基于物聯(lián)網(wǎng)技術的糧食儲存智能管理系統(tǒng)設計

Design of an Intelligent Management System for Food Storage Based on the Internet of Things Technology

KOU Min （ShanxiLight IndustryDesign InstituteCo.，Ltd.，Taiyuan O3oooo，China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， the internet of things technology is increasingly widelyused in the field offood storage.This paper elaborates the designof intelligent food storage management system based on internet of things technology.Through in-depth analysis of system architecture，system security，function modulesand other aspects，itshows how the system canachieve acurate monitoringandintelligent regulation offood storage environment， improve food storage security and quality，reduce losses，and provide strong support for the modern development of food industry.

Keywords： internet of things technology; food storage; intelligent management system

糧食作為人類生存的根本物質保障，其儲存質量直接影響到國家糧食安全以及人們的生活質量。傳統(tǒng)糧食儲存方式主要依靠人工巡檢與經(jīng)驗判斷，存在效率低下、準確性欠佳、無法實時監(jiān)測等問題。物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，為糧食儲存管理帶來了全新的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術借助傳感器、通信網(wǎng)絡和智能處理技術，能夠實現(xiàn)對糧食儲存環(huán)境的全面感知、實時傳輸和智能控制，有力提升糧食儲存的智能化水準。

1糧食儲存現(xiàn)狀與需求分析

1.1糧食儲存規(guī)模與意義

截至2023年，根據(jù)國家糧食和物資儲備局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國各類糧食倉儲企業(yè)所儲存的糧食總量高達6.5億t。這一龐大的糧食儲備量，對于國家應對糧食供應的波動、確保民生穩(wěn)定具有至關重要的作用。在緊急特殊時刻，若部分地區(qū)物流運輸受阻，糧食供應面臨巨大壓力，那么充足的儲備糧通過有序調配，就能夠有效保障居民的糧食需求，維護市場的穩(wěn)定。這充分彰顯了糧食儲存的重要性，同時也凸顯了對糧食進行有效管理的迫切需求。

1.2傳統(tǒng)糧食儲存面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1 復雜環(huán)境因素對糧食質量的影響

糧食儲存環(huán)境復雜多變，溫度、濕度、氧氣含量等多種因素均會對糧食質量產(chǎn)生影響。相關研究表明，當儲存環(huán)境的濕度超過 70% ，溫度高于 時，霉菌的滋生速度會明顯加快。以小麥儲存為例，在高溫高濕的環(huán)境下，黃曲霉等會大量繁殖，這不僅會降低小麥的品質，其產(chǎn)生的黃曲霉毒素還會對人體健康造成嚴重危害。據(jù)權威機構統(tǒng)計，在不符合標準的儲存環(huán)境下，小麥每年因霉變導致的損耗量在 5%～8% 。對于稻谷而言，在濕度為 80% 、溫度為 35^°C 的環(huán)境中儲存3個月后，其發(fā)芽率會從初始的 95% 降為 70% 以下，嚴重影響稻谷的后續(xù)使用。

傳統(tǒng)儲糧方式主要依賴于人工管理和經(jīng)驗判斷，缺乏科學化、系統(tǒng)化的管理手段。例如，糧倉內的溫濕度監(jiān)測通常依靠人工手持設備定期進行測量，無法實現(xiàn)實時、連續(xù)的監(jiān)測，導致環(huán)境變化難以被及時發(fā)現(xiàn)和處理。此外，傳統(tǒng)方式下，糧堆內部的溫度、濕度分布不均問題難以得到有效解決，容易引發(fā)局部霉變或蟲害。人工巡檢的效率低下，且主觀性強，難以全面掌握糧倉內環(huán)境的變化情況，往往只有在危害嚴重時才能被發(fā)現(xiàn)，從而造成不可逆的糧食損耗。這些問題嚴重制約了糧食儲存的安全性和質量保障能力。

1.2.2 人工巡檢方式的局限性

傳統(tǒng)的人工巡檢方式難以對大面積糧倉進行實時、精準的監(jiān)測。在一個占地面積達5萬 m² ，擁有50個大型糧倉的糧庫中，人工巡檢1遍需要耗費 2～ 3d 此外，人工判斷的主觀性較強，在巡檢過程中，難以察覺糧堆內部細微的溫度變化和蟲害初期的跡象，往往在危害嚴重后才被發(fā)現(xiàn)，導致?lián)p失難以挽回。同時，大型儲糧設施可儲存的糧食糧堆體積較大，導致中間部位的溫度變化難以通過外部巡檢發(fā)現(xiàn)。此外，人工巡檢無法實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，無法對糧食質量進行抽樣檢驗，難以全面掌握糧食的儲存狀態(tài)。這些問題都嚴重影響了糧食儲存的安全性和質量。

2物聯(lián)網(wǎng)技術概述

2.1傳感器技術

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層，負責采集糧食儲存環(huán)境中的各種參數(shù)。在糧食儲存中，常用的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器以及二氧化碳傳感器等。例如，DHT11溫度濕度傳感器的測量為 0～50^°C ，精度可達 ，濕度測量在 20%～90%R H，精度可達 ±5% RH，能夠滿足糧食儲存環(huán)境溫濕度監(jiān)測的基本需求[1]。氧氣傳感器如MG-811，可檢測氧氣濃度在 精度為 ±1%vol ，可為系統(tǒng)提供準確的氧氣濃度數(shù)據(jù)，有助于控制糧倉內的氧氣含量，從而調節(jié)糧食呼吸作用和抑制害蟲滋生。新型的二氧化碳傳感器能夠精準測量濃度在 0～5000mL?m^-3 的二氧化碳，精度可達 ，可為監(jiān)測糧食呼吸強度和倉內氣體環(huán)境提供關鍵數(shù)據(jù)[2]。

2.2 通信技術

通信技術在糧食儲存智能管理系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)的傳輸。在糧倉內部，ZigBee技術憑借其低功耗、自組網(wǎng)的特性，成為短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。例如，在一個包含20個糧倉的小型糧庫中，采用ZigBee技術構建的網(wǎng)絡可穩(wěn)定地將各個糧倉內傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點，相較于傳統(tǒng)有線傳輸，功耗降低約 80%^13] 。而對于遠程數(shù)據(jù)傳輸，4G技術在其中發(fā)揮著重要作用。管理人員即便身處異地，通過手機或電腦連接4G網(wǎng)絡，就能實時獲取糧庫內的各項數(shù)據(jù)。此外，隨著5G技術的逐漸普及，其高速率、低時延的特點將進一步提升數(shù)據(jù)的傳輸效率，為糧食儲存智能化管理帶來更多可能，如實現(xiàn)高清視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的快速傳輸，更直觀地監(jiān)測糧倉內部情況。

2.3 數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)處理技術是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)之一。在糧食儲存領域，數(shù)據(jù)層采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)。以一個擁有100個糧倉的糧庫為例，假設每個糧倉每天產(chǎn)生1000條數(shù)據(jù)記錄，每條記錄平均大小為100字節(jié)，那么每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為100MB ，1年的數(shù)據(jù)量約為36.5GB，需根據(jù)此數(shù)據(jù)量選擇合適的存儲設備[4]。同時，利用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術，能從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息。通過對歷史溫濕度數(shù)據(jù)與糧食損耗的關聯(lián)分析，可建立預測模型，預警潛在風險。例如，當連續(xù)一周溫濕度同時超出適宜范圍時，糧食霉變風險大幅增加，系統(tǒng)可據(jù)此提前發(fā)出警告，提醒管理人員采取預防措施。

3糧食儲存智能管理系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)架構設計

全新的系統(tǒng)架構設計從硬件部署與軟件功能協(xié)同的角度出發(fā)。硬件層面，在糧倉內部構建分布式感知網(wǎng)絡。除了在糧堆不同高度、不同位置部署各類傳感器，還在倉壁、通風口等關鍵位置安裝特定傳感器。例如，在倉壁安裝壓力傳感器，用于監(jiān)測糧倉結構因糧食堆積產(chǎn)生的壓力變化，預防結構安全隱患；在通風口安裝風速傳感器，精準掌握通風情況，確保通風系統(tǒng)運行正常。在糧倉外部，配備邊緣計算設備，其具備強大的數(shù)據(jù)預處理能力，可對傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進行初步篩選、整合與分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，提升數(shù)據(jù)處理效率[5]。軟件層面，采用微服務架構，將系統(tǒng)功能拆分為多個獨立的服務模塊，如數(shù)據(jù)采集服務、數(shù)據(jù)存儲服務、設備控制服務以及用戶交互服務等。各服務模塊可獨立開發(fā)、部署與升級，增強系統(tǒng)的靈活性與可擴展性。數(shù)據(jù)采集服務負責與感知層傳感器通信，實時獲取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲服務對接MySQL數(shù)據(jù)庫，保障數(shù)據(jù)持久化存儲；設備控制服務根據(jù)預設規(guī)則與數(shù)據(jù)分析結果，控制智能調控設備運行；用戶交互服務為管理人員打造便捷、直觀的操作界面。這種軟硬結合的架構設計，有助于提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與智能化水平，便于系統(tǒng)的推廣應用。

3.2 系統(tǒng)安全設計

系統(tǒng)安全對于糧食儲存智能管理至關重要。在網(wǎng)絡安全方面，采用防火墻技術，阻擋外部非法網(wǎng)絡訪問，防止數(shù)據(jù)泄露和惡意攻擊。例如，設置防火墻規(guī)則，僅允許特定IP地址段的設備訪問系統(tǒng)，有效保護系統(tǒng)網(wǎng)絡安全。同時，對數(shù)據(jù)進行加密傳輸，采用SSL/TLS加密協(xié)議，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。在數(shù)據(jù)存儲安全上，定期對MySQL數(shù)據(jù)庫進行備份，將備份數(shù)據(jù)存儲在異地服務器，防止本地設備故障導致數(shù)據(jù)丟失。此外，對用戶權限進行嚴格管理，不同級別的管理人員擁有不同的操作權限，如普通工作人員僅能查看數(shù)據(jù)，而高級管理人員可進行參數(shù)設置和設備控制等操作，保障系統(tǒng)操作的安全性[]。

3.3 系統(tǒng)功能模塊設計

3.3.1 環(huán)境監(jiān)測模塊

該模塊通過傳感器實時采集糧倉內的溫度、濕度、氧氣含量以及二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)，并在應用層界面以圖表形式展示，如表1。通過折線圖實時展示一周內糧倉的溫度變化情況，當溫度超過設定的安全閾值（如 25^°C ）時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信息，提醒管理人員采取相應措施。

3.3.2 智能調控模塊

當監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)異常時，系統(tǒng)自動啟動智能調控設備。例如，當濕度高于 65% RH時，系統(tǒng)自動開啟通風設備進行除濕；當氧氣含量高于 18%vol 時，啟動氮氣充注設備，降低氧氣含量，抑制糧食呼吸作用，延長糧食儲存周期。在實際應用中，智能調控模塊能夠根據(jù)不同糧食種類的特性，制訂個性化的調控策略。例如，對于對濕度較為敏感的大米，當濕度達到 60% RH時，系統(tǒng)將自動啟動除濕設備，確保大米儲存環(huán)境的適宜性。

3.3.3 蟲害預警模塊

利用蟲害監(jiān)測傳感器和圖像識別技術，實時監(jiān)測糧倉內蟲害情況。一旦發(fā)現(xiàn)蟲害跡象，系統(tǒng)立即發(fā)出預警，并根據(jù)蟲害種類和嚴重程度，提供相應的防治建議。例如，中儲糧某直屬庫在使用該系統(tǒng)后，通過蟲害預警模塊及時發(fā)現(xiàn)了玉米蟲害現(xiàn)象，提前采取了熏蒸防治措施，避免了糧食大面積受損，相比以往減少了約 8% 的糧食損耗。通過設計蟲害預警模塊，可在蟲害初期就進行精準定位和處理，有效遏制蟲害蔓延，從而保障糧食儲存安全。

3.3.4糧食質量追溯模塊

該模塊利用射頻識別（Radio FrequencyIdentification，RFID）技術，為每一批次糧食賦予唯一的身份標識從糧食入庫開始，記錄糧食的產(chǎn)地、品種、質量等級、人庫時間等信息。在儲存過程中，將環(huán)境參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)等與糧食身份標識關聯(lián)。當需要追溯糧食質量時，通過掃描RFID標簽，即可獲取該批次糧食從入庫到出庫的全流程信息。例如，在市場上發(fā)現(xiàn)某批次大米存在質量問題時，通過追溯系統(tǒng)可快速定位到該批次大米所在糧倉，查詢儲存期間的環(huán)境數(shù)據(jù)和檢測報告，明確問題產(chǎn)生環(huán)節(jié)，為質量問題的處理提供依據(jù)。糧食質量追瀕模塊為保障糧食質量安全提供了有力手段，增強了消費者對糧食產(chǎn)品的信任[]。

4系統(tǒng)應用案例與成效

4.1中儲糧許昌直屬庫應用案例

中儲糧許昌直屬庫在2020年引入基于物聯(lián)網(wǎng)技術的糧食儲存智能管理系統(tǒng)。該直屬庫擁有50個大型糧倉，儲存糧食總量達10萬t，涵蓋小麥、玉米等多種糧食品類。系統(tǒng)投入使用后，環(huán)境監(jiān)測模塊發(fā)揮了關鍵作用。通過將傳感器分布在各個糧倉內，能夠實時精準掌握糧倉的環(huán)境變化。例如，在2021年夏季高溫時段，氣溫持續(xù)攀升，部分糧倉溫度接近 35°C ，濕度也超過 70% RH。在此儲存條件下，智能調控模塊迅速響應，自動開啟通風設備和空調系統(tǒng)進行降溫除濕。經(jīng)過一周的精準調控，糧倉溫度穩(wěn)定在 25^°C 左右，濕度維持在 60% RH。通過此次智能調控，成功避免了高溫高濕導致的糧食霉變，相比以往同期減少糧食損耗約 500t 按照當時小麥市場價格每噸4000元計算，直接經(jīng)濟效益超過200萬元。同時，蟲害預警模塊也成效顯著，通過蟲害監(jiān)測傳感器和圖像識別技術，提前發(fā)現(xiàn)并處理了3次玉米象蟲害隱患。在蟲害初期，系統(tǒng)發(fā)出預警，工作人員及時采取熏蒸防治措施，有效遏制了蟲害蔓延，保障了糧食儲存安全[8]。該直屬庫通過應用該系統(tǒng)，不僅提高了糧食儲存的安全性和質量，還實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟效益。

4.2河北石家莊地方糧庫應用成效

河北石家莊地方糧庫在應用該系統(tǒng)后，實現(xiàn)了管理模式的重大轉變。以往人工巡檢需要10名工作人員，每天花費大量時間在各個糧倉間巡視，耗費大量人力物力且效率低下。引入智能管理系統(tǒng)后，僅需2～3名工作人員負責監(jiān)控系統(tǒng)和設備維護。以每月工作22d計算，人工巡檢時，10名工作人員每月工作時長總計 220d ，而引人系統(tǒng)后， 2～3 名工作人員每月累積工作時長僅為 44～66d ，人力成本大幅降低。同時，通過精準的環(huán)境控制和蟲害預警，糧食儲存損耗率顯著下降。在應用系統(tǒng)前，糧食儲存損耗率為 8%～10% ，應用后，損耗率降低為3%～5% 。例如，該糧庫儲存有5萬t稻谷，在系統(tǒng)應用前，每年因損耗損失稻谷 4000～5000t ，應用系統(tǒng)后，每年損耗稻谷僅 1500～2500t_? 該地方糧庫通過應用系統(tǒng)，在降低成本的同時，提升了糧食儲存的整體效益，實現(xiàn)了糧食儲存管理的高效化和智能化[9]

5結語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的糧食儲存智能管理系統(tǒng)通過對糧食儲存環(huán)境的實時監(jiān)測與智能調控，有效提高了糧食儲存的安全性和質量，降低了損耗。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和完善，該系統(tǒng)將在糧食行業(yè)得到更廣泛的應用，為保障國家糧食安全發(fā)揮重要作用。在未來的研究中，可進一步探索如何優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，拓展系統(tǒng)功能，如實現(xiàn)糧食質量追溯等，以推動糧食儲存管理向更高水平發(fā)展。

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