稻谷質(zhì)量智能監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

鄭開濤 劉世洪 聶秀萍 劉 偉

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所;農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)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(wěn)民生的基礎(chǔ)物質(zhì)。中國是農(nóng)業(yè)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(fā)，必要的糧食儲備，對保護農(nóng)民利益、保證經(jīng)濟增長、維護社會穩(wěn)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(jīng)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(wěn)定糧食產(chǎn)量和提高糧食綜合生產(chǎn)能力；積好糧，就是要適應(yīng)人民生活水平提高和消費升級，增加優(yōu)質(zhì)糧油的產(chǎn)量和儲備；好積糧，就是要改善儲運條件，減少產(chǎn)后損失，健全市場體系，做到隨時可調(diào)，保證能及時調(diào)到需要的地方、調(diào)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(zhì)的安全。由于存儲管理不善，我國每年糧食在存儲環(huán)節(jié)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(zhuǎn)變?yōu)椤澳懿荒艹浴?。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(huán)。糧食在存儲過程中總會因為霉菌、昆蟲等因素而發(fā)生質(zhì)變；也總會因為設(shè)備故障或人為疏忽而發(fā)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(jiān)控方式是影響糧食安全的關(guān)鍵問題。 為了保證糧食品質(zhì)，最大限度地減少糧食倉儲過程中造成的損失，必須實時監(jiān)測糧食倉儲過程中溫度、濕度、CO2濃度、蟲害等各種糧情參數(shù)，準確地掌握變化情況，并做出相應(yīng)的處理。因此，研發(fā)和推廣現(xiàn)代化的稻谷質(zhì)量與品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的價值和意義。

1 稻谷質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究概述

1.1 倉儲技術(shù)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(tài)因子(生物因子、非生物因子)相互關(guān)系及其變化規(guī)律的科學。糧食儲藏技術(shù)是為了確保儲糧安全，根據(jù)糧食儲藏科學規(guī)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(zhì)、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(jié)變化，形成了獨特的儲糧生態(tài)環(huán)境。糧倉內(nèi)生物因子、非生物因子互相作用，物質(zhì)和能量進行著流動，糧食自身與周圍環(huán)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(tài)的是溫度、濕度以及氧氣和二氧化碳的含量，這些狀態(tài)是需要實時監(jiān)測的，通風及干燥是重要且主要的控制手段。

1.2 稻谷監(jiān)測系統(tǒng)概述

現(xiàn)代糧情智能檢測預警控制系統(tǒng)是利用計算機、傳感器、通信等現(xiàn)代電子技術(shù)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(tǒng)。其工作原理是利用預埋在糧堆內(nèi)部的各種不同功能的糧情傳感器節(jié)點檢測、采集各類糧情參數(shù)如溫度、濕度、含水率、氣體濃度、害蟲密度等，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號或數(shù)字信號，通過一定的通信方式傳輸?shù)较到y(tǒng)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(shù)據(jù)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(jù)預置糧情控制策略自動控制通風機、環(huán)流熏蒸機等保糧設(shè)備運行?，F(xiàn)代糧情智能監(jiān)測預警控制系統(tǒng)能為科學及安全儲糧提供了技術(shù)保證和科學依據(jù)，確保糧食安全?，F(xiàn)代糧情測控系統(tǒng)的發(fā)展大致可以分為四個階段：

第一代糧情檢測系統(tǒng)主要關(guān)注糧食的溫度指標，是一種集中式的糧情測控系統(tǒng)，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(tǒng)中，數(shù)據(jù)一般是以模擬信號的方式傳輸，每一個通信線只能對應(yīng)一個測溫點，施工成本高，在使用中系統(tǒng)工作故障率高，精度低。而且這類糧情測控系統(tǒng)無法自動的測量和巡檢數(shù)據(jù)需要糧倉管理人員現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，相應(yīng)的控制工作也要由人工完成。在現(xiàn)在的糧情測控市場中，這種系統(tǒng)已經(jīng)幾乎不被使用。

第二代糧情測控系統(tǒng)，雖然還是使用模擬信號傳輸數(shù)據(jù)，但是隨著電子科技和計算機技術(shù)的發(fā)展，引入了PC機作為控制中心和分線器等新的科技產(chǎn)品。PC機的引入，使軟件工程技術(shù)開始被應(yīng)用到糧情測控中來，在DOS操作系統(tǒng)下，初步能實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲、顯示和打印功能。分線器的引入使倉內(nèi)的布線大大減少，測溫點的分布更加合理科學。但由于技術(shù)的限制，這種系統(tǒng)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(tǒng)，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(shù)字化系統(tǒng)。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(tǒng)，軟件一般由VB、VC編寫，功能更加完善，自動化程度提高?，F(xiàn)如今，國內(nèi)外的糧倉大部分都采用這一代的糧情測控系統(tǒng)。

第四代糧情測控系統(tǒng)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Zigbee技術(shù)、藍牙、GPRS等)引入了糧情測控領(lǐng)域。在這種系統(tǒng)中，大量的通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)據(jù)通過自主網(wǎng)絡(luò)傳回中心匯聚設(shè)備，再由中心匯聚設(shè)備將數(shù)據(jù)傳給上位機的軟件系統(tǒng)。而上位機軟件系統(tǒng)再對這些數(shù)據(jù)進行顯示、儲存、處理、分析并對保糧設(shè)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(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與匯聚、4G接入、互聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)庫管理等多項關(guān)鍵技術(shù)的融合，實現(xiàn)管理人員與測控現(xiàn)場在“空間上分離、網(wǎng)絡(luò)上融合、平臺上互聯(lián)”。

2 基于云平臺的系統(tǒng)總體設(shè)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(gòu)建而成 。平臺使用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，前臺采用.NET、javascript等網(wǎng)頁制作技術(shù)，后臺數(shù)據(jù)處理采用C#、JAVA等語言編寫，數(shù)據(jù)傳輸均采用XML文件。文件存儲采用分布式結(jié)構(gòu)，即將各糧倉的最終數(shù)據(jù)逐級反推給上級單位或部門。以AJAX為驅(qū)動方式，以Flash為顯示界面，實現(xiàn)預警信號的快速制作、共享、監(jiān)控和解除等功能。

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

同時通過網(wǎng)絡(luò)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(wù)的方式統(tǒng)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(tǒng)移植、安裝、運行、升級、維護、技術(shù)支持等方面軟硬件設(shè)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(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括四個層面，分別是應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)層、云基礎(chǔ)設(shè)施層。各層將依托統(tǒng)一的技術(shù)標準和管理規(guī)范進行建設(shè)。

云基礎(chǔ)設(shè)施層為倉庫糧情監(jiān)測的各類服務(wù)提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及通用軟件平臺資源，是整個平臺的基礎(chǔ)。基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集也位于此層。

數(shù)據(jù)層主要由數(shù)據(jù)庫、模型庫、工具庫以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸、分析和處理程序等集成于大規(guī)模分布式處理平臺，負責預警平臺整個數(shù)據(jù)環(huán)境的搭建。其中，數(shù)據(jù)庫包括：倉庫基本信息數(shù)據(jù)庫、檢測數(shù)據(jù)庫、倉庫外圍環(huán)境數(shù)據(jù)庫、歷史檔案庫等，采用分布式存儲。模型庫采用系統(tǒng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模型再訓練，使其不斷優(yōu)化而精確應(yīng)用支撐層為平臺集中運行提供代碼基礎(chǔ)和框架支撐。包括糧情信息發(fā)布模塊、監(jiān)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(tǒng)管理模塊等。

圖1 基于云平臺的系統(tǒng)總體設(shè)計圖

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

應(yīng)用層為系統(tǒng)的前端展現(xiàn)，直接面向用戶，包括統(tǒng)一入口登陸，權(quán)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(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供多尺度、多時相、實時、動態(tài)的糧情信息，為科學決策提供依據(jù)。

同時，在應(yīng)用層留有跳轉(zhuǎn)接口，可以跳轉(zhuǎn)到原有的糧倉業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，如出入庫管理、辦公管理、財務(wù)管理等。

4 稻谷儲藏模型設(shè)計

基于歷史數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析適宜糧食存儲的濕度溫度閾值，建立優(yōu)質(zhì)稻谷儲藏模型(圖3)。依據(jù)儲藏模型，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)，實時采集糧堆內(nèi)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(shù)據(jù)。模型閾值分為三級，一級閾值是指糧食存儲的最佳狀態(tài)；二級閾值是當前狀態(tài)已經(jīng)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(tǒng)會發(fā)出警報，同時采取通風、降溫、環(huán)流熏蒸等措施進行自動化處理；三級閾值是指當前狀態(tài)已經(jīng)不適合糧食儲藏，系統(tǒng)發(fā)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(fā)生火災，觸發(fā)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(nèi)的監(jiān)控設(shè)備將糧倉內(nèi)的視頻信息推送給管理員，管理員核實后，緊急觸發(fā)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(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行挖掘，發(fā)現(xiàn)糧情參數(shù)變化與糧質(zhì)的關(guān)系。隨著數(shù)據(jù)的積累，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(qū)間，使其逐步精確化。

圖3 稻谷倉儲監(jiān)測模型設(shè)計圖

5 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

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

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

6 實驗設(shè)計與討論

為了方便實驗，選擇以某企業(yè)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(nèi)谷物冷卻、通風、氮氣氣調(diào)等裝置完善。依據(jù)相關(guān)國標要求，傳感器布控節(jié)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(shù)據(jù)的準確性，在該糧倉內(nèi)按11×7×7的方式共布控539個節(jié)點，其中各節(jié)點橫向間距4 m，縱向間距1 m。每個節(jié)點安放一個溫濕度傳感器和一個CO2濃度傳感器，協(xié)調(diào)器和路由器安裝在糧倉頂部中央，煙霧傳感器、視頻監(jiān)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(nèi)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(nèi)火災情況；視頻監(jiān)控器和紅外傳感器用來監(jiān)測糧倉內(nèi)人、鼠類以及害蟲實時活動情況；協(xié)調(diào)器和路由器負責數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集上傳，每個協(xié)調(diào)器最多可支持60 000個節(jié)點。糧倉網(wǎng)絡(luò)有24個信道，足以支持各項采集數(shù)據(jù)的實時上傳，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生沖突。

監(jiān)控中心設(shè)置每隔1 min傳感器采集數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)一次，如果采集數(shù)據(jù)超過相應(yīng)閾值，監(jiān)控中心系統(tǒng)發(fā)出告警信號，系統(tǒng)依據(jù)不同狀況，自動推送出相應(yīng)解決方案。系統(tǒng)目前正處于測試階段，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可有效監(jiān)測糧倉內(nèi)稻谷質(zhì)量實時狀況，可進一步實施到其他糧倉。

7 總結(jié)與展望

通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和多功能無線儲糧監(jiān)控系統(tǒng)的分析，對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所構(gòu)建的稻谷質(zhì)量智能監(jiān)測預警平臺開展研究工作，建立優(yōu)質(zhì)稻谷儲藏模型，實現(xiàn)稻谷劣變監(jiān)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(tǒng)優(yōu)勢主要表現(xiàn)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(shù)，避免無謂的工作量，尤其是在熏蒸等過后的一段時間內(nèi)，降低工作人員的中毒幾率，解放生產(chǎn)力，降低勞動強度，減少人工費用；數(shù)據(jù)采集不易受干擾，設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)大多采用位置固定的計算機設(shè)備和手持終端作為監(jiān)測終端。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算的發(fā)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(jiān)測領(lǐng)域中來。在后續(xù)研究中，將依托云平臺設(shè)計一種基于移動端的智能糧情監(jiān)測客戶端，實現(xiàn)客戶端與云平臺之間建立連接，移動終端通過HTTP通信協(xié)議與服務(wù)器進行通信，采用XML文件存儲數(shù)據(jù)信息，封裝監(jiān)測指令，通過解析器對數(shù)據(jù)進行解析，并將糧情數(shù)據(jù)顯示給用戶(倉儲管理人員)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示和警情即時預警的功能。

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