糧情監(jiān)測技術的現狀與展望

萬曙峰　吳文福　杜吉山

摘 要：糧食是保證我國國民經濟的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定的基礎，保證糧食安全問題十分重要，糧情監(jiān)測裝置是保證糧儲安全的重要途徑，本文主要闡述了糧倉內糧堆谷物參數的監(jiān)測裝置國內外研究現狀，存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：糧食安全；糧情；監(jiān)測

中圖分類號：F762.1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332016

引言

我國是一個擁有13億多人口的農業(yè)大國。糧食是國民經濟的基礎，是人類賴以生存的主要來源，它關系著我國國民經濟的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。因此，保證糧食安全問題尤為重要，糧食的安全生態(tài)儲存是提高糧食質量、減少糧食損耗的重要途徑。

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

隨著時代的進步、科技的迅猛發(fā)展，糧情監(jiān)測問題也備受人們關注，單純地依靠人工經驗的傳統(tǒng)糧情監(jiān)測方法，已經遠遠無法滿足現代社會的需求。而且由于影響糧情的因素較多，糧情復雜多變等問題，要想實現快速準確的糧情檢測著實困難。不過，隨著諸多新興現代科學技術，如傳感器技術、半導體物理學、電解質物理學以及信息融合等技術的快速發(fā)展，為糧堆中糧情檢測技術的研究提供了新的科學依據[2]。

1糧情監(jiān)測技術裝置國內外研究現狀

1.1國外研究現狀

在國外，早在20世紀60年代就有使用糧情監(jiān)控系統(tǒng)來保證儲糧安全相關方面的研究。霍尼韋爾國際的工程師Hughes等使用氯化鋰Dunmore型元素法快速測定小麥面粉的水分，將溫濕度傳感器插入測量樣品中，再由之前建立的等溫關系曲線得到樣品含水率[3]。經研究人員測試，在10%～15%的含水率范圍內，測量精度可達0.2%。1976年美國，William T. Eng發(fā)明了適用于糧倉的電子溫度監(jiān)控器[4]，其選用多個硅二極管作為測量元件，按一定的排列方式布置在糧倉內，通過電纜連接到外部監(jiān)控單元，顯示單元可以顯示出各點的溫度值。該裝置還具有自動報警功能，當任何單個傳感器達到或超過預先設定的溫度值會啟動報警功能。

近年來，國外農業(yè)發(fā)達國家已朝著蟲霉發(fā)生情況、糧倉內粉塵及其他揮發(fā)性氣體的檢測的方向發(fā)展。加拿大的很多谷物研究課題在世界范圍內一直保持領先地位，擁有高達19個谷物研究所。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擬合和監(jiān)控小麥早期的赤擬谷盜的生長情況。該傳感器陣列包含各方面的傳感器：相對濕度傳感器、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的Mohammad Asef等人提出了通過完整的三維矢量電磁成像系統(tǒng)來監(jiān)控儲糧腐壞情況，該系統(tǒng)使用有限元法對比度源反演（MORFEM-CSI）算法重建谷物顆粒的完整三維電解質地圖，任何腐壞都可在電解質圖中顯示，可以遠程監(jiān)控糧倉。2015年，美國阿肯色大學助理教授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，使用測量空氣環(huán)境和溫濕度傳感器，能準確評估谷物質量，包括大米產量（MRY）、水稻產量（HRY）、米的顏色和黏性，并且能有效監(jiān)測霉菌毒素特別是黃曲霉毒素的生成[5]。

1.2國內研究現狀

我國糧情監(jiān)測技術與國外相比發(fā)展較晚，市面上大多數糧情監(jiān)控系統(tǒng)都是以節(jié)點的形式布置溫濕度傳感器，再根據預先設定的溫度閥值判斷是否進行通風降溫等操作。某些地區(qū)的糧庫甚至還是依靠人工檢測，即有專門的糧情巡檢員，定時用“鐵探子”對糧倉糧情進行檢測，工作效率與檢測精度較低，隨機性強，并不能客觀反映真實糧情。

隨著國家一系列政策措施的推出，我國很多高校在糧情監(jiān)測方面也取得了一些成績。延邊大學樸相范、北京郵電大學周慧玲、南京理工大學吳明贊、安徽大學張紅偉、西安工業(yè)大學賀為婷、陳中孝以及秦剛、華中科技大學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其中一種或數種技術相結合的無線糧情測控系統(tǒng)[6-13]。這種系統(tǒng)都是以節(jié)點的方式布置溫濕度傳感器，以各節(jié)點的糧情推測出整個糧堆糧情分布情況。由于是無線系統(tǒng)，安裝較為方便。南京農業(yè)大學沈明霞在基于嵌入式技術的無線糧情測控系統(tǒng)的基礎上，提出以EMC模型預測糧食實時含水率，并通過試驗驗證改進ChunPfost模型具有較為準確的糧食水分預測精度[7]。此外太原理工大學杜文廣與徐州國家糧庫合作研發(fā)出基于EZMAC Improved通信協(xié)議的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)，并完成了蟲害傳感器的開發(fā)，目前該系統(tǒng)已在徐州國家糧庫投入運行[8]。東北大學李新光、邵富群團隊在糧倉外表面上安裝8電容極板，組成傳感器陣列，結合電容層析成像技術（ECT）實時檢測糧倉糧食水分[9]，具有非侵入、非輻射、響應速度快等特點。河南工業(yè)大學張元在研究RIS-K2型雷達的基礎上，根據糧食電磁特性，將跨孔雷達探測技術應用于糧倉內，提出了反射透射式糧倉儲糧水分的電磁波檢測方法，搭建了室外檢測糧食水分的測控系統(tǒng)[10]。

2存在的問題

經過30a的發(fā)展，可以看出，國內的糧情檢測技術取得了一定的成績，但目前仍然存在一些問題：

2.1系統(tǒng)檢測參數單一

這是我國糧情監(jiān)測技術存在的主要問題。目前大多數糧倉內使用的糧情檢測系統(tǒng)都是根據國家頒布的傳感器布置原則安裝布置測溫電纜和濕度傳感器，很少系統(tǒng)有對糧食水分、蟲害范圍、霉變狀況、倉內粉塵和糧食品質等進行檢測。檢測結果僅有溫濕度參數，很難形成正確全面反映糧食真實狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)功能單一

很多測控系統(tǒng)都不含有智能專家系統(tǒng)模塊來根據糧情分析決策，只是簡單地根據預先設定的溫濕度閥值啟動報警功能，甚至某些系統(tǒng)的通風降溫設備仍需要人工開啟。造成這個問題的因素與系統(tǒng)能夠獲得的檢測參數過少有很大的關系。

2.3各檢測單元分離，造成系統(tǒng)布線繁雜

根據國家標準A*，每個糧倉內都會布置多個溫度、濕度、水分、氣體傳感器等，這些傳感器都是由不同生產廠家生產，彼此并不能聯立。如此一個糧情測控系統(tǒng)中含有溫度測量系統(tǒng)、濕度測量系統(tǒng)、水分檢測系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建、維修都會異常困難。

3 展望

糧情的監(jiān)測對保證儲糧的安全與質量都具有十分重要的意義。本文針對糧情多參數監(jiān)測進行了研究，開發(fā)了一套糧堆多參數監(jiān)測裝置。雖然實現了糧食含水率、溫濕度3種檢測于一體的功能，但還存在一些不足之處，需要日后加以改進。

3.1檢測參數全面化

本裝置只是針對溫濕水3種糧食參數進行了檢測，在此基礎上可以再增添其他傳感器，實現更多傳感器的融合。CO2可以從側面反應出糧堆蟲霉生長情況；在應用氣調倉儲技術的糧倉中，有必要安裝硫化氫或氯氣傳感器，以檢測硫化氫或氯氣的空氣濃度，保證進倉人員安全；此外還可以安裝粉塵傳感器，防止密閉糧倉內環(huán)境滋生過多粉塵，發(fā)生爆炸事件。

3.2系統(tǒng)網絡化的簡潔化

由于使用RS-485標準進行上下位機通信，理論上一個上位機可以外掛32個下位機。目前本裝置在倉外僅需要一根六芯總線進行電源供電和數據傳輸，比傳統(tǒng)布置測溫電纜的測控系統(tǒng)布線更為簡潔。但實際上監(jiān)測裝置相互處于并聯狀態(tài)，都需要一根數據線與總線相連，系統(tǒng)總線仍然較為繁雜。因此有必要對監(jiān)測裝置接口進行設計，實現各裝置間的通信功能，將各裝置串聯起來，如此勢必可減少大量的總線浪費。甚至在可以解決電源供電問題后以無線的方式與上位機通信。

3.3裝置校準的簡易化

本裝置的谷物水分檢測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時間使用后，其檢測數據會逐漸失真，此時需要對水分儀進行重新標定。而糧倉內糧食堆放一般都為2～4a，時間較長。接下來可對裝置檢測水分失真現象進行研究，建立對發(fā)生失真現象的校準模型。

參考文獻

[1]苑平度.糧食倉儲新技術.新設備與現代化管理全書[M].吉林攝影出版社，2004.

[2]李建華.數字化糧情測控系統(tǒng)在糧食儲藏中的應用[J].糧食流通技術，2002（4）.

[3]Hughes， F. J.， J. L. Vaala， and R. B. Xoch. Rapid measurement of moisture in flour by hygrometer[J]. In Humidity and Moisture.1965（1）.

[4] William T. Eng. Electronic bin temperature monitor[P]. US PAT： US4102194 A，1978-07-25.

[5] Griffiths Atungulu. New Engineering in Grain Drying and Storage-Maintaining quality and preventing mycotoxins[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2015， 22（4）：12 - 14

[6]張劍.國內糧情測控系統(tǒng)的現狀及發(fā)展趨勢[J].電子產品世界.2001（2）.

[7]梁琨，沈明霞，等. 基于平衡水分模型的稻谷含水率實時監(jiān)測系統(tǒng) [J]. 農 業(yè) 機 械 學 報，2013，44（1）：125-128.

[8]黃焱，杜文廣. 徐州國家糧庫無線糧情測控系統(tǒng)的設計與實現[D].山西：太原理工大學測試計量技術及儀器專業(yè)，2012.

[9]楊梅影，李新光.ECT技術在糧倉水分檢測中的應用研究[D].遼寧：東北大學信息科學與工程學院，2006.

[10]王藝錦，張元.反射透射式糧倉儲糧水分的電磁波檢測方法的研究[D].河南：河南工業(yè)大學信息科學與工程學院，2012.

[11]糧油標準匯編：機械卷[S].2版.中國標準出版社，2005.

作者簡介：萬曙峰（1991-），男，湖南岳陽人，碩士，吉林農業(yè)大學，研究方向：智能化檢測與控制技術。