糧食儲存品質(zhì)監測系統設計

0 引 言
我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)、儲藏及消費大國，糧食儲藏是國家為防備戰爭、災荒及其他突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此糧食的安全儲藏是關(guān)系到國計民生的戰略大事。糧食在貯藏過(guò)程中，會(huì )因為受溫度、濕度、氧氣、微生物及昆蟲(chóng)等因素的影響，從而造成其質(zhì)量的不良改變。對糧食貯藏過(guò)程中的影響參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、分析，是保障糧食儲存品質(zhì)的有效手段。在此，通過(guò)采用CAN總線(xiàn)的數據采集系統對影響糧食貯藏過(guò)程中的參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，當發(fā)現不良變化時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預警信息，保證糧食儲存的安全。

1 影響糧食儲存品質(zhì)的因素分析
影響糧食儲存品質(zhì)的因素很多，其中微生物污染因素影響最大。糧食在收獲、貯藏、加工等過(guò)程中極容易受到霉菌、細菌、酵母菌的污染，當條件適宜時(shí)，它們就能迅速地在糧食中生長(cháng)繁殖，并產(chǎn)生毒素，使糧食及其制品變質(zhì)。因此，在貯藏糧食時(shí)要采取防微生物污染的措施及控制微生物生長(cháng)繁殖的手段；其次在儲存糧食的過(guò)程中要注意溫度、濕度、氧氣的影響。在微生物生長(cháng)繁殖時(shí)需要適宜的溫度、濕度和氧氣(厭氧菌除外)，如果貯藏時(shí)濕度過(guò)大，溫度過(guò)高，氧氣充足，則污染的微生物就能迅速生長(cháng)繁殖，至使谷類(lèi)及其制品發(fā)霉或腐敗變質(zhì)。因此，糧食在貯藏時(shí)不僅要求其本身含水量要低(不超過(guò)15％)，而且貯藏環(huán)境亦應保持低溫、干燥、通風(fēng)良好。蟲(chóng)害也是影響糧食儲存品質(zhì)的一個(gè)重要因素，害蟲(chóng)在原糧及半成品中都能生長(cháng)，如當倉庫室溫在18～21℃以上、濕度在60％以上時(shí)，即適于蟲(chóng)卵孵化繁殖；當室溫在10℃以下時(shí)，害蟲(chóng)活動(dòng)能力會(huì )減弱。倉庫中主要有甲蟲(chóng)、螨類(lèi)、蛾類(lèi)等害蟲(chóng)，這些害蟲(chóng)不但損害大量糧食，而且會(huì )使糧食帶有不良氣味，減輕其重量，降低其品質(zhì)，也容易使糧堆發(fā)熱；當微生物進(jìn)一步作用就會(huì )使糧食霉爛變質(zhì)。

2 系統總體結構及其原理
在糧食儲藏期間，影響糧食發(fā)生不良變化的主要因素有溫度、濕度、CO2等。該系統通過(guò)高精度溫濕度、CO2傳感器得糧食的實(shí)時(shí)變化數據。這些因素在某種程度上也會(huì )造成糧食顏色、體積、紋理等的細微變化。這種變化利用肉眼很難分辨，通過(guò)一定算法對圖像進(jìn)行特征提取，得到具有不同特征的多傳感器信息。對這些具有不同特征的信息進(jìn)行分析，可以預測到糧食發(fā)生霉變或蟲(chóng)害的時(shí)間。系統采用CAN 總線(xiàn)控制方式，由數據采集服務(wù)器、CAN／USB轉換器和多個(gè)智能節點(diǎn)組成，節點(diǎn)的數量由倉庫里的糧庫數量決定。其結構原理圖如圖1所示。

CAN((Controller Area Network)總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)都可根據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權采用無(wú)損結構的逐位仲裁方式競爭向總線(xiàn)發(fā)送數據，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，取而代之對通信數據進(jìn)行編碼，使得CAN總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信實(shí)時(shí)性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。CAN總線(xiàn)的通信距離可達10 km，波特率可根據通信距離選擇，最高可達1 Mb／s。CAN總線(xiàn)還支持多主站結構，采用短數據幀、CRC校驗、錯誤鑒別、發(fā)送時(shí)監聽(tīng)和自動(dòng)關(guān)閉技術(shù)，保證數據穩定、可靠的傳輸。同時(shí)具有無(wú)損的沖突檢測鏈路協(xié)議、總線(xiàn)仲裁功能和故障節點(diǎn)自動(dòng)脫離技術(shù)，保證系統的可靠運行。

數據采集服務(wù)器主要完成監測網(wǎng)絡(luò )系統的參數設置、糧庫的狀態(tài)查詢(xún)、數據處理、糧情分析和報表打印等功能。同時(shí)，該服務(wù)器與Internet網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，各職能管理部門(mén)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)瀏覽數據信息，為管理部門(mén)的決策提供依據。
智能節點(diǎn)由微控制器、數據采集電路和CAN總線(xiàn)接口電路構成。智能節點(diǎn)不僅要實(shí)時(shí)監測糧庫內各個(gè)測試點(diǎn)的溫度、濕度、CO2、壓力和圖像信息，并保存和顯示結果。還要根據數據采集服務(wù)器的要求上傳數據。CAN／USB轉換器負責把數據采集服務(wù)器的數據，通過(guò)USB接口的輸出命令轉換成CAN總線(xiàn)數據格式后，下傳到CAN總線(xiàn)；或者將智能節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳的數據轉換成USB數據格式后，再送到數據采集服務(wù)器。

3 智能節點(diǎn)控制電路結構及原理
智能節點(diǎn)溫度、濕度、壓力、CO2控制電路采用單總線(xiàn)(1-Wire)數據通信方式。它采用單根信號線(xiàn)完成數據的雙向傳輸，具有節省I／O引腳資源、結構簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線(xiàn)擴展和維護。溫度檢測采用單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18820，它不僅能直接輸出串行數字信號，而且具有微型化、低功耗、高性能，易于微處理器連接和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。傳感器檢測到的濕度、壓力、CO2信號經(jīng)過(guò)調理電路處理后，可以通過(guò)單總線(xiàn)A／D轉換模塊(DS2450)輸出的串行數字信號與單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20輸出的串行數字信號使用同一線(xiàn)路連接，這樣可以大大簡(jiǎn)化布線(xiàn)的難度。
在圖像采集控制節點(diǎn)工作時(shí)，首先將彩色攝像機輸出的模擬視頻信號分兩路，分別送到視頻信號處理器SAA7111的模擬輸入端AI11和AI12，進(jìn)行模擬處理；然后經(jīng)A／D轉換，再進(jìn)行色度信號的處理和亮度信號處理，最后由視頻輸出端口VPO輸出數字圖像數據。圖像采集控制節點(diǎn)的核心控制部分由一片 FPGA芯片實(shí)現。FPGA的主要作用是實(shí)現三個(gè)邏輯功能塊，即地址發(fā)生器、握手邏輯和SRAM寫(xiě)時(shí)序。當微處理器發(fā)出采樣信號以后，由FPGA構成的采樣控制器即可在此后的第一個(gè)幀同步信號到來(lái)時(shí)開(kāi)始采樣，并將這幀數據存放在SRAM中；采樣結束后向微處理器發(fā)出采樣結束信號ECO。存貯于SRAM中的數據可以通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到數據采集服務(wù)器中，并存放在其硬盤(pán)以供進(jìn)一步的分析、處理和使用。智能節點(diǎn)控制電路結構如圖2所示。

4 應用系統設計
應用系統采用三層的體系結構，包括數據庫服務(wù)層、應用服務(wù)層和表現層。數據庫服務(wù)層采用大型關(guān)系型數據庫，主要實(shí)現數據存儲、流量控制、自動(dòng)備份等功能；應用服務(wù)層主要實(shí)現數據分析、專(zhuān)家推理、權限設置、日志管理等功能；表現層包括前臺應用界面和后臺數據管理兩個(gè)部分。應用系統的體系結構如圖3所示。

前臺系統采取B／S體系結構，以瀏覽器方式實(shí)現，包括數據查詢(xún)、統計打印等功能。用戶(hù)以互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器進(jìn)行日常的業(yè)務(wù)處理、信息瀏覽與查詢(xún)，減輕用戶(hù)對計算機操作復雜性的要求，提高系統的可靠性；后臺系統采用C／S結構，完成數據采集、通信服務(wù)傳輸模塊、異常報警模塊等功能，并將數據保存到中央數據庫系統和數據倉庫。

5 結 語(yǔ)
該系統采用統一的軟、硬件平臺、編制各種操作風(fēng)格一致的數據錄入、更新、刪除、查詢(xún)、統計等管理工具，保證操作的簡(jiǎn)易性、良好的可理解性及內容自動(dòng)更新和自動(dòng)維護能力。通過(guò)業(yè)務(wù)模塊化設計及安全模塊的實(shí)現，按部門(mén)和職務(wù)構成二維權限控制網(wǎng)絡(luò )，以確定每一個(gè)操作者在系統的位置，保證數據訪(fǎng)問(wèn)的安全與等級。系統采用數據庫系統具有自動(dòng)備份功能，保證數據庫中數據的安全性與可靠性。利用數據庫的事務(wù)處理能力，保證在可預計的并發(fā)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數目時(shí)不會(huì )發(fā)生性能下降及數據阻塞。同時(shí)，該系統設計多種系統管理工具，可以查詢(xún)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)情況，偵測異常訪(fǎng)問(wèn)，及時(shí)評估系統的安全水平。