物联网技术在粮仓监控系统中的应用

摘要：通过物联网技术手段突破时空、地域、人力因素对粮仓实施实时监控的限制，其中粮仓监控系统主要完成对粮食温度、湿度、气体浓度、虫害、水分等参数的采集、存储和向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功能。为了取得良好的经济效益和社会效益，利用现代网络技术（3G网络、无线传感网络、移动网络、局域网）、传感技术、无线射频辨识技术、数据库技术、移动计算技术等构建互联网络平台，做到对粮仓储备过程进行实时监控，进而能够及时控制粮仓的温度和湿度，同时提高抵御灾害能力、保持粮食品质，延长储存时间、增加粮食安全的系数。

关键词：物联网；粮仓；监控系统

中图分类号：TP393.4；F762.1；F760.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）20-4645-06

中国以占世界不到10%的耕地养活了占世界22%的人口，所以中国粮食储备问题倍受世界关注[1]。粮食作为国家重要的战略储备物资，在维护粮食市场和社会稳定、保护农民利益、确保国家安全中承担了重要责任。中国政府一直把粮食储备管理作为一项重要的经济工作来抓，通过多年的建设，特别是近几年的努力，已经建成具有中国特色、与市场经济体制相适应、架构基本完备的新型政府粮食储备体系[2]。目前中国粮食储备系统大致分为三级：中央政府掌握的国库粮食储备、地方政府（省、地、县）的粮食储备和农户自有粮食储备（即民间储粮）[3]。从中国目前粮食储备现状来看，国家极为重视国库粮食储备，为此投入了大量人力、物力；粮食储备仓储设施条件大为改善，储备粮基本上保存在现代化的仓库里，储备粮的数量、质量逐步得到了可靠的技术保障[4-6]。虽然在一些大的部级储备粮库中使用了先进、自动化水平很高的粮食仓储系统，取得了很好的成绩，但也存在着许多不容忽视的问题，如传统的粮仓监控系统还存在很多与现代化储备粮库不相适应的弊端，监测数据不准确、监测系统抗干扰性差、监测管理人员劳动强度大、监测队伍在减少、人员素质急待提高等[7-10]；此外，粮食安全信息化技术亟待深入，基于物联网（Internet of things）的“数字粮库技术”需求很大，依靠新的物联网技术确保粮食安全已是大势所趋[11-16]。现在的粮库智能仓储管理等物联网技术可实现粮食储备的高效监管，提高粮食作业的自动化和信息化水平[17-20]，这对于国家粮食储备的安全与效率、提高粮食品质、稳定国家粮食保障与供给具有重大的战略意义。

1 物联网技术及在粮食仓储领域中的应用简述

1.1 物联网的含义、层次与特点

物联网通俗地讲就是“物物相连的互联网”，是利用现代网络技术（3G网络、无线传感网络、移动网络、局域网）、传感技术、无线射频辨识技术、数据库技术、移动计算技术等构建互联网络平台，将各种信息传感设备通过此平台把物品与物品之间结合起来而形成的一个巨大的网络。这其中包含2个意思，一是物联网是互联网的延伸和扩展，其核心与基础仍然是互联网；二是其用户端不仅仅是个人，还包罗万象各类物品[7，21]。

整个物联网可以划分为3个基本的层次：感知层、传输层与接收控制层。感知层主要使用信息传感设备对物品性状及变化进行动态的感知，并通过无线射频技术等对感知状况进行收集；传输层是通过互联网技术将所感知的数据经微处理器处理后实现远距离传输；接收控制层即用户端，通过信息技术处理实现对物体感知结果的可视化，并实现对感知物体及条件的控制[9，17]。

相对原有互联网下的信息系统，物联网有如下的特点：首先是主动感知，传统的信息系统只是对物体的信息进行记载，而物联网则可以实现对物体的主动感知；其次，物联网的信息更有针对性，物物相联，可以实现对每一物品的及时了解与掌握；再次，具有动态性自动调节功能，物联网是对物体的动态感知，并且当感知到的情况超过预定限值时，会自动做出反应[6，11]。

1.2 物联网在粮食仓储领域中的应用及影响

随着物联网技术的发展与成熟，其在粮食仓储领域中的应用已经成为现实。物联网技术应用于粮食仓储领域是通过感应器对在储粮食进行感知的，并实现各储粮仓库及储粮点的相连，从而动态掌握在储粮食的基本性状与变化，进而做出相应的管理控制[9，22，23]。

物联网的应用可以有效提高粮食的仓储保管水平。首先，通过感知可以对粮食的质量做到动态的监控并实现粮食保管条件的自动调节，如感知粮库的温度、湿度状况，粮食的霉变程度等，并通过相应的自动调节系统实现仓储条件的相应调节；其次，可以对在储粮食的数量实现动态的感知，在粮库地面设置感应秤就可以感知到粮仓内粮食数量的变化，为合理地控制库存创造条件；再次，可以提高粮食仓储安全系数，通过物联网红外感应等技术手段感知人员的进出及虫鼠等生物的入侵情况，从而实现粮库的安全管理[24-28]。总之，物联网的应用将使整个仓库实现可视化，在最大程度上提高保管质量、实现仓储安全，并能实现仓储条件的自动调节，提高仓储作业的管理效率。

2 物联网技术在粮仓监控预警系统中的应用实例

“数字粮库技术”物联网智能粮仓监控预警系统是一个很大的自动控制网络体系，它可以控制地理位置不同的多个粮仓，利用传感器在空间上分布的无线自治网络，在传感器各个节点配置传感器感知储存的粮食在整个过程中影响其品质的环境因子变化，并且控制节点配有执行器件，可以控制执行器件改善粮食存储的环境；同时利用安插在每个粮仓中近距离的无线射频辨识器，增强抗干扰性，使信号非常准确[11-17]。下面以吉林省梅河口市双兴乡粮食储备库与加工厂为例，谈谈物联网技术在粮仓监控预警系统中的实际应用。

2.1 粮仓监控预警系统的功能与特点

粮食在存储期间，由于环境、气候和通风条件等因素的变化，粮仓内的温度或湿度会发生动态变化，这极易造成粮食的腐烂或产生动物为害。同时粮仓中粮食储存质量还受到粮仓中气体、微生物以及虫害等因素的影响。针对粮食存储的特殊性，粮仓监控预警系统一般以粮仓和粮食的温度与湿度为主要检测参数，以粮仓内气体成分含量为辅助参数[29]。

粮仓监控预警系统主要完成对存储粮食的温度、湿度和气体浓度等参数进行采集、存储和向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功能。在传统的粮仓监控预警系统中，粮仓与监控中心大多采用RS-485等有线连接的数据通信方式，连线繁多、远程通信困难；当一个节点出现问题时就可能影响整个系统的顺畅，不利于粮仓的监控与管理。现在，可通过无线网卡传输信息把粮食管理部门所属企业全部联通起来，各企业内部通过无线数传模块把其所有通过各种传感器得到的数据采集回来，及时集中上报粮食管理部门就可实现随时监控[22，23]。

粮仓监控预警系统具有以下特点：可以使粮食管理部门随时了解各个粮仓的粮食储存情况，使粮食的测温等工作不受时间、天气的限制；减少工作人员的入仓检查次数，避免无谓的工作量，尤其是在熏蒸等过后的很长一段时间内，杜绝了工作人员现场中毒的几率，解放了生产力，减轻了工作人员的劳动强度，也降低了人工费用；而且布线短、节点少、不易受干扰，线路也比较稳定，熏蒸损坏也很轻微，特别是粮食进出仓时测温网络不易被破坏，大大降低了平时的维护费用。粮仓监控预警系统的应用改善了储粮条件，对降低粮食储藏损失、保障粮食安全、增加农民收入、促进社会主义新农村建设起到了重要作用；为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径[30]。

2.2 粮仓监控预警系统主要工作

粮仓监控预警系统主要工作范畴是对应于具体的一个粮库，定制出该粮库的检测软件，用户使用简单操作即可进行粮库布局设计；验证用户身份，不同用户具有不同的操作权限；测温、测湿、测虫的粮情实时检测；通风、熏蒸的粮情实时控制；以模拟三维立体方式显示粮情，对仓房温度分层、分列显示；以表格、曲线的形式打印输出，每天的粮情数据自动存档，以备历史查询；Web粮情查询分析服务，为粮食管理部门提供远程的粮情数据察看、粮情报表打印、粮情温度曲线察看等安全快速高效的互联网远程服务；为粮库工作人员提供储粮害虫防治信息资源库，以备查询和学习；温度、湿度的报警，测控系统故障报警等[31-34]。

2.3 实施环境

在吉林省梅河口市双兴乡粮食储备库内安插多个传感器节点，分别是测试粮食温度传感器、仓库温度传感器、反映粮食水分的湿度传感器、粮仓内空气相对湿度传感器、虫害预警系统、CO2浓度测试的光照传感器等，各个控制节点相互配合，共同为粮食提供适宜的储存环境，形成基于精准监控的粮食智能控制系统，其智能控制系统模块架构如图1所示。

2.4 搭建无线网络平台

无线传感器网络是此监控系统的关键环节之一，主要采用分布式结构，无线传感器节点经多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、分类、处理，再把传感信息送到用户使用[35]。研究和开发有效的、实用性强的无线传感器网络结构是构建无线传感器网络的技术基础。物联网粮仓智能控制系统主体结构为蜂窝型，应用传感器与执行器件构成闭环控制系统。传感器节点配有传感器触头感知粮仓内的环境指标值，控制节点配有执行器件控制调节粮仓内的环境因子；传感器节点与控制节点相互配合，共同为在储粮食提供适宜的储存环境。

2.5 网关的构建

无限传感器网络由协调器、路由器、若干个数据采集节点和1个控制节点组成，由协调器组建整个传感器网络，并建立数据传输通道。

2.6 建立粮仓储存环境的基础数据库

后台数据库通过SQL Server 2008提供一个可信的、高效率智能数据平台，进行数据挖掘，形成知识库；在粮仓环境因子的基础数据库建立及数据模糊查询方面，基于神经网络架构下组建远程智能监控系统[12，36]。数据库内容主要是环境因子的历史记录，同时包括监测点位置、监控范围、监测模式、操作员信息等基本数据。利用这些数据可以非常方便地进行科学合理的分析与处理。

2.7 视频监控系统的构建

视频监控系统由计算机、还原处理器、共缆控制器、数据集散器、信号监测器等组成。根据无线传感网络收集的信息，用户使用PC机不仅可以看到实时传递监控的画面，而且可以实时观察储存的环境因子变化[29]，同时通过远程控制粮仓内部的执行器件（风扇、加湿器、加热器）来改变室内的部分环境因素；并且使用手机同样可以远程访问粮仓内部环境的各项数据指标、远程控制粮仓内部的执行器件。

2.8 数据采集

数据采集节点负责采集粮仓内部环境的各项数据指标（温度、湿度、光照度和虫害信息等），并将采集到的数据经路由器传输到协调器[12，37]。协调器与ARM嵌入式系统进行串口通讯，传递粮仓内部环境各项数据指标（温度、湿度、光照度、安防信息等）。路由器则保障每一个数据采集节点都有一条有效的数据传输路径，确保数据稳定传输。控制节点负责执行ARM嵌入式系统发送的命令，控制执行器件（风扇、加湿器、加热器）来调节环境的温度、湿度等，整个数据采集系统控制过程如图2所示。

3 国内外粮食储存物联技术发展现状

3.1 国外粮食储存物联技术发展情况

长期以来，世界主要粮食生产国和贸易国对粮食储备与流通一直给予了高度的重视，非常注重科技的投入。经过几十年的努力，现在欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等经济发达国家和地区都已先后完成了对传统粮食储藏与流通基础设施的技术改造，在粮库建设时一般根据不同的储运功能选择不同的仓型，配套了具有高度机械化、自动化的干燥、清理、输送、通风、熏蒸、谷冷等粮食仓储与物流设备，各主要环节基本实现了计算机自动控制数据采集和智能控制管理。粮食储存设施先进齐全，设备标准化、专用化、系列化程度相当高。已建立起了规划科学、仓型合理、技术完善、设备配套、调运流畅、自动化水平高的集约化的现代储运系统[38-40]，显著增强了在国际市场的竞争力。

3.2 中国粮食储存物联技术的应用情况

中国近来年主要是大力推广国家粮食储存重点工程——国储粮库项目，该项目是国内最先进、自动化水平最高的粮食仓储项目，在国际上也处于领先地位。其中黑龙江老莱国家粮食储备库的自动监控系统是最典型的应用实例，该系统采用力控2.0组态软件，集显示、控制、操作于一体，实现了自动粮情监测、粮食测温通风与冷却自动化、仓容管理系统的自动化；可根据生产需要，选择三种方式启动其工艺流程，分别是现场手动控制、计算机手动控制、顺序自动控制；能自动检测设备的状态信息，自动监测生产线的作业流程，动态显示流程画面；具有故障实时报警联锁功能，并记录其发生时间、设备名称等有关数据。该系统操作方便、运行可靠，监控程序功能完善、综合性强、人机界面友好、实用性强，受到了粮库的肯定。

2010年，无锡粮食科技物流中心采用最新的物联网技术建设感知物流系统。从粮食安全监管角度来说，建成感知物流系统的管理信息集成平台后，可在第一时间内发现质量问题，增加监管的覆盖面，可将销售企业自律、物流中心自管和粮油质检部门监管有机结合，为实现全产业链食品安全追溯奠定了基础。

在经过近一年多的规划、设计、测试和试运行后，2011年11月17日，深圳市深粮集团粮食储备库首个无线射频技术粮食仓储物流系统正式上线运行，实现了对现有仓储管理流程的全程记录、跟踪监控、即时读取等功能，顺利完成一期工程。目前项目一期工程实现了试点仓库共1万t粮食进出库管理的自动化、信息化处理；项目采用无线射频技术，通过电子标签标识粮仓堆头和托盘标识粮食的验收入库、粮食保管、粮情跟踪、销售出库等环节信息，通过无线读写设备等终端，实时了解粮食出入库数量和质量的变化，实现了仓库的自动化管理。项目二期工程还将以物联网技术为核心，在统一平台、强化物流控制、数据集中管理的基础上，在粮食采购、粮食加工、粮食运输、粮食仓储、粮食销售、粮食配送环节等流程提升集中管控能力，实现粮食从田间到餐桌的质量全程跟踪，从而全面保障粮食安全。

3.3 存在的主要问题

近几年虽然在一些大的部级储备粮库中使用了自动化水平很高的粮食仓储系统，取得了很大的成绩，但也存在着许多不可否认的问题。

首先是推广力度仍不够，在一些大的部级储备粮库中，相当一部分还在使用传统的粮仓监控系统，这些系统存在很多弊端，第一是大多数粮仓采用的还是人为控制方式，毕竟人工的监测能力是有限的，监测的数据准确度也差，每年都会造成巨大的损失。第二是粮仓与监控中心大多采用RS-485等有线连接的数据通信方式，系统抗干扰性差、连线复杂、可扩展性差；若一个节点出现故障会影响到整个系统，不利于粮仓的监控与管理。第三是由于大气环境因素复杂多变，加之储存粮食的设备材料各异，使储存粮食的温度、湿度、气体浓度、虫害等参数起伏很大，这给监测也带来了一定的难度。第四是由于现在粮食储备管理人员的队伍在逐渐缩小，人员素质急需提高，缺乏足够的懂行人才对粮仓监测的各个环节进行全面有效的管理。

其次是由于地域不同、每年气候多变、人口分布不均等因素的影响，各地的地方储备粮仓占有一定的比例，而这些地方粮仓由于占地面积和资金等方面的原因，其自动化管理与控制水平还远远落后，不能使用价格比较昂贵的智能设备，因此造成系统不能面向所有粮仓的现实，不能充分发挥它的使用价值。

再就是传统的粮仓与先进的粮食仓储系统在匹配结合方面存在着许多不可预计的问题，如传统的粮仓构造与自动化仓储监控系统要求的现代化储备粮库结构不相适应，运行中出现的监测数据不准确、监测系统抗干扰性差、维护管理人员劳动强度大等问题时有发生，造成新技术在推广过程中调试工作量大、试运行周期拉长、维护成本加大等新问题不断涌现，在一定程度上影响了普及速度和应用效果。

4 建议

“数字粮库系统”能够大幅提升粮库管理的信息化水平，实现粮库业务管理系统、作业控制系统与粮库安防系统、粮情监控系统、熏蒸系统、通风系统、DCS系统等子系统的高度集成，不仅能够帮助粮食管理部门有效减少管理层次，降低管理成本，实现绿色低碳储粮，提高安全生产水平，还能够大幅提升管理效率[41]。

目前中国应用的粮食储备控制系统不是规模巨大就是规模单一，前者是工作量大，成本太高，采样周期长，这种控制系统对一些规模小、自负盈亏、没有国家补助的储备粮仓是无能力应用的，而后者从实际应用情况来看，推广的范围比较窄，已经不适应今后发展的需要[42]。我们建议，将物联网技术应用到粮仓控制可以考虑区域集成的方式，让多个县（市）或乡（镇）级的储备粮仓共享一个控制平台，这样能降低地方储备粮仓经费的投入，减少运行费用，并且提高了国家对远程控制粮仓的管理效率，部分克服了三级粮食储备系统远程控制信息实时性差、数据信息滞后、无法满足智能控制的难题。

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