糧食重量在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

劉嬌玲等

摘要：伴隨著科學(xué)發(fā)展，傳統(tǒng)糧食重量檢測方法的缺陷已經(jīng)凸顯，糧食重量在線檢測系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測方法的不足，提升了糧食重量檢測的效率，同時降低了檢測的成本。研究了整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)應(yīng)用基于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用基于底面和側(cè)面的壓強(qiáng)檢測模型，實現(xiàn)對糧食重量的在線檢測。該系統(tǒng)通過實驗測試，運(yùn)行良好，設(shè)計能夠達(dá)到糧食重量檢測所要求的精度。

關(guān)鍵詞：糧食重量在線檢測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；壓強(qiáng)檢測模型

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0204-03

Structure of On-line Detection System for Grain Weight

LIU Jiao-ling， LI Wei-cheng， ZHANG Miao， CHENG Shang-kun， LIANG Hui-dan， ZHANG De-xian

（School of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： With the development of science， the defects of the traditional method of measuring the weight of grain have been highlighted. Grain weight on-line detection system makes up for the deficiency of traditional detection method， improves the efficiency of grain weight detection and also greatly reduces the cost of grain weight detection. Studying software structure of whole system， the network structure design is based on the Wireless Sensor Network. Using bottom and side pressure detection model， so as to realize the on-line detection of grain weight. System passes the test and runs well， also can meet the requirements of the grain weight detection.

Key words：grain weight on-line detection； wireless sensor network； pressure detection model

1 研究背景

目前，我國是當(dāng)今世界最大的糧食生產(chǎn)、存儲、加工、消費(fèi)的國家。糧食的存儲質(zhì)量關(guān)系到國家的根本命脈，是預(yù)防戰(zhàn)爭、天災(zāi)等突發(fā)事件的后勤保障，糧食的安全存儲是國家的一項重大民生戰(zhàn)略，黨和國家一直都予以高度的重視。李克強(qiáng)總理就指出，國家要做好“廣積糧、積好糧、好積糧”三篇文章[1]。廣積糧，即不僅要穩(wěn)定好糧食的產(chǎn)量而且同時要提高糧食生產(chǎn)力；積好糧，是指要提升糧油產(chǎn)量儲備，積極適應(yīng)日漸提升的人民生活水平；好積糧，主要是改善儲運(yùn)條件，最大縮減產(chǎn)后損失，努力健全糧食市場體系，保證可以做到隨時調(diào)配，且及時運(yùn)輸至需要的地方和困難的群眾手中。

糧食在搬運(yùn)的過程中會產(chǎn)生一些不可避免的損傷，糧倉存儲時，也會受到外界各種因素如，溫度、濕度、水分、害蟲等因素的影響。傳統(tǒng)的糧食數(shù)量監(jiān)測主要是依賴于人工進(jìn)行清倉查庫，其成本消耗巨大，并且容易出現(xiàn)差錯和紕漏，給國家造成難以預(yù)料的損失，更有不法人員會對糧食高賣低買并且虛報糧食數(shù)量，私吞國家財產(chǎn)。為了防止發(fā)生此類現(xiàn)象，降低人工成本，保護(hù)黨和國家財產(chǎn)，設(shè)計出了糧食重量在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了糧倉的半自動化管理，大大降低了人力成本；對糧倉的數(shù)量可以進(jìn)行動態(tài)地、實時地監(jiān)控，其測量精度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，可以及時地發(fā)現(xiàn)糧倉中存在的問題；最后將檢測的數(shù)據(jù)及時上傳至云端，避免了對糧食數(shù)量漏報、虛報的情況。本文給出了系統(tǒng)主要模塊的功能，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行搜集和傳輸，采用了基于底面和側(cè)面的壓強(qiáng)檢測模型對糧食重量進(jìn)行在線檢測。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于糧食作為一種特殊的物品，糧食在存儲過程中，其質(zhì)量受到各方因素的干擾和影響，所以設(shè)計的糧食重量在線檢測系統(tǒng)不僅考慮了系統(tǒng)的易用性、安全性、可靠性，還結(jié)合了糧食本身的特點(diǎn)，并且結(jié)合了實際儲糧的環(huán)境。最終將系統(tǒng)設(shè)計成為了以下四個模塊：

1）檢測模塊：重量檢測的入口，可以開始和關(guān)閉檢測。開始檢測后，按采樣間隔取最新的傳感器壓強(qiáng)值，然后計算重量，最后根據(jù)檢測結(jié)果更新重量曲線，以可視化的方式實時地向用戶展示所檢測的重量狀態(tài)。

2）模型與配置模塊：根據(jù)糧倉和糧食的不同類型，建立其恰當(dāng)?shù)哪Ｐ停瑥亩梢詸z測其重量。對建模預(yù)測參數(shù)、數(shù)據(jù)庫參數(shù)、糧倉信息、故障傳感器信息、最新傳感器壓力值等進(jìn)行查看和配置。

3）布局模塊：用于顯示和布置各個糧倉的傳感器數(shù)量、布局、編號，并用黃色三角形標(biāo)注故障傳感器。

4） 查詢模塊：包括以數(shù)據(jù)表格、重量曲線、誤差曲線三種形式，根據(jù)糧倉名，預(yù)測重量的時間，進(jìn)行歷史檢測重量和預(yù)測誤差的查詢和以數(shù)據(jù)表格、外圈傳感器值曲線、內(nèi)圈傳感器值曲線、內(nèi)外圈均值曲線形式，根據(jù)糧倉名、預(yù)測重量時間，進(jìn)行歷史傳感器值的查詢。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于糧食重量在線檢測系統(tǒng)需要通過部署大量的傳感器來提取糧食的相關(guān)參數(shù)，所以本系統(tǒng)結(jié)合了糧倉內(nèi)部的環(huán)境特點(diǎn)和糧食存儲的方式，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行搜集和傳輸。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由部署在不同監(jiān)控區(qū)域范圍的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它可以感知和檢測外部世界的傳感器，是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)[2]。通?？梢苑譃橐韵氯齻€部分：

1） 傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）：用于搜集本地信息并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對其他轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行儲存和管理，同時配合其他的傳感節(jié)點(diǎn)完成指定的任務(wù)。

2） 匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）：充當(dāng)傳感網(wǎng)與Internet等外網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，對傳感網(wǎng)絡(luò)和外網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且向傳感節(jié)點(diǎn)傳遞其檢測任務(wù)，將搜集到的數(shù)據(jù)信息上傳至云端，具有較強(qiáng)的處理和存儲數(shù)據(jù)能力，較強(qiáng)的通信能力。作為一個功能強(qiáng)大的傳感節(jié)點(diǎn)，可以把大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)傳送至云存儲服務(wù)器，并且還可以分析所儲存的程序、路由協(xié)議、秘鑰等相關(guān)信息，從而更改程序并傳送至傳感節(jié)點(diǎn)中。

3） 管理節(jié)點(diǎn)（Coordinator）：主要是用來動態(tài)地對整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，管理著通過管理節(jié)點(diǎn)可以對整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行訪問和相關(guān)地操作。

考慮到傳感器在布局的時候，會產(chǎn)生規(guī)模巨大、短距離傳輸需求高的現(xiàn)象，如果采用普通的移動網(wǎng)絡(luò)（GPRS/CDMA）技術(shù)將會產(chǎn)生大量的運(yùn)營費(fèi)用，所以本無線傳感網(wǎng)絡(luò)選取了ZigBee技術(shù)用于解決這個問題。ZigBee技術(shù)主要是用于為距離短、功耗低、傳輸速率不高的各種設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)的傳送，同時也用于對有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的傳輸，是一種近距離的、低功耗的、低成本的、低復(fù)雜度的雙向無線通訊技術(shù)[3]。

ZigBee協(xié)議共定義了兩種類型的設(shè)備，即全功能設(shè)備（FFD，F(xiàn)ull FunctionDevice）和精減功能設(shè)備（RFD，Reduced Function Device）。FFD可以實現(xiàn)路由的功能，可與其他各種設(shè)備進(jìn)行通訊，傳送從RFD送來的數(shù)據(jù)至其他設(shè)備上，可以是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者一個普通傳感器節(jié)點(diǎn)。RFD只能與FDD通訊，只有通過FFD才可將測得的數(shù)據(jù)信息傳輸出去，只能充當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點(diǎn)有不同分工，根據(jù)其工作特性，可以分為以下三類：

1）協(xié)調(diào)者（Coordinator）：是一個FFD節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理工作，每個網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)者。

2）路由節(jié)點(diǎn)（Router）：是一個FFD節(jié)點(diǎn)，一般被應(yīng)用于樹形或者M(jìn)esh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋量，用于去找到從源點(diǎn)到終點(diǎn)的一條最佳路徑來傳輸信息。

3）終端設(shè)備（EndDevice）：是一個RFD節(jié)點(diǎn)，搜集數(shù)據(jù)信息并被用于連接到路由節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)者。

糧食重量在線檢測系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計包括：一個協(xié)調(diào)者，用于對整個網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)；若干路由節(jié)點(diǎn)，用于選擇數(shù)據(jù)的傳輸路徑；許多的終端設(shè)備，用于對糧食的參數(shù)信息采集；一臺云服務(wù)器，用于對采集的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析處理。

3.2系統(tǒng)采用的理論模型

本系統(tǒng)采用了基于底面和側(cè)面的壓強(qiáng)檢測模型[4-5]對糧食重量進(jìn)行在線檢測，基本原理是通過部署在不同位置的壓力傳感器分別測出糧倉底面壓強(qiáng)均值（[PU（A）]）和側(cè)面壓強(qiáng)均值（[PF（A）]）的估計值，從而計算出糧堆高度（T）的估計值。把傳感器分別布置在筒倉的內(nèi)圈和外圈，通過搜集內(nèi)圈傳感器的均值[Pu（Ain）]來代替[PU（A）]，同時采集外圈傳感器的均值[Pu（Aout）]來代替[PF（A）]。糧食重量與壓強(qiáng)的公式為：

[W=SU （u0+u1Pu（Ain）+u2Pu（Ain）2 +u3Pu（Aout）+u4Pu（Ain）Pu（Aout）+u5Pu（Ain）2Pu（Aout） +u6Pu（Aout）2+u7Pu（Ain）Pu（Aout）2+u8Pu（Ain）2Pu（Aout）2 +u9Pu（Aout）3+u10Pu（Ain）Pu（Aout）3+u11Pu（Aout）4）] （1）

其中，[W]為糧堆重量估計，[SU]為糧堆底面面積，[Pu（Ain）]為內(nèi)圈傳感器輸出值均值， [Pu（Aout）]為外圈傳感器輸出值均值，[u0]至[u11]為模型回歸系數(shù)。通過得到的[Pu（Ain）]、[Pu（Aout）]值，代入公式（1）中，進(jìn)而計算出實時糧倉的重量。

基于該模型實現(xiàn)糧食重量檢測的具體步驟，主要包括以下三步：

1）數(shù)據(jù)表的建立：將糧倉的基本信息存入表GraInfo中，該表包括糧倉名，糧倉底面的長、寬，進(jìn)糧重量，傳感器個數(shù)；將傳感器的狀態(tài)信息存入表GraState中，該表包括故障傳感器個數(shù)，故障傳感器編號信息。將傳感器的壓力值存入表StressInfo中，該表包括傳感器的編號，傳感器的壓力，獲取傳感器壓力值的時間；將模型回歸系數(shù)存入表ModelBase中。

2）推導(dǎo)模型回歸系數(shù)：從表StressInfo中，為每個糧倉選取30條傳感器壓力值。根據(jù)表GraState的信息，排除故障傳感器壓力值。然后計算內(nèi)圈傳感器輸出值均值，外圈傳感器輸出值均值。由表GraInfo，計算出糧堆底面面積和進(jìn)糧的重量，從而可以得到60條重量和壓強(qiáng)實驗樣本點(diǎn)。根據(jù)回歸方法，即可計算出模型回歸系數(shù)的值，并將系數(shù)存入表ModelBase中。

3）測算糧堆的重量：每隔八小時，從表StressInfo中提取出最新的一條傳感器壓力值，然后計算內(nèi)圈傳感器輸出值均值和外圈傳感器輸出值均值。由表GraInfo計算糧堆底面面積，由表ModelBase中模型回歸系數(shù)的值，從而計算出糧堆的重量。

4 實驗結(jié)果分析與總結(jié)

該系統(tǒng)在2個實驗倉里進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果所生產(chǎn)的誤差曲線，如圖1所示。

該圖表示的是糧倉檢測重量的誤差，E=（|[W]-[Wi]|*100.）/ [Wi]，其中E是誤差，[W]是估計重量，[Wi]是進(jìn)糧重量。橫坐標(biāo)表示預(yù)測時間，縱坐標(biāo)表示誤差百分比。由圖可以看出誤差在0到1.6%之間，可以滿足實際中糧食重量檢測的要求。對糧食重量在線檢測系統(tǒng)各項功能測試的結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計合理，各項功能都符合系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的要求，能夠有效的檢測重量，管理相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計能夠?qū)Z食重量進(jìn)行實時的在線檢測，它不僅解決了傳統(tǒng)糧食重量測量效率低下，付出人力成本巨大的問題，還能達(dá)到對糧食重量的24小時無間斷監(jiān)控檢測，極大地提高了糧倉內(nèi)部糧食的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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