糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

萬(wàn)曙峰　吳文福　杜吉山

摘 要：糧食是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定的基礎(chǔ)，保證糧食安全問(wèn)題十分重要，糧情監(jiān)測(cè)裝置是保證糧儲(chǔ)安全的重要途徑，本文主要闡述了糧倉(cāng)內(nèi)糧堆谷物參數(shù)的監(jiān)測(cè)裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：糧食安全；糧情；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：F762.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332016

引言

我國(guó)是一個(gè)擁有13億多人口的農(nóng)業(yè)大國(guó)。糧食是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是人類賴以生存的主要來(lái)源，它關(guān)系著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。因此，保證糧食安全問(wèn)題尤為重要，糧食的安全生態(tài)儲(chǔ)存是提高糧食質(zhì)量、減少糧食損耗的重要途徑。

糧情監(jiān)測(cè)是保證糧儲(chǔ)安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。糧情直接或者間接地反映了糧食的狀態(tài)。若能既準(zhǔn)確又快速地檢測(cè)出糧堆中的糧食參數(shù)，如糧食溫度濕度、糧食含水率、糧堆中各氣體濃度等，并將各個(gè)參數(shù)及時(shí)地反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就可以及時(shí)進(jìn)行判斷以及控制操作，從而減少儲(chǔ)存環(huán)節(jié)中的糧食損耗[1]。

隨著時(shí)代的進(jìn)步、科技的迅猛發(fā)展，糧情監(jiān)測(cè)問(wèn)題也備受人們關(guān)注，單純地依靠人工經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)糧情監(jiān)測(cè)方法，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。而且由于影響糧情的因素較多，糧情復(fù)雜多變等問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的糧情檢測(cè)著實(shí)困難。不過(guò)，隨著諸多新興現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如傳感器技術(shù)、半導(dǎo)體物理學(xué)、電解質(zhì)物理學(xué)以及信息融合等技術(shù)的快速發(fā)展，為糧堆中糧情檢測(cè)技術(shù)的研究提供了新的科學(xué)依據(jù)[2]。

1糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，早在20世紀(jì)60年代就有使用糧情監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)保證儲(chǔ)糧安全相關(guān)方面的研究。霍尼韋爾國(guó)際的工程師Hughes等使用氯化鋰Dunmore型元素法快速測(cè)定小麥面粉的水分，將溫濕度傳感器插入測(cè)量樣品中，再由之前建立的等溫關(guān)系曲線得到樣品含水率[3]。經(jīng)研究人員測(cè)試，在10%～15%的含水率范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)0.2%。1976年美國(guó)，William T. Eng發(fā)明了適用于糧倉(cāng)的電子溫度監(jiān)控器[4]，其選用多個(gè)硅二極管作為測(cè)量元件，按一定的排列方式布置在糧倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)電纜連接到外部監(jiān)控單元，顯示單元可以顯示出各點(diǎn)的溫度值。該裝置還具有自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)任何單個(gè)傳感器達(dá)到或超過(guò)預(yù)先設(shè)定的溫度值會(huì)啟動(dòng)報(bào)警功能。

近年來(lái)，國(guó)外農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已朝著蟲霉發(fā)生情況、糧倉(cāng)內(nèi)粉塵及其他揮發(fā)性氣體的檢測(cè)的方向發(fā)展。加拿大的很多谷物研究課題在世界范圍內(nèi)一直保持領(lǐng)先地位，擁有高達(dá)19個(gè)谷物研究所。2011年加拿大的Md. E. Hossain·D·S. Jayas等人利用炭黑聚合物傳感器陣列來(lái)擬合和監(jiān)控小麥早期的赤擬谷盜的生長(zhǎng)情況。該傳感器陣列包含各方面的傳感器：相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器以及苯乙烯共聚物傳感器，能有效區(qū)分赤擬谷盜和小麥。2015年加拿大曼尼托巴大學(xué)的Mohammad Asef等人提出了通過(guò)完整的三維矢量電磁成像系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控儲(chǔ)糧腐壞情況，該系統(tǒng)使用有限元法對(duì)比度源反演（MORFEM-CSI）算法重建谷物顆粒的完整三維電解質(zhì)地圖，任何腐壞都可在電解質(zhì)圖中顯示，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控糧倉(cāng)。2015年，美國(guó)阿肯色大學(xué)助理教授Griffiths Atungulu提出了一種基于平衡水分含量（EMC）新的布線和傳感器技術(shù)，使用測(cè)量空氣環(huán)境和溫濕度傳感器，能準(zhǔn)確評(píng)估谷物質(zhì)量，包括大米產(chǎn)量（MRY）、水稻產(chǎn)量（HRY）、米的顏色和黏性，并且能有效監(jiān)測(cè)霉菌毒素特別是黃曲霉毒素的生成[5]。

1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)與國(guó)外相比發(fā)展較晚，市面上大多數(shù)糧情監(jiān)控系統(tǒng)都是以節(jié)點(diǎn)的形式布置溫濕度傳感器，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度閥值判斷是否進(jìn)行通風(fēng)降溫等操作。某些地區(qū)的糧庫(kù)甚至還是依靠人工檢測(cè)，即有專門的糧情巡檢員，定時(shí)用“鐵探子”對(duì)糧倉(cāng)糧情進(jìn)行檢測(cè)，工作效率與檢測(cè)精度較低，隨機(jī)性強(qiáng)，并不能客觀反映真實(shí)糧情。

隨著國(guó)家一系列政策措施的推出，我國(guó)很多高校在糧情監(jiān)測(cè)方面也取得了一些成績(jī)。延邊大學(xué)樸相范、北京郵電大學(xué)周慧玲、南京理工大學(xué)吳明贊、安徽大學(xué)張紅偉、西安工業(yè)大學(xué)賀為婷、陳中孝以及秦剛、華中科技大學(xué)的陳良洲等人都相繼研究開發(fā)出基于嵌入式、ARM、GPRS、Internet或Zigbee其中一種或數(shù)種技術(shù)相結(jié)合的無(wú)線糧情測(cè)控系統(tǒng)[6-13]。這種系統(tǒng)都是以節(jié)點(diǎn)的方式布置溫濕度傳感器，以各節(jié)點(diǎn)的糧情推測(cè)出整個(gè)糧堆糧情分布情況。由于是無(wú)線系統(tǒng)，安裝較為方便。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈明霞在基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線糧情測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出以EMC模型預(yù)測(cè)糧食實(shí)時(shí)含水率，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)ChunPfost模型具有較為準(zhǔn)確的糧食水分預(yù)測(cè)精度[7]。此外太原理工大學(xué)杜文廣與徐州國(guó)家糧庫(kù)合作研發(fā)出基于EZMAC Improved通信協(xié)議的無(wú)線糧情監(jiān)控系統(tǒng)，并完成了蟲害傳感器的開發(fā)，目前該系統(tǒng)已在徐州國(guó)家糧庫(kù)投入運(yùn)行[8]。東北大學(xué)李新光、邵富群團(tuán)隊(duì)在糧倉(cāng)外表面上安裝8電容極板，組成傳感器陣列，結(jié)合電容層析成像技術(shù)（ECT）實(shí)時(shí)檢測(cè)糧倉(cāng)糧食水分[9]，具有非侵入、非輻射、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。河南工業(yè)大學(xué)張?jiān)谘芯縍IS-K2型雷達(dá)的基礎(chǔ)上，根據(jù)糧食電磁特性，將跨孔雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于糧倉(cāng)內(nèi)，提出了反射透射式糧倉(cāng)儲(chǔ)糧水分的電磁波檢測(cè)方法，搭建了室外檢測(cè)糧食水分的測(cè)控系統(tǒng)[10]。

2存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)30a的發(fā)展，可以看出，國(guó)內(nèi)的糧情檢測(cè)技術(shù)取得了一定的成績(jī)，但目前仍然存在一些問(wèn)題：

2.1系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)單一

這是我國(guó)糧情監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的主要問(wèn)題。目前大多數(shù)糧倉(cāng)內(nèi)使用的糧情檢測(cè)系統(tǒng)都是根據(jù)國(guó)家頒布的傳感器布置原則安裝布置測(cè)溫電纜和濕度傳感器，很少系統(tǒng)有對(duì)糧食水分、蟲害范圍、霉變狀況、倉(cāng)內(nèi)粉塵和糧食品質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果僅有溫濕度參數(shù)，很難形成正確全面反映糧食真實(shí)狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)功能單一

很多測(cè)控系統(tǒng)都不含有智能專家系統(tǒng)模塊來(lái)根據(jù)糧情分析決策，只是簡(jiǎn)單地根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫濕度閥值啟動(dòng)報(bào)警功能，甚至某些系統(tǒng)的通風(fēng)降溫設(shè)備仍需要人工開啟。造成這個(gè)問(wèn)題的因素與系統(tǒng)能夠獲得的檢測(cè)參數(shù)過(guò)少有很大的關(guān)系。

2.3各檢測(cè)單元分離，造成系統(tǒng)布線繁雜

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A*，每個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)都會(huì)布置多個(gè)溫度、濕度、水分、氣體傳感器等，這些傳感器都是由不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，彼此并不能聯(lián)立。如此一個(gè)糧情測(cè)控系統(tǒng)中含有溫度測(cè)量系統(tǒng)、濕度測(cè)量系統(tǒng)、水分檢測(cè)系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建、維修都會(huì)異常困難。

3 展望

糧情的監(jiān)測(cè)對(duì)保證儲(chǔ)糧的安全與質(zhì)量都具有十分重要的意義。本文針對(duì)糧情多參數(shù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，開發(fā)了一套糧堆多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置。雖然實(shí)現(xiàn)了糧食含水率、溫濕度3種檢測(cè)于一體的功能，但還存在一些不足之處，需要日后加以改進(jìn)。

3.1檢測(cè)參數(shù)全面化

本裝置只是針對(duì)溫濕水3種糧食參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上可以再增添其他傳感器，實(shí)現(xiàn)更多傳感器的融合。CO2可以從側(cè)面反應(yīng)出糧堆蟲霉生長(zhǎng)情況；在應(yīng)用氣調(diào)倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的糧倉(cāng)中，有必要安裝硫化氫或氯氣傳感器，以檢測(cè)硫化氫或氯氣的空氣濃度，保證進(jìn)倉(cāng)人員安全；此外還可以安裝粉塵傳感器，防止密閉糧倉(cāng)內(nèi)環(huán)境滋生過(guò)多粉塵，發(fā)生爆炸事件。

3.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的簡(jiǎn)潔化

由于使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上下位機(jī)通信，理論上一個(gè)上位機(jī)可以外掛32個(gè)下位機(jī)。目前本裝置在倉(cāng)外僅需要一根六芯總線進(jìn)行電源供電和數(shù)據(jù)傳輸，比傳統(tǒng)布置測(cè)溫電纜的測(cè)控系統(tǒng)布線更為簡(jiǎn)潔。但實(shí)際上監(jiān)測(cè)裝置相互處于并聯(lián)狀態(tài)，都需要一根數(shù)據(jù)線與總線相連，系統(tǒng)總線仍然較為繁雜。因此有必要對(duì)監(jiān)測(cè)裝置接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各裝置間的通信功能，將各裝置串聯(lián)起來(lái)，如此勢(shì)必可減少大量的總線浪費(fèi)。甚至在可以解決電源供電問(wèn)題后以無(wú)線的方式與上位機(jī)通信。

3.3裝置校準(zhǔn)的簡(jiǎn)易化

本裝置的谷物水分檢測(cè)主體傳感器是電容式谷物水分傳感器。電容式水分傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用后，其檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)逐漸失真，此時(shí)需要對(duì)水分儀進(jìn)行重新標(biāo)定。而糧倉(cāng)內(nèi)糧食堆放一般都為2～4a，時(shí)間較長(zhǎng)。接下來(lái)可對(duì)裝置檢測(cè)水分失真現(xiàn)象進(jìn)行研究，建立對(duì)發(fā)生失真現(xiàn)象的校準(zhǔn)模型。

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)曙峰（1991-），男，湖南岳陽(yáng)人，碩士，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究方向：智能化檢測(cè)與控制技術(shù)。