小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控研究

范延彬等

[摘 要]本文分析了影響小麥存儲品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)境因素，針對當前小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控中存在的不足，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小麥存儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]小麥倉儲；環(huán)境監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201528040

1 引 言

隨著我國農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，小麥產(chǎn)量不斷增加，小麥的倉儲量也隨之增加。小麥在儲存過程中，易受到各類害蟲、霉菌等生物因子、非生物因子的影響，加之小麥作為戰(zhàn)略儲備糧食，其儲存周期較長，麥堆的溫濕度隨外界的季節(jié)性變化大，容易引起發(fā)熱霉變，造成品質(zhì)的變化和數(shù)量的損失。同時，由于資金和技術(shù)上的原因，我國的大多數(shù)小麥倉庫僅限于人工監(jiān)測倉內(nèi)的溫濕度，存在監(jiān)測不及時、信息不準確等問題，出現(xiàn)險情時不能及時做出相應(yīng)的處理，從而造成大量的損失。因此，將信息化技術(shù)引入到小麥倉儲監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對小麥儲存環(huán)境進行實時監(jiān)測，得到更加準確的倉儲環(huán)境信息，從而利于采取更加及時、有效的控制措施來保障小麥儲存的品質(zhì)，預(yù)防霉變、蟲害等事故的發(fā)生，對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

2 小麥倉儲環(huán)境參數(shù)分析

小麥儲存品質(zhì)的好壞直接受小麥倉庫環(huán)境的影響，小麥倉儲環(huán)境的狀況可以用環(huán)境參數(shù)來表示，環(huán)境參數(shù)的變化會導(dǎo)致小麥存儲品質(zhì)的改變。小麥在存儲過程中，當糧倉內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)發(fā)生變化進入危險狀態(tài)時，易造成小麥的霉變和腐爛，同時倉內(nèi)的氣體、微生物以及蟲害等因素都會對小麥存儲品質(zhì)造成影響。由此可見，安全的存儲環(huán)境對保證小麥存儲品質(zhì)非常重要。

21 溫度

溫度包括大氣溫度、倉溫和糧溫。倉溫受大氣溫度影響，糧溫又受倉溫的影響，但在時間上有一定延遲，同時會有一定程度上的減弱。所以，倉溫的變化落后于大氣溫度，糧溫的變化落后于倉溫。

小麥具有較強的耐熱性和較高的抗溫變能力，在一定溫度范圍內(nèi)不會喪失生命力，也不會使加工成的面粉品質(zhì)下降。因此在不改變小麥水分等其他條件的前提下，溫度的變化對小麥自身品質(zhì)的影響較小。但溫度過高會加強小麥的呼吸作用，長時間高溫儲存會降低小麥品質(zhì)，對小麥出芽率、營養(yǎng)成分都有影響。

在一般的儲存條件下，小麥進入倉庫內(nèi)，不可能不帶有微生物和害蟲。微生物和害蟲的生命活動受環(huán)境溫度的影響，只有在一定的溫度范圍內(nèi)才能正常生存，所以溫度是影響微生物和害蟲生長繁殖的重要環(huán)境因素之一。小麥中存在的微生物多以中溫性為主，它們生長的最適溫度為20℃～40℃，生長的最低溫度為5℃～15℃。玉米象、麥蛾與印度谷蛾對小麥的危害最為嚴重，當溫度達到16℃時蛾類的幼蟲就開始生長繁殖，達到30℃時生長繁殖最快。因此，溫度升高到一定值時，微生物和害蟲的活動會加強，導(dǎo)致糧食迅速變質(zhì)。

因此儲存小麥時，盡量保持倉庫低溫，不但可以相對保持小麥本身品質(zhì)，又可有效抑制霉、蟲的生長繁殖，避免糧食存儲災(zāi)害。

22 濕度

濕度包含四個概念，①絕對濕度：單位容積的空氣里實際含有的水汽量，一般用ρ表示；②飽和濕度：在一定溫度下，單位容積的空氣所能容納水汽量的最大限度；③相對濕度：空氣中實際含有的水蒸氣量距離達到飽和含量的程度的百分比，即在一定溫度下，絕對濕度與飽和濕度的百分比；④露點：水蒸氣含量到達飽和濕度狀態(tài)并開始液化成水時的空氣溫度，也稱為“露點溫度”。

小麥儲存環(huán)境的水分條件包括大氣濕度、糧倉濕度、麥堆濕度和小麥自身含水量，一般監(jiān)測的糧倉濕度指的是相對濕度。小麥具有較強的吸濕性，易吸收空氣中的水分，可促使其呼吸作用增強。

水分對微生物的生長發(fā)育具有重要影響，小麥中存在的微生物主要以霉菌為主，它對環(huán)境水分的要求低于細菌和酵母菌，因此，霉菌更容易生長繁殖。在小麥倉庫中，最適合害蟲生存的相對濕度在70%以上，適合霉菌生長繁殖的相對濕度在75%以上，對于霉菌來說，當相對濕度低于65%時，可抑制其生長。

因此在存儲小麥時，盡量保持倉庫環(huán)境干燥，這樣可以大大降低微生物和害蟲的繁殖或抑制其生長，減少它們的生命活動對小麥造成的品質(zhì)破壞和污染。同時要注意對小麥露點的監(jiān)測，防止空氣濕熱造成小麥表面產(chǎn)生結(jié)露。

23 微生物

小麥中常見的微生物有霉菌、細菌、酵母菌等。小麥是微生物良好的呼吸基質(zhì)，微生物通過呼吸作用進行新陳代謝，來維持生命活動，導(dǎo)致麥堆內(nèi)積聚大量的熱量和水分，使得整個環(huán)境的微生物活動加劇，造成大面積小麥被霉菌感染，引起小麥霉變、變色變味、籽粒變軟，甚至能產(chǎn)生毒素，使小麥帶毒，影響人體健康。小麥胚部變褐就是其中一種霉變現(xiàn)象。

同時，微生物的生命活動分解小麥內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，造成小麥質(zhì)量損失，營養(yǎng)品質(zhì)、種植品質(zhì)降低，食用品質(zhì)變劣。

24 害蟲

危害小麥儲存的主要害蟲有麥蛾、玉米象、谷蠹、赤擬谷盜等。由于小麥收獲時正值高溫季節(jié)，當前環(huán)境狀態(tài)適于小麥害蟲的生長與繁殖，對所儲存小麥的品質(zhì)造成嚴重影響。

有些害蟲偏好啃食小麥籽粒的胚芽，造成作為種子的小麥的發(fā)芽率降低甚至完全喪失。有些害蟲喜歡蛀蝕小麥的胚乳，使得小麥的營養(yǎng)價值降低、加工出的小麥品質(zhì)降低。小麥中的害蟲新陳代謝等生命活動同樣會導(dǎo)致麥堆發(fā)熱，引起更大范圍蟲害和小麥霉變，造成重大經(jīng)濟損失。同時，有些害蟲能夠危害小麥包裝袋等材料，造成倉庫內(nèi)小麥儲存的雜亂。

因此，在小麥入庫時，就要做好滅蟲工作，保證小麥倉儲環(huán)境的潔凈，盡量減小蟲害造成的損失。

25 氧氣濃度

氧氣濃度會影響小麥自身的呼吸作用。第一，呼吸作用消耗小麥籽粒內(nèi)部的營養(yǎng)物資，導(dǎo)致小麥的儲存過程中干物質(zhì)減少，使得小麥質(zhì)量變差。第二，呼吸作用產(chǎn)生水分和熱量，造成麥堆濕熱，為微生物和害蟲提供了適宜的生長環(huán)境。第三，小麥呼吸作用中產(chǎn)生的二氧化碳積累，將導(dǎo)致麥堆無氧呼吸進行，產(chǎn)生的酒精等中間代謝產(chǎn)物將導(dǎo)致小麥生活力下降甚至喪失，最終使小麥品質(zhì)下降。

同時氧氣濃度會影響微生物和害蟲的生存環(huán)境，進而影響小麥存儲。小麥中害蟲的生存離不開氧氣，多數(shù)霉腐微生物尤其是霉菌，需要在有氧的條件下才能正常生長。當氧氣濃度下降到18%～35%時，可抑制微生物和害蟲的生長繁殖，達到防蟲、防霉的目的。

通過對上述因素的分析得出，外部環(huán)境因素對小麥存儲的影響體現(xiàn)在兩個方面。一是溫濕度、氧氣濃度等因素的變化會對小麥自身在儲存過程中造成影響；二是溫濕度、氧氣濃度等環(huán)境因素會對微生物、害蟲的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，而微生物、害蟲的生命活動會對小麥品質(zhì)、質(zhì)量造成嚴重影響。由此看出，溫度、濕度、氧氣濃度等因素會對小麥的儲存產(chǎn)生直接和間接的雙重影響。

3 小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控現(xiàn)狀

小麥存儲環(huán)境容易受季節(jié)交替、晝夜變化、天氣變化等外界因素的影響，小麥進入靜態(tài)保管階段，小麥儲存的重要參考數(shù)據(jù)主要包括倉庫內(nèi)的溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)及其變化情況，保管人員和專業(yè)技術(shù)人員將根據(jù)這些數(shù)據(jù)的變化提出適當?shù)奶幚泶胧?。如果對儲存環(huán)境監(jiān)測不及時，而導(dǎo)致未能對其變化做出適當?shù)拇胧?，則可能會影響小麥存儲品質(zhì)，造成不可挽回的經(jīng)濟損失。

我國小麥倉庫環(huán)境監(jiān)控水平較低，監(jiān)測設(shè)備相對落后，許多糧倉對小麥環(huán)境的測量設(shè)備仍使用溫、濕度計或各種便攜式測量儀器，定期巡視小麥倉庫，采用人工讀取的方式記錄環(huán)境監(jiān)測情況，人員素質(zhì)不高，極易造成測量誤差，精準度低，難以深入糧倉內(nèi)部進行全面檢測，占用人工成本高。通過人工監(jiān)測結(jié)果啟動環(huán)境參數(shù)控制設(shè)備對溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行調(diào)整，檢測效率低下，無法對環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，不利于對環(huán)境變化做出及時快速響應(yīng)，導(dǎo)致小麥變質(zhì)等情況出現(xiàn)。

隨著科技的發(fā)展，電子監(jiān)測系統(tǒng)得到快速發(fā)展，逐步代替了倉庫管理人員人工檢測的傳統(tǒng)方式。當前的小麥倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般采用電纜布線的有線方式，把PC機和單片機相結(jié)合組成主從式的檢測系統(tǒng)，與人工檢測相比，提高了監(jiān)測效率和準確性。然而，這種有線監(jiān)測系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量電纜，線纜的部署復(fù)雜，可重塑性小，線路易隨時間增長而老化，安裝和維護成本高。當糧倉空間跨度較大、檢測點數(shù)量較多、檢測點位置經(jīng)常變動時，將導(dǎo)致小麥倉庫內(nèi)部電纜縱橫交錯，造成安裝、布線、供電、維護困難，使用成本增加，可靠性降低。

由此可以看出，人工監(jiān)測和有線監(jiān)測系統(tǒng)都存在不足之處，因此本文提出了一種基于無線傳感器的小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，避免了人工監(jiān)測不精確、效率低下等問題，同時又減少了有線監(jiān)測中鋪設(shè)電纜所存在的監(jiān)測成本高、維護困難等不足。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、監(jiān)控中心和各種執(zhí)行設(shè)備等組成，如下圖所示。

小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

41 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點配置多個不同類型的傳感器，包括溫度、濕度、氧氣濃度傳感器，傳感器節(jié)點被部署在小麥倉庫內(nèi)，每個傳感器節(jié)點都配有無線通信模塊，可以通過自組織或人工配置的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)對影響小麥儲存的環(huán)境因素的信息進行采集和傳輸。

42 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點負責(zé)收集和處理各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過無線通信模塊將其上傳至監(jiān)控中心，便于工作人員及時掌握環(huán)境信息。

43 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控的核心，其在接收到傳感器采集的環(huán)境信息后，對數(shù)據(jù)進行處理分析，判斷當前環(huán)境狀態(tài)，相關(guān)人員根據(jù)情況需要作出不同應(yīng)對措施。

44 執(zhí)行設(shè)備

執(zhí)行設(shè)備用于調(diào)控小麥倉庫環(huán)境，主要通過人工進行控制。目前普遍采用的溫度調(diào)節(jié)工具有空調(diào)、地表暖氣管道等；濕度調(diào)節(jié)工具有加濕器、除濕器等；氧氣濃度調(diào)節(jié)方法有充氮密封、通風(fēng)增氧等。

5 結(jié) 論

對倉儲環(huán)境進行合理有效監(jiān)控是保證小麥儲存安全的必要條件。因此對小麥倉儲環(huán)境進行科學(xué)監(jiān)測，是目前糧食存儲安全的重要課題，這也對倉儲環(huán)境監(jiān)控的智能化提出了更高的要求。

本文從直接和間接兩方面分析了影響小麥儲存的環(huán)境因素，并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，有效解決了傳統(tǒng)倉庫環(huán)境監(jiān)測中存在的設(shè)備落后、布線復(fù)雜、管理成本高等問題，滿足了多種環(huán)境參數(shù)的分布式監(jiān)控需求，實現(xiàn)小麥倉儲環(huán)境監(jiān)控的智能化。

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