稻谷質量智能監測預警系統的研究與設計

鄭開濤 劉世洪 聶秀萍 劉 偉

(中國農業科學院農業信息研究所;農業部農業信息服務技術重點實驗室，北京 100081)

“五谷者萬民之命，國之重寶”。糧食是安天下、穩民生的基礎物質。中國是農業大國，同時也是人口大國，是糧食消費大國。我國國土面積遼闊，自然災害頻發，必要的糧食儲備，對保護農民利益、保證經濟增長、維護社會穩定、保障國家安全起著無可比擬的重要作用。中國政府一直十分重視糧食的儲備管理，把它作為一項重要的經濟工作來抓。 李克強指出，要做好“廣積糧、積好糧、好積糧”三篇文章。廣積糧，就是要著力穩定糧食產量和提高糧食綜合生產能力；積好糧，就是要適應人民生活水平提高和消費升級，增加優質糧油的產量和儲備；好積糧，就是要改善儲運條件，減少產后損失，健全市場體系，做到隨時可調，保證能及時調到需要的地方、調到困難群眾手中。

糧食安全有兩層含義，一是量的安全，二是質的安全。由于存儲管理不善，我國每年糧食在存儲環節的損耗比達到6%～8%，這嚴重威脅我國糧食安全。我國的糧食問題早已從“夠不夠吃”，轉變為“能不能吃”。糧食安全問題是我國目前亟需解決的重大問題，而科學儲糧又是確保糧食安全的重要一環。糧食在存儲過程中總會因為霉菌、昆蟲等因素而發生質變；也總會因為設備故障或人為疏忽而發生火災。歸納來說影響糧食存儲安全的因素有很多，不科學的糧情監控方式是影響糧食安全的關鍵問題。 為了保證糧食品質，最大限度地減少糧食倉儲過程中造成的損失，必須實時監測糧食倉儲過程中溫度、濕度、CO2濃度、蟲害等各種糧情參數，準確地掌握變化情況，并做出相應的處理。因此，研發和推廣現代化的稻谷質量與品質監測系統具有重要的價值和意義。

1 稻谷質量監測系統研究概述

1.1 倉儲技術研究概述

糧食儲藏是一門科學，它是研究在儲藏期間糧食與生態因子(生物因子、非生物因子)相互關系及其變化規律的科學。糧食儲藏技術是為了確保儲糧安全，根據糧食儲藏科學規律所采取的措施與方法。由于糧食本身的生命特征及各類雜質、蟲、霉等不同特性活動參與變化，加之糧堆氣體和外界氣溫季節變化，形成了獨特的儲糧生態環境。糧倉內生物因子、非生物因子互相作用，物質和能量進行著流動，糧食自身與周圍環境時刻進行著溫度、濕度、水分、氣體等的交換平衡。最能反映儲糧安全狀態的是溫度、濕度以及氧氣和二氧化碳的含量，這些狀態是需要實時監測的，通風及干燥是重要且主要的控制手段。

1.2 稻谷監測系統概述

現代糧情智能檢測預警控制系統是利用計算機、傳感器、通信等現代電子技術對糧食儲備過程中的糧情變化進行實時檢測，實時分析，對異常情況實時處理的智能化控制系統。其工作原理是利用預埋在糧堆內部的各種不同功能的糧情傳感器節點檢測、采集各類糧情參數如溫度、濕度、含水率、氣體濃度、害蟲密度等，將其轉換成模擬信號或數字信號，通過一定的通信方式傳輸到系統上位機，利用糧情信息管理軟件對接收到的各種信號自動進行數據存儲、顯示、分析處理等操作，對異常糧情進行預測和報警提示，并根據預置糧情控制策略自動控制通風機、環流熏蒸機等保糧設備運行。現代糧情智能監測預警控制系統能為科學及安全儲糧提供了技術保證和科學依據，確保糧食安全?，F代糧情測控系統的發展大致可以分為四個階段：

第一代糧情檢測系統主要關注糧食的溫度指標，是一種集中式的糧情測控系統，它的控制核心一般用單片機，傳感器一般用熱敏電阻等電子測溫元件。在該系統中，數據一般是以模擬信號的方式傳輸，每一個通信線只能對應一個測溫點，施工成本高，在使用中系統工作故障率高，精度低。而且這類糧情測控系統無法自動的測量和巡檢數據需要糧倉管理人員現場采集數據，相應的控制工作也要由人工完成。在現在的糧情測控市場中，這種系統已經幾乎不被使用。

第二代糧情測控系統，雖然還是使用模擬信號傳輸數據，但是隨著電子科技和計算機技術的發展，引入了PC機作為控制中心和分線器等新的科技產品。PC機的引入，使軟件工程技術開始被應用到糧情測控中來，在DOS操作系統下，初步能實現采集數據的存儲、顯示和打印功能。分線器的引入使倉內的布線大大減少，測溫點的分布更加合理科學。但由于技術的限制，這種系統的抗干擾性能依然不強，軟件的界面也過分簡單，功能也十分單一。

第三代糧情測控系統，將第一、第二代中使用的模擬信號傳輸方式取代，成為了使用CAN總線、RS485總線的小型數字化系統。同時，新的溫度傳感器和濕度傳感器的使用，也讓檢測指標的精度有了很大的提升。在軟件方面，開始采用Windows操作系統，軟件一般由VB、VC編寫，功能更加完善，自動化程度提高?，F如今，國內外的糧倉大部分都采用這一代的糧情測控系統。

第四代糧情測控系統，將無線傳感器網絡技術(Zigbee技術、藍牙、GPRS等)引入了糧情測控領域。在這種系統中，大量的通過無線網絡技術相互通信的無線傳感器分布在糧倉中。各自將采集到的物理數據通過自主網絡傳回中心匯聚設備，再由中心匯聚設備將數據傳給上位機的軟件系統。而上位機軟件系統再對這些數據進行顯示、儲存、處理、分析并對保糧設備進行控制。本文旨在通過軟件方面的框架改進，引入“云平臺”的模式思想，通過對現場數據采集與匯聚、4G接入、互聯網通信、數據庫管理等多項關鍵技術的融合，實現管理人員與測控現場在“空間上分離、網絡上融合、平臺上互聯”。

2 基于云平臺的系統總體設計

云平臺是由硬件資源池、集群管理平臺、Hadoop分布式計算平臺構建而成 。平臺使用B/S結構開發，前臺采用.NET、javascript等網頁制作技術，后臺數據處理采用C#、JAVA等語言編寫，數據傳輸均采用XML文件。文件存儲采用分布式結構，即將各糧倉的最終數據逐級反推給上級單位或部門。以AJAX為驅動方式，以Flash為顯示界面，實現預警信號的快速制作、共享、監控和解除等功能。

在云端建立一個統一的數據處理平臺，將分布在不同地點的糧庫數據統一匯聚到云端，所有的數據在數據中心進行處理和保存，糧倉的監控方可以通過接入互聯網的各種設備(PC機客戶端、瀏覽器、手機APP)了解自身需要監控的糧倉的情況。而在用戶端不需要進行數據的分析和糧情數據的存儲，所有的工作在云端完成。

同時通過網絡云將處在不同位置的倉庫連在了一起，滿足了大范圍的糧情測控需求。同時以Web服務的方式統一在云端進行注冊、部署、更新、維護和管理，可以避免用戶在系統移植、安裝、運行、升級、維護、技術支持等方面軟硬件設備及人員的投入與運行成本，極大地簡化用戶使用流程，降低用戶使用難度。

3 系統總體架構

系統架構包括四個層面，分別是應用層、應用支撐層、數據層、云基礎設施層。各層將依托統一的技術標準和管理規范進行建設。

云基礎設施層為倉庫糧情監測的各類服務提供計算、存儲、網絡以及通用軟件平臺資源，是整個平臺的基礎?；跓o線網絡技術的數據采集也位于此層。

數據層主要由數據庫、模型庫、工具庫以及相應的數據傳輸、分析和處理程序等集成于大規模分布式處理平臺，負責預警平臺整個數據環境的搭建。其中，數據庫包括：倉庫基本信息數據庫、檢測數據庫、倉庫外圍環境數據庫、歷史檔案庫等，采用分布式存儲。模型庫采用系統動力學的理論和方法建立，如灰色模型對警情進行預測，神經網絡對模型再訓練，使其不斷優化而精確應用支撐層為平臺集中運行提供代碼基礎和框架支撐。包括糧情信息發布模塊、監測預警模塊、智能控制模塊、糧情分析模塊、稻谷儲期模型、系統管理模塊等。

圖1 基于云平臺的系統總體設計圖

圖2 系統總體架構圖

應用層為系統的前端展現，直接面向用戶，包括統一入口登陸，權限認證、糧情查詢、定時通報、糧情可視化顯示、預警以及智能控制等。利用筆記本、臺式機、平板電腦及智能手機等多種終端設備，通過互聯網向用戶提供多尺度、多時相、實時、動態的糧情信息，為科學決策提供依據。

同時，在應用層留有跳轉接口，可以跳轉到原有的糧倉業務管理系統，如出入庫管理、辦公管理、財務管理等。

4 稻谷儲藏模型設計

基于歷史數據和實驗數據，統計分析適宜糧食存儲的濕度溫度閾值，建立優質稻谷儲藏模型(圖3)。依據儲藏模型，搭建無線傳感器網絡(ZigBee)，實時采集糧堆內部(底層、中層和上層)溫度、濕度、糧食水分變化情況，以及氣體濃度、害蟲密度等數據。模型閾值分為三級，一級閾值是指糧食存儲的最佳狀態；二級閾值是當前狀態已經影響了糧食的最佳存儲，但又不會對糧食的倉儲造成毀滅性的破壞，系統會發出警報，同時采取通風、降溫、環流熏蒸等措施進行自動化處理；三級閾值是指當前狀態已經不適合糧食儲藏，系統發出警告，倉庫管理人員需要采取緊急措施，對儲糧進行緊急處理。比如說發生火災，觸發煙霧報警器，糧倉管理員第一時間接收到語音提示的嚴重警告信息，并由糧倉內的監控設備將糧倉內的視頻信息推送給管理員，管理員核實后，緊急觸發滅火措施，第一時間將火種撲滅。

同時對分布式存儲的大量采集監測數據、歷史數據進行挖掘，發現糧情參數變化與糧質的關系。隨著數據的積累，利用神經網絡算法，模型不斷進行學習訓練，不斷對稻谷儲藏模型的閾值進行修正，縮小區間，使其逐步精確化。

圖3 稻谷倉儲監測模型設計圖

5 系統功能模塊設計

布置傳感器測控節點，搭建糧情監測預警平臺，集成儲藏模型，開發計算機糧情監測預警系統，實現劣變警情的隨機通報(圖4)。該系統面向的客戶是倉儲管理人員以及上級領導。該系統由三部分組成：糧情檢測子系統、糧情分析子系統、糧情控制子系統。

圖4 系統功能結構圖

6 實驗設計與討論

為了方便實驗，選擇以某企業一長方體形狀實際糧倉為實驗研究對象。該糧倉長40 m，寬25 m，糧高7 m，稻谷儲藏量約5 500 t，糧倉內谷物冷卻、通風、氮氣氣調等裝置完善。依據相關國標要求，傳感器布控節點橫向間距不超過5 m，縱向間距不超過3 m。為了提高實驗數據的準確性，在該糧倉內按11×7×7的方式共布控539個節點，其中各節點橫向間距4 m，縱向間距1 m。每個節點安放一個溫濕度傳感器和一個CO2濃度傳感器，協調器和路由器安裝在糧倉頂部中央，煙霧傳感器、視頻監控器及紅外傳感器安裝在糧倉四周。溫度傳感器用來獲取糧倉內溫度和濕度；CO2濃度傳感器用來檢測糧食霉變情況；煙霧傳感器用來檢測糧倉內火災情況；視頻監控器和紅外傳感器用來監測糧倉內人、鼠類以及害蟲實時活動情況；協調器和路由器負責數據的統一采集上傳，每個協調器最多可支持60 000個節點。糧倉網絡有24個信道，足以支持各項采集數據的實時上傳，避免數據在傳輸過程中發生沖突。

監控中心設置每隔1 min傳感器采集數據上傳系統一次，如果采集數據超過相應閾值，監控中心系統發出告警信號，系統依據不同狀況，自動推送出相應解決方案。系統目前正處于測試階段，測試結果表明，系統運行穩定，可有效監測糧倉內稻谷質量實時狀況，可進一步實施到其他糧倉。

7 總結與展望

通過對無線傳感器網絡和多功能無線儲糧監控系統的分析，對基于物聯網技術所構建的稻谷質量智能監測預警平臺開展研究工作，建立優質稻谷儲藏模型，實現稻谷劣變監測信息的無障礙傳輸，并綜合集成預警平臺提供劣變警情隨機通報。

該系統優勢主要表現在：可以使糧食管理部門隨時了解各個糧倉的糧食儲存情況；糧食的測溫測濕等工作不受時間、天氣的限制；減少工作人員的入倉檢查次數，避免無謂的工作量，尤其是在熏蒸等過后的一段時間內，降低工作人員的中毒幾率，解放生產力，降低勞動強度，減少人工費用；數據采集不易受干擾，設備成本低，維護方便。最重要的是能夠有效改善儲糧條件，降低儲藏損失，保障糧食安全。

目前的糧情監測系統大多采用位置固定的計算機設備和手持終端作為監測終端。隨著移動互聯網技術和云計算的發展，必將有越來越多的研究人員投身到基于移動端的智能糧情監測領域中來。在后續研究中，將依托云平臺設計一種基于移動端的智能糧情監測客戶端，實現客戶端與云平臺之間建立連接，移動終端通過HTTP通信協議與服務器進行通信，采用XML文件存儲數據信息，封裝監測指令，通過解析器對數據進行解析，并將糧情數據顯示給用戶(倉儲管理人員)，實現數據實時顯示和警情即時預警的功能。

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