物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)中糧情監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

彭音音 李江濤 林親錄

[摘要]糧食倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)于我國(guó)糧食安全至關(guān)重要。本文主要介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)中糧情監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，主要對(duì)糧食智能出入庫(kù)系統(tǒng)、儲(chǔ)糧數(shù)量檢測(cè)系統(tǒng)、糧食溫濕水檢測(cè)及智能通風(fēng)系統(tǒng)、糧倉(cāng)蟲害氣體在線檢測(cè)及內(nèi)循環(huán)熏蒸與均溫系統(tǒng)展開介紹，提出物聯(lián)網(wǎng)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)中糧情監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用的不足，旨在為促進(jìn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更有效地應(yīng)用于糧情監(jiān)測(cè)，提高糧食倉(cāng)儲(chǔ)的整體效率提供借鑒和參考。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);糧食倉(cāng)儲(chǔ);糧情監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：F326.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202005

糧食作為我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源及人民生活的基本物質(zhì)，其安全儲(chǔ)備是保障國(guó)家糧食安全的必要措施。近年來(lái)，我國(guó)糧食生產(chǎn)連創(chuàng)新高，儲(chǔ)存量也逐年增加，為轉(zhuǎn)變糧食產(chǎn)業(yè)運(yùn)行方式，“十三五”規(guī)劃建議提出：“堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，堅(jiān)守耕地紅線，實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，提高糧食產(chǎn)能，確保谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全?！盵1]糧食產(chǎn)業(yè)中，糧食倉(cāng)儲(chǔ)為關(guān)鍵性構(gòu)成部分，糧食倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)直接影響儲(chǔ)藏過(guò)程中糧食的數(shù)量以及質(zhì)量。針對(duì)我國(guó)糧食儲(chǔ)藏?cái)?shù)量大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，不斷發(fā)展糧食儲(chǔ)藏及監(jiān)測(cè)技術(shù)，以此確保國(guó)家糧食安全，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)[2]。

物聯(lián)網(wǎng)指利用多種信息傳感設(shè)備，如RFID、智能控制及全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，將監(jiān)測(cè)的事物與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效連接，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別及監(jiān)控等多功能的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)代糧食倉(cāng)儲(chǔ)，在糧情監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷，能更加靈敏、直觀、實(shí)時(shí)地反映和監(jiān)測(cè)糧堆情況，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)作出調(diào)整，以此保障糧食倉(cāng)儲(chǔ)的安全[4]。

物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的糧倉(cāng)糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用溫度、濕度、氣體、蟲害等傳感系統(tǒng)對(duì)糧食入庫(kù)到倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中糧庫(kù)倉(cāng)內(nèi)、倉(cāng)外等各種物理參數(shù)精確感知并進(jìn)行采集，將此類數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心傳遞，實(shí)時(shí)掌握糧食糧情數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況監(jiān)控中心及時(shí)調(diào)整外部環(huán)境，以此提高糧食倉(cāng)儲(chǔ)管理水平。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除采用傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)外，還配備傳輸、信息處理、智能控制等技術(shù)，以此輔助整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

1 糧食智能出入庫(kù)系統(tǒng)

糧食智能出入庫(kù)系統(tǒng)是在現(xiàn)有倉(cāng)儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)上引入RFID、智能圖像分析及計(jì)算機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)自動(dòng)化登記、識(shí)別及調(diào)度等[5]。RFID是智能出入庫(kù)系統(tǒng)常用的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別而獲得相關(guān)信息，可在各種惡劣環(huán)境中工作[6]。何彬兵[7]將RFID技術(shù)應(yīng)用于智能出入庫(kù)系統(tǒng)中的電子地磅、自動(dòng)道閘及圖像抓拍等，實(shí)現(xiàn)糧食入庫(kù)流程中各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能化信息管理，以此規(guī)范出入庫(kù)管理過(guò)程。云順忠等[8]介紹了湖北省糧食局的智能化出入庫(kù)系統(tǒng)，將快速登記、自動(dòng)扦樣、自動(dòng)稱重、快速檢驗(yàn)、出入倉(cāng)作業(yè)確認(rèn)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行有效整合，并提供數(shù)據(jù)查詢、流量控制、斷網(wǎng)操作等決策分析功能，為有效提高出入庫(kù)作業(yè)的規(guī)范性、可追溯性及工作效率提供了理論支持。

2 糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量在線檢測(cè)系統(tǒng)

糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量在線檢測(cè)對(duì)于保障糧食倉(cāng)儲(chǔ)安全至關(guān)重要。目前儲(chǔ)糧數(shù)量在線檢測(cè)方法有很多，主要是利用壓力傳感器、電磁波檢測(cè)技術(shù)和紅外掃描技術(shù)等進(jìn)行檢測(cè)。

壓力傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)量在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)糧食的空倉(cāng)、滿倉(cāng)、倒倉(cāng)等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判別。張?chǎng)蔚萚9]通過(guò)在糧倉(cāng)底部布置若干壓力傳感器的方法獲取糧倉(cāng)底部所受壓強(qiáng)值，多次進(jìn)糧并記錄所受壓強(qiáng)值，再通過(guò)R語(yǔ)言平臺(tái)構(gòu)建不同層次的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并利用對(duì)數(shù)據(jù)集的學(xué)習(xí)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)糧數(shù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差小于3%。張德賢等[10]進(jìn)一步優(yōu)化基于糧倉(cāng)內(nèi)外圈布置的壓力傳感器模型和基于多項(xiàng)式展開的糧倉(cāng)數(shù)量在線檢測(cè)模型，使糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量在線檢測(cè)模型檢測(cè)誤差低于2.5%。

電磁波檢測(cè)技術(shù)利用在糧堆表面移動(dòng)的雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)糧堆表層的水平面掃描，通過(guò)接收目標(biāo)反射回的電磁波信號(hào)來(lái)判別糧倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)糧數(shù)量[11]。張新新等[12]提出根據(jù)電磁波在糧堆內(nèi)反射幅度的差異，采用相位差法獲取不同深度糧堆的介電常數(shù)分布，并結(jié)合反射幅度和菲涅耳公式推算出糧堆深度與介電常數(shù)分布的關(guān)系和相應(yīng)的介電常數(shù)-密度模型，以此建立一維糧堆密度分布圖，再與糧倉(cāng)表面雷達(dá)天線縱橫垂直掃描圖合并，得到糧堆三維立體剖面分布圖，通過(guò)計(jì)算獲得糧堆的體積數(shù)量來(lái)檢測(cè)糧倉(cāng)儲(chǔ)糧的數(shù)量。

紅外掃描數(shù)量在線檢測(cè)系統(tǒng)是結(jié)合紅外掃描、無(wú)線通信及視頻等技術(shù)，通過(guò)紅外掃描設(shè)備進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)距，結(jié)合視頻監(jiān)控設(shè)備修正數(shù)據(jù)，獲得糧倉(cāng)內(nèi)糧堆整體模型，然后通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量。紅外掃描數(shù)量在線檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)糧面進(jìn)行網(wǎng)格化區(qū)域劃分，采用空間極坐標(biāo)方式對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)糧堆進(jìn)行三維測(cè)量，通過(guò)容重修正模型修正后得到糧堆體積，進(jìn)而計(jì)算出糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量[13]。

3 糧食溫濕水檢測(cè)及智能通風(fēng)系統(tǒng)

糧食的溫度、濕度和水分對(duì)糧食儲(chǔ)存影響極大，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)中糧食的溫度、濕度和水分對(duì)保障糧食安全具有重要作用。王濤等[14]設(shè)計(jì)了一種糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)分布式光纖溫濕度傳感器，對(duì)糧堆內(nèi)部縱向剖面溫濕度的準(zhǔn)分布式進(jìn)行測(cè)量，與目前糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)采用的電子傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保持一致，且能有效反映糧堆內(nèi)部不同深度帶的溫濕度變化規(guī)律。胡俊輝等[15]設(shè)計(jì)的糧倉(cāng)溫濕度無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是通過(guò)STM32對(duì)各節(jié)點(diǎn)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議采集數(shù)據(jù)來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，借助低功耗的Zigbee模塊來(lái)提高系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壽命，使糧倉(cāng)溫濕度管理的工作效率整體提高。

智能通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析判斷，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化。馮黎明[16]通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)模擬不同儲(chǔ)糧條件及通風(fēng)條件下糧倉(cāng)內(nèi)外溫度變化情況，建立通風(fēng)模型，并結(jié)合智能通風(fēng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)控制。孫彪瑞[17]提出結(jié)合多重D-S融合模型和基于遺傳算法-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)決策方法，以此實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)從使用初期到長(zhǎng)期的全過(guò)程覆蓋

4 糧倉(cāng)蟲害氣體在線檢測(cè)及內(nèi)循環(huán)熏蒸與均溫系統(tǒng)

儲(chǔ)糧害蟲監(jiān)測(cè)是綜合防治害蟲和避免害蟲危害的重要基礎(chǔ)，在糧倉(cāng)內(nèi)按一定的規(guī)則在害蟲誘捕器上配置電子感應(yīng)和信息傳輸器件，系統(tǒng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)逐個(gè)采集捕蟲陷阱內(nèi)捕捉到的害蟲數(shù)量，并采集捕蟲陷阱附近的氧氣、二氧化碳、磷化氫等氣體的濃度[18]。其中一種害蟲誘捕器中的新型害蟲傳感器由探管誘捕器配套害蟲檢測(cè)與信息傳輸裝置構(gòu)成[19]，可確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。另一種設(shè)于糧堆內(nèi)部的常見電子探管誘捕器，在害蟲落入誘捕器的過(guò)程中采用紅外感應(yīng)器檢測(cè)獲取信息，并通過(guò)檢測(cè)計(jì)數(shù)裝置和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程害蟲檢測(cè)計(jì)量與控制[20]。

監(jiān)測(cè)到蟲害時(shí)，糧倉(cāng)內(nèi)循環(huán)熏蒸系統(tǒng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)環(huán)流熏蒸中磷化氫氣體的均勻分布，同時(shí)根據(jù)需求啟動(dòng)環(huán)流風(fēng)機(jī)，以降低表層糧食的溫度。薛軍等[21]設(shè)計(jì)的智能糧倉(cāng)環(huán)流熏蒸系統(tǒng)采用PLC控制，通過(guò)植入傳感檢測(cè)設(shè)備和智能控制設(shè)備，遠(yuǎn)程控制施藥裝置、環(huán)流熏蒸機(jī)及施藥管道閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)關(guān)鍵位置的磷化氫氣體濃度和溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)，并獲得了比較好的效果。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)糧糧情監(jiān)測(cè)有利于更直觀透明地了解糧情信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)的實(shí)時(shí)有效監(jiān)控，以此開展智能化、精準(zhǔn)化的儲(chǔ)糧操作，從而有效保證糧食的整體質(zhì)量。目前針對(duì)隱蔽性高、復(fù)雜多變的糧食倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，如何更準(zhǔn)確地收集糧情，還需進(jìn)一步深入研究。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已應(yīng)用于糧食倉(cāng)儲(chǔ)多年，但還有相當(dāng)多物聯(lián)網(wǎng)方面的研究成果沒(méi)有真正地應(yīng)用于糧食倉(cāng)儲(chǔ)的糧情監(jiān)測(cè)。本文結(jié)合糧食倉(cāng)儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)兩者進(jìn)行進(jìn)一步的融合，旨在為進(jìn)一步增強(qiáng)糧倉(cāng)糧情監(jiān)測(cè)水平，提高糧食倉(cāng)儲(chǔ)管理水平，推動(dòng)糧食行業(yè)的全面創(chuàng)新與發(fā)展助力

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