糧情檢測(cè)系統(tǒng)適網(wǎng)化改造技術(shù)應(yīng)用

李 亮，閻 磊，白春?jiǎn)?/p>

（1. 陜西西瑞(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713199；2. 河南工業(yè)大學(xué) 糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001）

中國(guó)是人口大國(guó)，也是糧食大國(guó)。國(guó)家實(shí)行糧食儲(chǔ)備制度，建立了覆蓋全國(guó)的中央和地方糧食儲(chǔ)備倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)，承擔(dān)保障國(guó)家糧食安全、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件保障供應(yīng)、穩(wěn)定糧食市場(chǎng)價(jià)格等任務(wù)。國(guó)家對(duì)于中央儲(chǔ)備糧的管理要求是數(shù)量真實(shí)、質(zhì)量良好和儲(chǔ)存安全[1]。糧食質(zhì)量和儲(chǔ)存品質(zhì)與糧食儲(chǔ)藏期間的糧情密切相關(guān)，在糧情的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)中，糧食溫度是關(guān)鍵的指標(biāo)，對(duì)于糧堆溫度的檢測(cè)是保證糧食儲(chǔ)藏安全的最有效可行方法之一。早期人們通過人工感知的方法來(lái)檢測(cè)糧溫[2]，比如用手插入糧堆內(nèi)來(lái)感覺糧食溫度，或者以赤腳的方式踩踏糧食，有熱燙感時(shí)，說(shuō)明所接觸糧堆部位的糧食溫度可能偏高。后來(lái)演進(jìn)為借助于內(nèi)置溫度計(jì)的扦樣桿進(jìn)行糧溫檢測(cè)等方法。20世紀(jì)70年代，美國(guó)的William T.Eng發(fā)明了糧倉(cāng)電子溫度監(jiān)控裝置，并申請(qǐng)了專利[3]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制糧情電子測(cè)溫的技術(shù)方法，早期主要是采用熱敏電阻方法進(jìn)行糧情檢測(cè)[4]，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了電子糧情檢測(cè)系統(tǒng)，并在廣大糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，一般稱為糧情檢測(cè)系統(tǒng)。近些年，糧情測(cè)控系統(tǒng)在逐步發(fā)展與完善，但還存在著系統(tǒng)兼容性差、檢測(cè)精度低、有線為主、布線復(fù)雜等不足[5]。目前在用的糧情檢測(cè)系統(tǒng)多為主從結(jié)構(gòu)，主要由檢測(cè)主機(jī)、檢測(cè)分機(jī)、測(cè)溫電纜、通信鏈路構(gòu)成。其中，通信鏈路多為有線介質(zhì)傳輸?shù)目偩€通信鏈路，協(xié)議多為RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，也有部分糧情檢測(cè)系統(tǒng)的通信鏈路采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)等形式進(jìn)行檢測(cè)主機(jī)和檢測(cè)分機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，但其通信協(xié)議仍為RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。

2015年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家糧食局、財(cái)政部發(fā)布實(shí)施了《糧食收儲(chǔ)供應(yīng)安全保障工程建設(shè)規(guī)劃》[6]（簡(jiǎn)稱“糧安工程”），主要內(nèi)容包括“建設(shè)糧油倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施、打通糧食物流通道、完善應(yīng)急供應(yīng)體系、保障糧油質(zhì)量安全、強(qiáng)化糧情監(jiān)測(cè)預(yù)警、促進(jìn)糧食節(jié)約減損”等。其中重要的建設(shè)內(nèi)容是糧庫(kù)智能化升級(jí)改造，主要是以TCP/IP以太網(wǎng)為基礎(chǔ)建設(shè)相應(yīng)的軟硬件信息系統(tǒng)。隨著TCP/IP以太網(wǎng)在糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)的建設(shè)[7]，原有的以總線形式為主要傳輸載體的糧情檢測(cè)系統(tǒng)已不能適應(yīng)糧庫(kù)信息化的發(fā)展需要。因此，需要進(jìn)行糧情檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化改造，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的更快速、更穩(wěn)定、更開放的糧情檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

1 基于總線的糧情檢測(cè)系統(tǒng)

常規(guī)的糧情檢測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)糧倉(cāng)空間溫度、濕度和糧堆內(nèi)部的溫度進(jìn)行感知檢測(cè)的系統(tǒng)。主要構(gòu)成包括了檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)、檢測(cè)分機(jī)、傳輸介質(zhì)、測(cè)溫電纜、溫度傳感器等，其中溫度傳感器安裝在測(cè)溫電纜內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 糧情檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

糧情檢測(cè)系統(tǒng)通過部署溫濕度傳感器完成溫濕度的自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，并以曲線、層次等多種形式展示檢測(cè)的結(jié)果[5，8]。使用時(shí)，糧庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)保管工作人員操作檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)，下傳檢測(cè)指令給檢測(cè)分機(jī)，檢測(cè)分機(jī)經(jīng)過對(duì)命令的判斷后，按照指令要求執(zhí)行檢測(cè)操作。檢測(cè)分機(jī)向各測(cè)溫電纜及溫度傳感器發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，并接收傳感器返回的檢測(cè)信號(hào)，然后將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)后，回傳至檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)。檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化輸出。

采用的有線傳輸介質(zhì)一般是RS 485標(biāo)準(zhǔn)總線，RS 485也叫EIA 485，是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industries Alliance，EIA）的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，是一種半雙工通信，一般選用一對(duì)雙絞線作為傳輸線。在10 m的傳輸距離內(nèi)，RS 485的最高傳輸速率可達(dá)10 Mbps，隨著傳輸距離的增長(zhǎng)，傳輸速率下降，數(shù)據(jù)率在105 bit/s以下，傳輸距離可達(dá)1 200 m以上[9]。因此，在糧情檢測(cè)系統(tǒng)中，基于RS 485標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于傳輸小數(shù)據(jù)量的字符型和數(shù)值型數(shù)據(jù)。

采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸多是433 MHz頻段，一般適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的應(yīng)用場(chǎng)所。也有采用2.4 GHz頻段ZigBee無(wú)線協(xié)議作為傳輸載體的。無(wú)線模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，受周圍環(huán)境和氣象因素等影響較大。

2 網(wǎng)絡(luò)化糧情檢測(cè)系統(tǒng)改造

隨著我國(guó)糧食倉(cāng)儲(chǔ)智能化升級(jí)改造建設(shè)的深入開展，大多數(shù)糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)的信息化條件大為改善，新建設(shè)了智能出入庫(kù)系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)等多個(gè)軟硬件信息系統(tǒng)[10]。而糧情檢測(cè)系統(tǒng)作為較早在糧庫(kù)內(nèi)得到應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要適應(yīng)信息化升級(jí)改造，以便融入綜合管理系統(tǒng)，成為整個(gè)糧庫(kù)信息化的一部分。

2.1 綜合布線網(wǎng)絡(luò)改造

綜合布線改造是糧庫(kù)智能化的基礎(chǔ)，其目標(biāo)是構(gòu)建以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的糧庫(kù)區(qū)域網(wǎng)或局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了以光纖網(wǎng)絡(luò)為骨干，超五類或六類雙絞線為支撐，并輔助以WLAN的庫(kù)區(qū)范圍綜合布線體系。

就糧情檢測(cè)系統(tǒng)而言，其綜合布線要求主要是從倉(cāng)房外控制箱至檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)之間的傳輸介質(zhì)改造，一般由弱電管網(wǎng)、光纖線路敷設(shè)、光交箱、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備等構(gòu)成。由于糧食倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)倉(cāng)房和控制室之間距離較遠(yuǎn)，采用光纖傳輸是最適用的。常規(guī)采用的是單模光纖，考慮糧情檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和功能擴(kuò)展需要，一般至倉(cāng)房外控制箱應(yīng)滿足不少于4芯容量。弱電管網(wǎng)、光交箱是光纖敷設(shè)的載體，應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。光電轉(zhuǎn)換設(shè)備是實(shí)現(xiàn)將光纖通信轉(zhuǎn)換為RJ45雙絞線通信的設(shè)備，用于與檢測(cè)分機(jī)進(jìn)行連接通信?？刂剖乙话阄挥诮ㄖ飪?nèi)部，建筑物內(nèi)部的綜合布線采用光纖與雙絞線相結(jié)合的方式敷設(shè)，按照建筑物綜合布線規(guī)范進(jìn)行。

糧情檢測(cè)系統(tǒng)的綜合布線改造一般不單獨(dú)進(jìn)行，而是作為糧庫(kù)信息化的整體建設(shè)內(nèi)容統(tǒng)一考慮。因此，實(shí)際改造中可要求為糧情檢測(cè)系統(tǒng)分機(jī)提供4芯光纖接口或不低于100 Mbps的可擴(kuò)展雙絞線接口。

2.2 檢測(cè)主機(jī)及檢測(cè)分機(jī)改造

糧情檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)主機(jī)和檢測(cè)分機(jī)是適網(wǎng)化改造的關(guān)鍵。核心思路是將原有的RS 485接口轉(zhuǎn)換為RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議。接口轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備是串口服務(wù)器，其工作原理是把來(lái)自RS 485等類型的串口設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后，輸出至對(duì)應(yīng)的RJ 45接口類型TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，反之，也可以把來(lái)自TCP/IP網(wǎng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后輸出至RS 485串口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換兩端設(shè)備的透明的數(shù)據(jù)交換[11]。加入串口服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造后，檢測(cè)主機(jī)和檢測(cè)分機(jī)之間的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后檢測(cè)主機(jī)和分機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)化改造必須在檢測(cè)主機(jī)和檢測(cè)分機(jī)兩端一并進(jìn)行，對(duì)于糧情檢測(cè)系統(tǒng)改造而言，串口服務(wù)器需要在檢測(cè)主機(jī)和檢測(cè)分機(jī)之間成對(duì)使用，才能保證數(shù)據(jù)正常傳輸。

2.3 軟件系統(tǒng)改造

硬件改造完成后，糧情檢測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)修改，將原有的RS 485串口通信修改為TCP/IP協(xié)議的Socket套接字編程[12-13]。但糧情檢測(cè)系統(tǒng)本身的應(yīng)用層協(xié)議不需要修改，如采用的是《糧油儲(chǔ)藏 糧情測(cè)控系統(tǒng) 第4部分：信息交換接口協(xié)議》（GB/T 26882.4—2011）標(biāo)準(zhǔn)，則檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)讀取糧堆溫度的協(xié)議指令仍為如表1所示格式。由此，保持了糧情檢測(cè)數(shù)據(jù)信息交換的協(xié)議一致性。

表1 檢測(cè)主機(jī)上位機(jī)讀取糧堆溫度指令格式

2.4 應(yīng)用實(shí)例

陜西省某糧食儲(chǔ)備庫(kù)是國(guó)家、省、市糧食儲(chǔ)備庫(kù)，擁有庫(kù)房近30棟，糧情檢測(cè)系統(tǒng)覆蓋了所有倉(cāng)房，均為RS 485通信。2018年該儲(chǔ)備庫(kù)進(jìn)行了倉(cāng)儲(chǔ)智能化升級(jí)改造，建設(shè)了覆蓋庫(kù)區(qū)的綜合布線系統(tǒng)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。庫(kù)區(qū)骨干光纖網(wǎng)絡(luò)為96芯，每個(gè)倉(cāng)房均實(shí)現(xiàn)了8芯單模光纖接入，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為RJ45接口，糧情檢測(cè)系統(tǒng)分機(jī)處安裝MOXA NPORT5232串口服務(wù)器，接入綜合布線網(wǎng)絡(luò)，機(jī)房測(cè)控主機(jī)處布設(shè)對(duì)應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)適網(wǎng)化改造。除糧情檢測(cè)系統(tǒng)外，倉(cāng)房綜合布線還為蟲情檢測(cè)、智能通風(fēng)、氮?dú)鈿庹{(diào)、移動(dòng)值倉(cāng)等系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信，改造后糧情檢測(cè)系統(tǒng)原有應(yīng)用得到保留，對(duì)主機(jī)通信完全透明，數(shù)據(jù)傳輸速率得到提升，穩(wěn)定性顯著優(yōu)于原有RS 485通信，并且擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，接入了庫(kù)區(qū)綜合門戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

3 結(jié) 論

基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是當(dāng)今各項(xiàng)信息技術(shù)應(yīng)用的根本保障，傳統(tǒng)糧情檢測(cè)系統(tǒng)通過適網(wǎng)化改造，可快速融入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，從而獲得更可靠、速度更快的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，能夠更好地接入糧庫(kù)智能化統(tǒng)一身份認(rèn)證和綜合門戶中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島。