一種基于傳感器的智能谷倉(cāng)的設(shè)計(jì)論文
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。
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)等不良事件已經(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。
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。
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。
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。
4 結(jié)語
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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