一種基於感測器的智慧穀倉的設計論文
一種基於感測器的智慧穀倉的設計論文
提出了一套應用於穀物儲存的智慧穀倉設計方案，透過特定感測器和計算機程式，對進出穀倉的穀物的重量變化和位置分佈進行精確估計，並透過無線區域網上傳穀倉內穀物或糧食的進倉時間及位置分佈到儲糧排程伺服器，實現穀物進出倉最佳化排程，透過智慧感測器並利用專家知識對穀倉內儲存的穀物狀態進行評估，調節倉內溫度溼度並及時報警，防止穀物黴變和因儲存時間過長形成陳化糧，對於保證糧食安全以及最佳化糧食排程具有積極意義。
糧食儲存過程中的質量保障是關係到國家穩定發展的重要問題。近年來發生的陳化糧流入市場等不良事件已經成為現階段困擾我國食品安全和社會穩定的一個重要問題，對我國的糧食供應和人民健康構成嚴重威脅[1]。
與此同時，穀物(糧食的一種主要形態)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和設施。隨著農業的發展，基於計算機網路的智慧技術成為解決複雜事務管理的重要方向[2-4]。研究智慧穀倉系統來實現糧食安全儲存具有重要的現實意義。
1 智慧穀倉的功能及控制
1.1 智慧穀倉的功能
作為穀物安全儲存的設施，智慧穀倉除了能夠實現穀物的進倉、出倉和存放等普通穀倉的功能之外，還具有兩個方面的特殊功能，一方面它可以自動感知倉內穀物的儲存環境和穀物儲存狀態，如平均進倉時間、最長進倉時間、分批進倉的量和位置分佈，倉內溫度、溼度變化狀況，倉內是否有黴變傾向等;另一方面它可以透過專家系統根據入倉穀物的型別、入倉時間、感測器採集的各項資料，運用知識庫中的專家知識對倉內穀物的狀況進行綜合分析和評估。
在此基礎上可以實現穀物入倉和出倉排程最佳化。透過智慧感測器可以預知倉內穀物黴變風險，根據倉內穀物型別和最長儲存時間預防穀物儲存時間過長而形成成化糧。此外，透過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 穀物進倉出倉控制及統計
從物理結構上看，儲存穀物的智慧穀倉是一個具有一個入口和一個出口的封閉罐體和相應的控制系統組成。穀倉的物理結構如圖1所示。該穀倉的出口和入口由電子系統控制，不能同時開啟。當入口開啟時，壓力感測器和處理機進入工作狀態，壓力感測器不斷將壓力變化引數傳給處理器。處理機將壓力引數換算成倉內穀物重量並記錄時間，按照比重和穀倉內徑換算成倉內穀物分佈圖，當壓力達到臨界值時自動停止穀物輸入。
與此類似，當出口開啟時，壓力感測器和處理機進入工作狀態，壓力感測器不斷將壓力變化引數傳給處理器。處理機將壓力引數換算成倉內穀物重量並記錄時間，按照比重和穀倉內徑換算成倉內穀物分佈圖，當壓力降低到臨界值時自動顯示存量穀物重量並提示停止穀物輸出。
1.3 穀物儲存狀態檢測與管理
實施穀物儲存管理依賴於穀倉內設定的各類感測器和知識庫內的穀物儲存知識。這些感測器包括電子鼻[5-6]及溫度和溼度感測器。透過溫度和溼度感測器獲知艙內穀物的儲存溫度和溼度，再透過知識庫提供該類穀物的特性相關知識，評估當前溫度和溼度環境是否適應當前穀物的安全儲存。
透過知識庫中有關該類穀物儲存週期評估穀物的儲存安全時間週期。透過電子鼻等智慧感測器檢測倉內穀物是否有異常氣味來確定倉內穀物是否有黴變傾向。
1.4 穀倉與伺服器的通訊
處理機透過無線區域網將穀倉的編號、物理位置、穀物分佈資料及穀物進出的時間上傳到糧庫管理中心伺服器中。管理中心可以及時查詢穀物的儲存時間和物理位置和重量等狀況，為科學的儲糧排程決策提供依據。
1.5 伺服器中知識庫的知識組成
穀物型別知識，每種型別穀物儲存期間發生黴變的原因以及防止黴變的措施，例如溫度和溼度及通風等方面的要求、每種穀物的安全儲存週期以及評估在存穀物質量的知識等。
1.6 伺服器中谷物排程子系統
當新來穀物進倉時，記錄和上傳穀物的數量、型別和時間，伺服器啟動相應程式進行統計，以相同型別穀物放在臨近穀倉或同一穀倉和保持同一個穀倉的.穀物進倉時間差最小為原則，輸出最佳進倉方案，這樣有利於維持穀倉的儲存環境管理。當有穀物出倉任務時，伺服器啟動相關程式，確定哪些穀倉的穀物適合出倉。在滿足提取穀物在數量、型別和質量方面的要求前提下，儘可能將儲存時間相對較長的穀物出倉，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穀物因儲存時間超期而形成陳化糧。
2 感測器、處理機及伺服器的功能
2.1 感測器
智慧穀倉具有一系列感測器，一類用於倉內環境監測，如溫度、溼度、氣味。這些感測器安裝在圖1所示的感測器安裝柱內，可按照不同高度和位置進行佈設。安裝柱本身還具有通氣等功能，可以獨立取出，便於維修。另一類用於穀物重量變化和倉門開閉監測，如壓力及倉門位置等感測器。透過這兩類感測器可以使得穀倉的儲存環境及時得到監測。其中谷倉的氣味感測器在最近幾年中取得了很大的突破，該類智慧感測器被稱為電子鼻[5]，是一類專門為防止穀物黴變而研製的智慧感測器，使得一旦穀物有黴變傾向，穀物必然產生異常氣味，電子鼻透過其佈置在穀倉內若干個感測器件以及其內部的專門針對穀物黴變的分析程式及時報警，為穀物的儲存提供安全保障。
將這些感測器安裝在穀倉的上中下三個層面可有效提高其對穀倉儲存環境變化的敏感性。感測器的設定和位置選擇如圖1所示。倉內安裝三組溫度、溼度和氣味感測器，用於實時探測穀倉內不同部位的溫度、溼度、氣味所處的範圍;透過處理機內的程式進行平滑處理，獲得倉內穀物儲存環境的具體數值。感測器的安裝如圖3 所示。
2.2 處理機
資料處理和通訊則由安裝在穀倉的處理機來執行，它由嵌入式計算機、無線網絡卡及A/D和D/A轉換模組組成，是智慧穀倉的資料收集、傳送及對取樣資料進行預處理的執行機構。它從壓力、電子鼻、溫度和溼度等感測器獲得引數並透過特定程式計算出穀物重量變化，從電子鼻獲取檢測資訊進行預處理後傳送至伺服器，從溼度及溫度感測器獲取監測資料進行加權平均和噪聲處理後透過無線區域網傳送給伺服器。此外，處理機還可以接收從伺服器發來的指令，調節倉內空調、通風等設施的執行狀態，維護倉內環境，適應穀物的儲存。此外，處理機還透過A/D轉換控制電機開啟和關閉穀倉的出入口。其構成如圖2所示。
壓力感測器位於穀倉的底部，主要用於檢測倉內穀物重量的變化。由於穀倉本身重量很大，採用減力槓桿的方式安裝，在計算實際重量時將感測器獲得的壓力乘以槓桿的長度比就可以獲得穀倉的實際重量。具體結構如圖3所示。
2.3 伺服器
伺服器根據智慧倉穀物發來的溫度、溼度、重量、及電子鼻獲得的引數，針對倉內儲存的穀物的重量、型別、平均儲存時間，利用特定的計算機程式計算出倉內增加或減少的穀物重量及各批次進入穀倉的穀物在穀倉內的分佈狀況及穀物在倉內堆積高度。透過近似的分佈圖展示在伺服器介面上，使管理員可以在管理中心瀏覽各個穀倉的儲存狀況。
伺服器利用其知識庫內的專家知識，綜合季節、天氣等因素，評估倉內穀物是否具有黴變風險，評估倉內穀物的溼度及溫度環境是否適應該類穀物的儲存。如果不適應倉內穀物的儲存，應調節倉內的溫度和溼度及採取相應措施。並將這些資料透過無線網絡卡傳送到主伺服器。
3 工作流程
3.1 處理機程式及工作流程
3.1.1 通訊程式 每天定時將穀倉穀物所存穀物進入時間批次和每批次進入的重量傳送給陳化糧監管伺服器;定時將穀倉溫度，溼度，氣味引數傳送給伺服器。接收伺服器傳送來的溫度、溼度調節指令，調節倉內儲存環境。
3.1.2 穀物重量及分佈位置 估算方法當有一批穀物進倉時，倉內穀物分佈會發生改變，其估計公式如下：
進倉穀物淨高度=穀物比重÷穀倉底面積;
穀物進入穀倉前穀物高度=穀物進入穀倉前重量÷穀倉底面積;
進倉穀物相對於穀倉底部高度=穀物進入穀倉前穀物高度+進倉穀物淨高度;
進倉穀物分佈範圍=穀物進入穀倉前穀物高度-進倉穀物相對於穀倉底部高度;
當有一批穀物出倉時，倉內穀物分佈會發生改變，其估計公式如下：
出倉穀物淨高度=穀物比重÷穀倉底面積;
穀物進入穀倉前穀物高度=穀物出穀倉前重量÷穀倉底面積;
出倉穀物相對於穀倉底部高度=穀物出穀倉前穀物高度+出倉穀物淨高度;
出倉穀物分佈範圍=穀物進入穀倉前穀物高度-出倉穀物相對於穀倉底部高度;
穀倉內穀物儲存平均時間=(第1層穀物重量×第1層穀物儲存時間+第2層穀物重量×第2層穀物儲存時間+…第n層穀物重量×第內n層穀物儲存時間)÷倉內穀物總重量;
出入口控制程式：當出口按鈕通電時，檢查入口是否處於關閉狀態，如果處於關閉狀態則啟動開啟電機開啟穀倉出口;當入口按鈕通電時，檢查出口是否處於關閉狀態，如果處於關閉狀態則啟動開啟電機開啟穀倉入口。
如果入口開啟則處理器啟動圖4對應的程式流程圖工作，如果出口開啟則處理器啟動圖5邊對應的程式流程圖工作。透過對歷次增加和減少的穀物重量的統計以及穀物的比重可以估算出穀倉內每次存入的穀物的重量和位置。由於採用先進先出的順序，穀倉底部的穀物儲存的時間最長，因此一旦某穀倉底部的穀物接近存放極限值，則伺服器更具智慧穀倉提供的資料可以及時向管理員報警。
4 結語
智慧穀倉的管理員透過伺服器中的資料可及時掌握糧食儲存狀況：(1)共有多少穀物在儲存。(2)儲存時間1～3月的穀物量及位置分佈，3～6月的穀物量及位置分佈，7～9月的穀物量及位置分佈。管理員可以根據糧食的儲存狀況優化出庫順序，防止穀物陳化事件發生，保障出倉穀物質量達到國家標準。
伺服器知識庫的建立需要有經驗的專家進行密切配合，尤其是針對不同型別的穀物，發生黴變和陳化的誘因和時間有很大的差異，不能一概而論之;此外處於不同的地理位置，穀物的儲存期間質量保證的措施也應當因地制宜，對於具體問題應當根據以往的經驗形成針對性強的具體對策。
電子鼻的效能對於智慧穀倉對穀物黴變的預防和監測非常重要，這類智慧感測器目前還沒有統一的國際或國家標準，因此在應用時應當根據所儲存的穀物事先進行實驗和校對，只有當試驗結果符合預期時方能投入使用。