟動(dòng)相關(guān)程序，確定哪些谷倉的谷物適合出倉。在滿(mǎn)足提取谷物在數量、類(lèi)型和質(zhì)量方面的要求前提下，盡可能將儲存時(shí)間相對較長(cháng)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谷物因儲存時(shí)間超期而形成陳化糧。
2 傳感器、處理機及服務(wù)器的功能
2.1 傳感器
智能谷倉具有一系列傳感器，一類(lèi)用于倉內環(huán)境監測，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，可按照不同高度和位置進(jìn)行布設。安裝柱本身還具有通氣等功能，可以獨立取出，便于維修。另一類(lèi)用于谷物重量變化和倉門(mén)開(kāi)閉監測，如壓力及倉門(mén)位置等傳感器。通過(guò)這兩類(lèi)傳感器可以使得谷倉的存儲環(huán)境及時(shí)得到監測。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(lèi)智能傳感器被稱(chēng)為電子鼻[5]，是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)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(guò)其布置在谷倉內若干個(gè)傳感器件以及其內部的專(zhuān)門(mén)針對谷物霉變的分析程序及時(shí)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(gè)層面可有效提高其對谷倉儲存環(huán)境變化的敏感性。傳感器的設置和位置選擇如圖1所示。倉內安裝三組溫度、濕度和氣味傳感器，用于實(shí)時(shí)探測谷倉內不同部位的溫度、濕度、氣味所處的范圍;通過(guò)處理機內的程序進(jìn)行平滑處理，獲得倉內谷物儲存環(huán)境的具體數值。傳感器的安裝如圖3 所示。
2.2 處理機
數據處理和通信則由安裝在谷倉的處理機來(lái)執行，它由嵌入式計算機、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡及A/D和D/A轉換模塊組成，是智能谷倉的數據收集、發(fā)送及對采樣數據進(jìn)行預處理的執行機構。它從壓力、電子鼻、溫度和濕度等傳感器獲得參數并通過(guò)特定程序計算出谷物重量變化，從電子鼻獲取檢測信息進(jìn)行預處理后發(fā)送至服務(wù)器，從濕度及溫度傳感器獲取監測數據進(jìn)行加權平均和噪聲處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器。此外，處理機還可以接收從服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令，調節倉內空調、通風(fēng)等設施的運行狀態(tài)，維護倉內環(huán)境，適應谷物的存儲。此外，處理機還通過(guò)A/D轉換控制電機開(kāi)啟和關(guān)閉谷倉的出入口。其構成如圖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，在計算實(shí)際重量時(shí)將傳感器獲得的壓力乘以杠桿的長(cháng)度比就可以獲得谷倉的實(shí)際重量。具體結構如圖3所示。
2.3 服務(wù)器
服務(wù)器根據智能倉谷物發(fā)來(lái)的溫度、濕度、重量、及電子鼻獲得的參數，針對倉內儲存的谷物的重量、類(lèi)型、平均存儲時(shí)間，利用特定的計算機程序計算出倉內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的分布狀況及谷物在倉內堆積高度。通過(guò)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)谷倉的存儲狀況。
服務(wù)器利用其知識庫內的專(zhuān)家知識，綜合季節、天氣等因素，評估倉內谷物是否具有霉變風(fēng)險，評估倉內谷物的濕度及溫度環(huán)境是否適應該類(lèi)谷物的存儲。如果不適應倉內谷物的存儲，應調節倉內的溫度和濕度及采取相應措施。并將這些數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡傳送到主服務(wù)器。
3 工作流程
3.1 處理機程序及工作流程
3.1.1 通信程序 每天定時(shí)將谷倉谷物所存谷物進(jìn)入時(shí)間批次和每批次進(jìn)入的重量發(fā)送給陳化糧監管服務(wù)器;定時(shí)將谷倉溫度，濕度，氣味參數傳送給服務(wù)器。接收服務(wù)器發(fā)送來(lái)的溫度、濕度調節指令，調節倉內儲存環(huán)境。
3.1.2 谷物重量及分布位置 估算方法當有一批谷物進(jìn)倉時(shí)，倉內谷物分布會(huì )發(fā)生改變，其估計公式如下：
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;
當有一批谷物出倉時(shí)，倉內谷物分布會(huì )發(fā)生改變，其估計公式如下：
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;
谷倉內谷物儲存平均時(shí)間=(第1層谷物重量×第1層谷物存儲時(shí)間+第2層谷物重量×第2層谷物存儲時(shí)間+…第n層谷物重量×第內n層谷物存儲時(shí)間)÷倉內谷物總重量;
出入口控制程序：當出口按鈕通電時(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(kāi)啟電機打開(kāi)谷倉出口;當入口按鈕通電時(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(kāi)啟電機打開(kāi)谷倉入口。
如果入口打開(kāi)則處理器啟動(dòng)圖4對應的程序流程圖工作，如果出口打開(kāi)則處理器啟動(dòng)圖5邊對應的程序流程圖工作。通過(guò)對歷次增加和減少的谷物重量的統計以及谷物的比重可以估算出谷倉內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(shí)間最長(cháng)，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據可以及時(shí)向管理員報警。
4 結語(yǔ)
智能谷倉的管理員通過(guò)服務(wù)器中的數據可及時(shí)掌握糧食儲存狀況：(1)共有多少谷物在儲存。(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)量達到國家標準。
服務(wù)器知識庫的建立需要有經(jīng)驗的專(zhuān)家進(jìn)行密切配合，尤其是針對不同類(lèi)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，谷物的存儲期間質(zhì)量保證的措施也應當因地制宜，對于具體問(wèn)題應當根據以往的經(jīng)驗形成針對性強的具體對策。
電子鼻的性能對于智能谷倉對谷物霉變的預防和監測非常重要，這類(lèi)智能傳感器目前還沒(méi)有統一的國際或國家標準，因此在應用時(shí)應當根據所儲存的谷物事先進(jìn)行實(shí)驗和校對，只有當試驗結果符合預期時(shí)方能投入使用。
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