糧情監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

萬曙峰　吳文?！《偶?/p>

摘 要：糧食是保證我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定的基礎(chǔ)，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(nèi)糧堆谷物參數(shù)的監(jiān)測裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)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(nóng)業(yè)大國。糧食是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是人類賴以生存的主要來源，它關(guān)系著我國國民經(jīng)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(zhì)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)，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(shù)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(guān)注，單純地依靠人工經(jīng)驗的傳統(tǒng)糧情監(jiān)測方法，已經(jīng)遠遠無法滿足現(xiàn)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(xiàn)快速準確的糧情檢測著實困難。不過，隨著諸多新興現(xiàn)代科學技術(shù)，如傳感器技術(shù)、半導體物理學、電解質(zhì)物理學以及信息融合等技術(shù)的快速發(fā)展，為糧堆中糧情檢測技術(shù)的研究提供了新的科學依據(jù)[2]。

1糧情監(jiān)測技術(shù)裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國外研究現(xiàn)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(guān)方面的研究?；裟犴f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(guān)系曲線得到樣品含水率[3]。經(jīng)研究人員測試，在10%～15%的含水率范圍內(nèi)，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(nèi)，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(shè)定的溫度值會啟動報警功能。

近年來，國外農(nóng)業(yè)發(fā)達國家已朝著蟲霉發(fā)生情況、糧倉內(nèi)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(nèi)一直保持領(lǐng)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(zhì)地圖，任何腐壞都可在電解質(zhì)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(shù)，使用測量空氣環(huán)境和溫濕度傳感器，能準確評估谷物質(zhì)量，包括大米產(chǎn)量（MRY）、水稻產(chǎn)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(nèi)研究現(xiàn)狀

我國糧情監(jiān)測技術(shù)與國外相比發(fā)展較晚，市面上大多數(shù)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(jù)預先設(shè)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(shù)種技術(shù)相結(jié)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(nóng)業(yè)大學沈明霞在基于嵌入式技術(shù)的無線糧情測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jié)合電容層析成像技術(shù)（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(chǔ)上，根據(jù)糧食電磁特性，將跨孔雷達探測技術(shù)應用于糧倉內(nèi)，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(jīng)過30a的發(fā)展，可以看出，國內(nèi)的糧情檢測技術(shù)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(shù)單一

這是我國糧情監(jiān)測技術(shù)存在的主要問題。目前大多數(shù)糧倉內(nèi)使用的糧情檢測系統(tǒng)都是根據(jù)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(nèi)粉塵和糧食品質(zhì)等進行檢測。檢測結(jié)果僅有溫濕度參數(shù)，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(jù)糧情分析決策，只是簡單地根據(jù)預先設(shè)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(shè)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(shù)過少有很大的關(guān)系。

2.3各檢測單元分離，造成系統(tǒng)布線繁雜

根據(jù)國家標準A*，每個糧倉內(nèi)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(chǎn)廠家生產(chǎn)，彼此并不能聯(lián)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(zhì)量都具有十分重要的意義。本文針對糧情多參數(shù)監(jiān)測進行了研究，開發(fā)了一套糧堆多參數(shù)監(jiān)測裝置。雖然實現(xiàn)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(shù)全面化

本裝置只是針對溫濕水3種糧食參數(shù)進行了檢測，在此基礎(chǔ)上可以再增添其他傳感器，實現(xiàn)更多傳感器的融合。CO2可以從側(cè)面反應出糧堆蟲霉生長情況；在應用氣調(diào)倉儲技術(shù)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(nèi)環(huán)境滋生過多粉塵，發(fā)生爆炸事件。

3.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(lián)狀態(tài)，都需要一根數(shù)據(jù)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(shè)計，實現(xiàn)各裝置間的通信功能，將各裝置串聯(lián)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(shù)據(jù)會逐漸失真，此時需要對水分儀進行重新標定。而糧倉內(nèi)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(xiàn)象進行研究，建立對發(fā)生失真現(xiàn)象的校準模型。

參考文獻

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[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(nóng)業(yè)大學，研究方向：智能化檢測與控制技術(shù)。