一种基于传感器的智能谷仓的设计
提出了一套应用于谷物储存的智能谷仓设计方案，通过特定传感器和计算机程序，对进出谷仓的谷物的重量变化和位置分布进行精确估计，并通过无线局域网上传谷仓内谷物或粮食的进仓时间及位置分布到储粮调度服务器，实现谷物进出仓优化调度，通过智能传感器并利用专家知识对谷仓内储存的谷物状态进行评估，调节仓内温度湿度并及时报警，防止谷物霉变和因储存时间过长形成陈化粮，对于保证粮食安全以及优化粮食调度具有积极意义。
粮食储存过程中的质量保障是关系到国家稳定发展的重要问题。近年来发生的陈化粮流入市场等恶性事件已经成为现阶段困扰我国食品安全和社会稳定的一个重要问题，对我国的粮食供应和人民健康构成严重威胁[1]。
与此同时，谷物(粮食的一种主要形态)的储存管理十分繁杂，不但耗费大量的人力和物力，而且涉及到一系列技术和设施。随着农业的发展，基于计算机网络的智能技术成为解决复杂事务管理的重要方向[2-4]。研究智能谷仓系统来实现粮食安全存储具有重要的现实意义。
1 智能谷仓的功能及控制
1.1 智能谷仓的功能
作为谷物安全存储的设施，智能谷仓除了能够实现谷物的进仓、出仓和存放等普通谷仓的功能之外，还具有两个方面的特殊功能，一方面它可以自动感知仓内谷物的储存环境和谷物储存状态，如平均进仓时间、最长进仓时间、分批进仓的量和位置分布，仓内温度、湿度变化状况，仓内是否有霉变倾向等;另一方面它可以通过专家系统根据入仓谷物的类型、入仓时间、传感器采集的各项数据，运用知识库中的专家知识对仓内谷物的状况进行综合分析和评估。
在此基础上可以实现谷物入仓和出仓调度优化。通过智能传感器可以预知仓内谷物霉变风险，根据仓内谷物类型和最长储存时间预防谷物储存时间过长而形成成化粮。此外，通过计算机系统的统计和监测降低日常管理工作强度、提高工作效率。
1.2 谷物进仓出仓控制及统计
从物理结构上看，储存谷物的智能谷仓是一个具有一个入口和一个出口的封闭罐体和相应的控制系统组成。谷仓的物理结构如图1所示。该谷仓的出口和入口由电子系统控制，不能同时打开。当入口打开时，压力传感器和处理机进入工作状态，压力传感器不断将压力变化参数传给处理器。处理机将压力参数换算成仓内谷物重量并记录时间，按照比重和谷仓内径换算成仓内谷物分布图，当压力达到临界值时自动停止谷物输入。
与此类似，当出口打开时，压力传感器和处理机进入工作状态，压力传感器不断将压力变化参数传给处理器。处理机将压力参数换算成仓内谷物重量并记录时间，按照比重和谷仓内径换算成仓内谷物分布图，当压力降低到临界值时自动显示存量谷物重量并提示停止谷物输出。
1.3 谷物储存状态检测与管理
实施谷物存储管理依赖于谷仓内设置的各类传感器和知识库内的谷物储存知识。这些传感器包括电子鼻[5-6]及温度和湿度传感器。通过温度和湿度传感器获知舱内谷物的储存温度和湿度，再通过知识库提供该类谷物的特性相关知识，评估当前温度和湿度环境是否适应当前谷物的安全存储。
通过知识库中有关该类谷物储存周期评估谷物的存储安全时间周期。通过电子鼻等智能传感器检测仓内谷物是否有异常气味来确定仓内谷物是否有霉变倾向。
1.4 谷仓与服务器的通信
处理机通过无线局域网将谷仓的编号、物理位置、谷物分布数据及谷物进出的时间上传到粮库管理中心服务器中。管理中心可以及时查询谷物的储存时间和物理位置和重量等状况，为科学的储粮调度决策提供依据。
1.5 服务器中知识库的知识组成
谷物类型知识，每种类型谷物存储期间发生霉变的原因以及防止霉变的措施，例如温度和湿度及通风等方面的要求、每种谷物的安全存储周期以及评估在存谷物质量的知识等。
1.6 服务器中谷物调度子系统
当新来谷物进仓时，记录和上传谷物的数量、类型和时间，服务器启动相应程序进行统计，以相同类型谷物放在临近谷仓或同一谷仓和保持同一个谷仓的谷物进仓时间差最小为原则，输出最佳进仓方案，这样有利于维持谷仓的储存环境管理。当有谷物出仓任务时，服务器启动相关程序，确定哪些谷仓的谷物适合出仓。在满足提取谷物在数量、类型和质量方面的要求前提下，尽可能将储存时间相对较长的谷物出仓，这样可以最大程度降低陈化粮的形成，防止管理上的失误造成仓内谷物因储存时间超期而形成陈化粮。
2 传感器、处理机及服务器的功能
2.1 传感器
智能谷仓具有一系列传感器，一类用于仓内环境监测，如温度、湿度、气味。这些传感器安装在图1所示的传感器安装柱内，可按照不同高度和位置进行布设。安装柱本身还具有通气等功能，可以独立取出，便于维修。另一类用于谷物重量变化和仓门开闭监测，如压力及仓门位置等传感器。通过这两类传感器可以使得谷仓的存储环境及时得到监测。其中谷仓的气味传感器在最近几年中取得了很大的突破，该类智能传感器被称为电子鼻[5]，是一类专门为防止谷物霉变而研制的智能传感器，使得一旦谷物有霉变倾向，谷物必然产生异常气味，电子鼻通过其布置在谷仓内若干个传感器件以及其内部的专门针对谷物霉变的分析程序及时报警，为谷物的存储提供安全保障。
将这些传感器安装在谷仓的上中下三个层面可有效提高其对谷仓储存环境变化的敏感性。传感器的设置和位置选择如图1所示。仓内安装三组温度、湿度和气味传感器，用于实时探测谷仓内不同部位的温度、湿度、气味所处的范围;通过处理机内的程序进行平滑处理，获得仓内谷物储存环境的具体数值。传感器的安装如图3 所示。
2.2 处理机
数据处理和通信则由安装在谷仓的处理机来执行，它由嵌入式计算机、无线网卡及A/D和D/A转换模块组成，是智能谷仓的数据收集、发送及对采样数据进行预处理的执行机构。它从压力、电子鼻、温度和湿度等传感器获得参数并通过特定程序计算出谷物重量变化，从电子鼻获取检测信息进行预处理后发送至服务器，从湿度及温度传感器获取监测数据进行加权平均和噪声处理后通过无线局域网发送给服务器。此外，处理机还可以接收从服务器发来的指令，调节仓内空调、通风等设施的运行状态，维护仓内环境，适应谷物的存储。此外，处理机还通过A/D转换控制电机开启和关闭谷仓的出入口。其构成如图2所示。
压力传感器位于谷仓的底部，主要用于检测仓内谷物重量的变化。由于谷仓本身重量很大，采用减力杠杆的方式安装，在计算实际重量时将传感器获得的压力乘以杠杆的长度比就可以获得谷仓的实际重量。具体结构如图3所示。
2.3 服务器
服务器根据智能仓谷物发来的温度、湿度、重量、及电子鼻获得的参数，针对仓内储存的谷物的重量、类型、平均存储时间，利用特定的计算机程序计算出仓内增加或减少的谷物重量及各批次进入谷仓的谷物在谷仓内的分布状况及谷物在仓内堆积高度。通过近似的分布图展示在服务器界面上，使管理员可以在管理中心浏览各个谷仓的存储状况。
服务器利用其知识库内的专家知识，综合季节、天气等因素，评估仓内谷物是否具有霉变风险，评估仓内谷物的湿度及温度环境是否适应该类谷物的存储。如果不适应仓内谷物的存储，应调节仓内的温度和湿度及采取相应措施。并将这些数据通过无线网卡传送到主服务器。
3 工作流程
3.1 处理机程序及工作流程
3.1.1 通信程序 每天定时将谷仓谷物所存谷物进入时间批次和每批次进入的重量发送给陈化粮监管服务器;定时将谷仓温度，湿度，气味参数传送给服务器。接收服务器发送来的温度、湿度调节指令，调节仓内储存环境。
3.1.2 谷物重量及分布位置 估算方法当有一批谷物进仓时，仓内谷物分布会发生改变，其估计公式如下：
进仓谷物净高度=谷物比重÷谷仓底面积;
谷物进入谷仓前谷物高度=谷物进入谷仓前重量÷谷仓底面积;
进仓谷物相对于谷仓底部高度=谷物进入谷仓前谷物高度+进仓谷物净高度;
进仓谷物分布范围=谷物进入谷仓前谷物高度-进仓谷物相对于谷仓底部高度;
当有一批谷物出仓时，仓内谷物分布会发生改变，其估计公式如下：
出仓谷物净高度=谷物比重÷谷仓底面积;
谷物进入谷仓前谷物高度=谷物出谷仓前重量÷谷仓底面积;
出仓谷物相对于谷仓底部高度=谷物出谷仓前谷物高度+出仓谷物净高度;
出仓谷物分布范围=谷物进入谷仓前谷物高度-出仓谷物相对于谷仓底部高度;
谷仓内谷物储存平均时间=(第1层谷物重量×第1层谷物存储时间+第2层谷物重量×第2层谷物存储时间+…第n层谷物重量×第内n层谷物存储时间)÷仓内谷物总重量;
出入口控制程序：当出口按钮通电时，检查入口是否处于关闭状态，如果处于关闭状态则启动开启电机打开谷仓出口;当入口按钮通电时，检查出口是否处于关闭状态，如果处于关闭状态则启动开启电机打开谷仓入口。
如果入口打开则处理器启动图4对应的程序流程图工作，如果出口打开则处理器启动图5边对应的程序流程图工作。通过对历次增加和减少的谷物重量的统计以及谷物的比重可以估算出谷仓内每次存入的谷物的重量和位置。由于采用先进先出的顺序，谷仓底部的谷物保存的时间最长，因此一旦某谷仓底部的谷物接近存放极限值，则服务器更具智能谷仓提供的数据可以及时向管理员报警。
4 结 语
智能谷仓的管理员通过服务器中的数据可及时掌握粮食储存状况：(1)共有多少谷物在储存。(2)保存时间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。管理员可以根据粮食的储存状况优化出库顺序，防止谷物陈化事件发生，保障出仓谷物质量达到国家标准。
服务器知识库的建立需要有经验的专家进行密切配合，尤其是针对不同类型的谷物，发生霉变和陈化的诱因和时间有很大的差异，不能一概而论之;此外处于不同的地理位置，谷物的存储期间质量保证的措施也应当因地制宜，对于具体问题应当根据以往的经验形成针对性强的具体对策。
电子鼻的性能对于智能谷仓对谷物霉变的预防和监测非常重要，这类智能传感器目前还没有统一的国际或国家标准，因此在应用时应当根据所储存的谷物事先进行实验和校对，只有当试验结果符合预期时方能投入使用。
作者：左志平 谭泗桥 唐少先 来源：湖南农业科学 2016年4期
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