基于物聯網技術的糧食儲存智能管理系統設計

Design of an Intelligent Management System for Food Storage Based on the Internet of Things Technology

KOU Min （ShanxiLight IndustryDesign InstituteCo.，Ltd.，Taiyuan O3oooo，China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， the internet of things technology is increasingly widelyused in the field offood storage.This paper elaborates the designof intelligent food storage management system based on internet of things technology.Through in-depth analysis of system architecture，system security，function modulesand other aspects，itshows how the system canachieve acurate monitoringandintelligent regulation offood storage environment， improve food storage security and quality，reduce losses，and provide strong support for the modern development of food industry.

Keywords： internet of things technology; food storage; intelligent management system

糧食作為人類生存的根本物質保障，其儲存質量直接影響到國家糧食安全以及人們的生活質量。傳統糧食儲存方式主要依靠人工巡檢與經驗判斷，存在效率低下、準確性欠佳、無法實時監測等問題。物聯網技術的興起，為糧食儲存管理帶來了全新的解決方案。物聯網技術借助傳感器、通信網絡和智能處理技術，能夠實現對糧食儲存環境的全面感知、實時傳輸和智能控制，有力提升糧食儲存的智能化水準。

1糧食儲存現狀與需求分析

1.1糧食儲存規模與意義

截至2023年，根據國家糧食和物資儲備局的數據統計，全國各類糧食倉儲企業所儲存的糧食總量高達6.5億t。這一龐大的糧食儲備量，對于國家應對糧食供應的波動、確保民生穩定具有至關重要的作用。在緊急特殊時刻，若部分地區物流運輸受阻，糧食供應面臨巨大壓力，那么充足的儲備糧通過有序調配，就能夠有效保障居民的糧食需求，維護市場的穩定。這充分彰顯了糧食儲存的重要性，同時也凸顯了對糧食進行有效管理的迫切需求。

1.2傳統糧食儲存面臨的挑戰

1.2.1 復雜環境因素對糧食質量的影響

糧食儲存環境復雜多變，溫度、濕度、氧氣含量等多種因素均會對糧食質量產生影響。相關研究表明，當儲存環境的濕度超過 70% ，溫度高于 時，霉菌的滋生速度會明顯加快。以小麥儲存為例，在高溫高濕的環境下，黃曲霉等會大量繁殖，這不僅會降低小麥的品質，其產生的黃曲霉毒素還會對人體健康造成嚴重危害。據權威機構統計，在不符合標準的儲存環境下，小麥每年因霉變導致的損耗量在 5%～8% 。對于稻谷而言，在濕度為 80% 、溫度為 35^°C 的環境中儲存3個月后，其發芽率會從初始的 95% 降為 70% 以下，嚴重影響稻谷的后續使用。

傳統儲糧方式主要依賴于人工管理和經驗判斷，缺乏科學化、系統化的管理手段。例如，糧倉內的溫濕度監測通常依靠人工手持設備定期進行測量，無法實現實時、連續的監測，導致環境變化難以被及時發現和處理。此外，傳統方式下，糧堆內部的溫度、濕度分布不均問題難以得到有效解決，容易引發局部霉變或蟲害。人工巡檢的效率低下，且主觀性強，難以全面掌握糧倉內環境的變化情況，往往只有在危害嚴重時才能被發現，從而造成不可逆的糧食損耗。這些問題嚴重制約了糧食儲存的安全性和質量保障能力。

1.2.2 人工巡檢方式的局限性

傳統的人工巡檢方式難以對大面積糧倉進行實時、精準的監測。在一個占地面積達5萬 m² ，擁有50個大型糧倉的糧庫中，人工巡檢1遍需要耗費 2～ 3d 此外，人工判斷的主觀性較強，在巡檢過程中，難以察覺糧堆內部細微的溫度變化和蟲害初期的跡象，往往在危害嚴重后才被發現，導致損失難以挽回。同時，大型儲糧設施可儲存的糧食糧堆體積較大，導致中間部位的溫度變化難以通過外部巡檢發現。此外，人工巡檢無法實現連續監測，無法對糧食質量進行抽樣檢驗，難以全面掌握糧食的儲存狀態。這些問題都嚴重影響了糧食儲存的安全性和質量。

2物聯網技術概述

2.1傳感器技術

傳感器是物聯網系統的感知層，負責采集糧食儲存環境中的各種參數。在糧食儲存中，常用的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器以及二氧化碳傳感器等。例如，DHT11溫度濕度傳感器的測量為 0～50^°C ，精度可達 ，濕度測量在 20%～90%R H，精度可達 ±5% RH，能夠滿足糧食儲存環境溫濕度監測的基本需求[1]。氧氣傳感器如MG-811，可檢測氧氣濃度在 精度為 ±1%vol ，可為系統提供準確的氧氣濃度數據，有助于控制糧倉內的氧氣含量，從而調節糧食呼吸作用和抑制害蟲滋生。新型的二氧化碳傳感器能夠精準測量濃度在 0～5000mL?m^-3 的二氧化碳，精度可達 ，可為監測糧食呼吸強度和倉內氣體環境提供關鍵數據[2]。

2.2 通信技術

通信技術在糧食儲存智能管理系統中負責數據的傳輸。在糧倉內部，ZigBee技術憑借其低功耗、自組網的特性，成為短距離數據傳輸的理想選擇。例如，在一個包含20個糧倉的小型糧庫中，采用ZigBee技術構建的網絡可穩定地將各個糧倉內傳感器的數據傳輸至匯聚節點，相較于傳統有線傳輸，功耗降低約 80%^13] 。而對于遠程數據傳輸，4G技術在其中發揮著重要作用。管理人員即便身處異地，通過手機或電腦連接4G網絡，就能實時獲取糧庫內的各項數據。此外，隨著5G技術的逐漸普及，其高速率、低時延的特點將進一步提升數據的傳輸效率，為糧食儲存智能化管理帶來更多可能，如實現高清視頻監控數據的快速傳輸，更直觀地監測糧倉內部情況。

2.3 數據處理技術

數據處理技術是物聯網系統的核心環節之一。在糧食儲存領域，數據層采用MySQL數據庫存儲傳感器采集的數據。以一個擁有100個糧倉的糧庫為例，假設每個糧倉每天產生1000條數據記錄，每條記錄平均大小為100字節，那么每天產生的數據量約為100MB ，1年的數據量約為36.5GB，需根據此數據量選擇合適的存儲設備[4]。同時，利用數據挖掘和分析技術，能從海量數據中提取有價值的信息。通過對歷史溫濕度數據與糧食損耗的關聯分析，可建立預測模型，預警潛在風險。例如，當連續一周溫濕度同時超出適宜范圍時，糧食霉變風險大幅增加，系統可據此提前發出警告，提醒管理人員采取預防措施。

3糧食儲存智能管理系統設計

3.1 系統架構設計

全新的系統架構設計從硬件部署與軟件功能協同的角度出發。硬件層面，在糧倉內部構建分布式感知網絡。除了在糧堆不同高度、不同位置部署各類傳感器，還在倉壁、通風口等關鍵位置安裝特定傳感器。例如，在倉壁安裝壓力傳感器，用于監測糧倉結構因糧食堆積產生的壓力變化，預防結構安全隱患；在通風口安裝風速傳感器，精準掌握通風情況，確保通風系統運行正常。在糧倉外部，配備邊緣計算設備，其具備強大的數據預處理能力，可對傳感器采集的原始數據進行初步篩選、整合與分析，減少數據傳輸量，提升數據處理效率[5]。軟件層面，采用微服務架構，將系統功能拆分為多個獨立的服務模塊，如數據采集服務、數據存儲服務、設備控制服務以及用戶交互服務等。各服務模塊可獨立開發、部署與升級，增強系統的靈活性與可擴展性。數據采集服務負責與感知層傳感器通信，實時獲取數據；數據存儲服務對接MySQL數據庫，保障數據持久化存儲；設備控制服務根據預設規則與數據分析結果，控制智能調控設備運行；用戶交互服務為管理人員打造便捷、直觀的操作界面。這種軟硬結合的架構設計，有助于提升系統的穩定性、可靠性與智能化水平，便于系統的推廣應用。

3.2 系統安全設計

系統安全對于糧食儲存智能管理至關重要。在網絡安全方面，采用防火墻技術，阻擋外部非法網絡訪問，防止數據泄露和惡意攻擊。例如，設置防火墻規則，僅允許特定IP地址段的設備訪問系統，有效保護系統網絡安全。同時，對數據進行加密傳輸，采用SSL/TLS加密協議，確保數據在傳輸過程中的安全性。在數據存儲安全上，定期對MySQL數據庫進行備份，將備份數據存儲在異地服務器，防止本地設備故障導致數據丟失。此外，對用戶權限進行嚴格管理，不同級別的管理人員擁有不同的操作權限，如普通工作人員僅能查看數據，而高級管理人員可進行參數設置和設備控制等操作，保障系統操作的安全性[]。

3.3 系統功能模塊設計

3.3.1 環境監測模塊

該模塊通過傳感器實時采集糧倉內的溫度、濕度、氧氣含量以及二氧化碳含量等環境參數，并在應用層界面以圖表形式展示，如表1。通過折線圖實時展示一周內糧倉的溫度變化情況，當溫度超過設定的安全閾值（如 25^°C ）時，系統自動發出報警信息，提醒管理人員采取相應措施。

3.3.2 智能調控模塊

當監測到環境參數異常時，系統自動啟動智能調控設備。例如，當濕度高于 65% RH時，系統自動開啟通風設備進行除濕；當氧氣含量高于 18%vol 時，啟動氮氣充注設備，降低氧氣含量，抑制糧食呼吸作用，延長糧食儲存周期。在實際應用中，智能調控模塊能夠根據不同糧食種類的特性，制訂個性化的調控策略。例如，對于對濕度較為敏感的大米，當濕度達到 60% RH時，系統將自動啟動除濕設備，確保大米儲存環境的適宜性。

3.3.3 蟲害預警模塊

利用蟲害監測傳感器和圖像識別技術，實時監測糧倉內蟲害情況。一旦發現蟲害跡象，系統立即發出預警，并根據蟲害種類和嚴重程度，提供相應的防治建議。例如，中儲糧某直屬庫在使用該系統后，通過蟲害預警模塊及時發現了玉米蟲害現象，提前采取了熏蒸防治措施，避免了糧食大面積受損，相比以往減少了約 8% 的糧食損耗。通過設計蟲害預警模塊，可在蟲害初期就進行精準定位和處理，有效遏制蟲害蔓延，從而保障糧食儲存安全。

3.3.4糧食質量追溯模塊

該模塊利用射頻識別（Radio FrequencyIdentification，RFID）技術，為每一批次糧食賦予唯一的身份標識從糧食入庫開始，記錄糧食的產地、品種、質量等級、人庫時間等信息。在儲存過程中，將環境參數、檢測數據等與糧食身份標識關聯。當需要追溯糧食質量時，通過掃描RFID標簽，即可獲取該批次糧食從入庫到出庫的全流程信息。例如，在市場上發現某批次大米存在質量問題時，通過追溯系統可快速定位到該批次大米所在糧倉，查詢儲存期間的環境數據和檢測報告，明確問題產生環節，為質量問題的處理提供依據。糧食質量追瀕模塊為保障糧食質量安全提供了有力手段，增強了消費者對糧食產品的信任[]。

4系統應用案例與成效

4.1中儲糧許昌直屬庫應用案例

中儲糧許昌直屬庫在2020年引入基于物聯網技術的糧食儲存智能管理系統。該直屬庫擁有50個大型糧倉，儲存糧食總量達10萬t，涵蓋小麥、玉米等多種糧食品類。系統投入使用后，環境監測模塊發揮了關鍵作用。通過將傳感器分布在各個糧倉內，能夠實時精準掌握糧倉的環境變化。例如，在2021年夏季高溫時段，氣溫持續攀升，部分糧倉溫度接近 35°C ，濕度也超過 70% RH。在此儲存條件下，智能調控模塊迅速響應，自動開啟通風設備和空調系統進行降溫除濕。經過一周的精準調控，糧倉溫度穩定在 25^°C 左右，濕度維持在 60% RH。通過此次智能調控，成功避免了高溫高濕導致的糧食霉變，相比以往同期減少糧食損耗約 500t 按照當時小麥市場價格每噸4000元計算，直接經濟效益超過200萬元。同時，蟲害預警模塊也成效顯著，通過蟲害監測傳感器和圖像識別技術，提前發現并處理了3次玉米象蟲害隱患。在蟲害初期，系統發出預警，工作人員及時采取熏蒸防治措施，有效遏制了蟲害蔓延，保障了糧食儲存安全[8]。該直屬庫通過應用該系統，不僅提高了糧食儲存的安全性和質量，還實現了顯著的經濟效益。

4.2河北石家莊地方糧庫應用成效

河北石家莊地方糧庫在應用該系統后，實現了管理模式的重大轉變。以往人工巡檢需要10名工作人員，每天花費大量時間在各個糧倉間巡視，耗費大量人力物力且效率低下。引入智能管理系統后，僅需2～3名工作人員負責監控系統和設備維護。以每月工作22d計算，人工巡檢時，10名工作人員每月工作時長總計 220d ，而引人系統后， 2～3 名工作人員每月累積工作時長僅為 44～66d ，人力成本大幅降低。同時，通過精準的環境控制和蟲害預警，糧食儲存損耗率顯著下降。在應用系統前，糧食儲存損耗率為 8%～10% ，應用后，損耗率降低為3%～5% 。例如，該糧庫儲存有5萬t稻谷，在系統應用前，每年因損耗損失稻谷 4000～5000t ，應用系統后，每年損耗稻谷僅 1500～2500t_? 該地方糧庫通過應用系統，在降低成本的同時，提升了糧食儲存的整體效益，實現了糧食儲存管理的高效化和智能化[9]

5結語

基于物聯網技術的糧食儲存智能管理系統通過對糧食儲存環境的實時監測與智能調控，有效提高了糧食儲存的安全性和質量，降低了損耗。隨著物聯網技術的不斷發展和完善，該系統將在糧食行業得到更廣泛的應用，為保障國家糧食安全發揮重要作用。在未來的研究中，可進一步探索如何優化系統性能，提高傳感器的精度和穩定性，拓展系統功能，如實現糧食質量追溯等，以推動糧食儲存管理向更高水平發展。

參考文獻

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