糧食儲(chǔ)存品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)、儲(chǔ)藏及消費(fèi)大國(guó)，糧食儲(chǔ)藏是國(guó)家為防備戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)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(chǔ)藏是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略大事。糧食在貯藏過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭軠囟?、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(duì)糧食貯藏過(guò)程中的影響參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析，是保障糧食儲(chǔ)存品質(zhì)的有效手段。在此，通過(guò)采用CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)影響糧食貯藏過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不良變化時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，保證糧食儲(chǔ)存的安全。

1 影響糧食儲(chǔ)存品質(zhì)的因素分析
影響糧食儲(chǔ)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(xì)菌、酵母菌的污染，當(dāng)條件適宜時(shí)，它們就能迅速地在糧食中生長(zhǎng)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(zhǎng)繁殖的手段；其次在儲(chǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)保持低溫、干燥、通風(fēng)良好。蟲(chóng)害也是影響糧食儲(chǔ)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(zhǎng)，如當(dāng)倉(cāng)庫(kù)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(dāng)室溫在10℃以下時(shí)，害蟲(chóng)活動(dòng)能力會(huì)減弱。倉(cāng)庫(kù)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?xì)馕?，減輕其重量，降低其品質(zhì)，也容易使糧堆發(fā)熱；當(dāng)微生物進(jìn)一步作用就會(huì)使糧食霉?fàn)€變質(zhì)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其原理
在糧食儲(chǔ)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(tǒng)通過(guò)高精度溫濕度、CO2傳感器得糧食的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。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(xì)微變化。這種變化利用肉眼很難分辨，通過(guò)一定算法對(duì)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(duì)這些具有不同特征的信息進(jìn)行分析，可以預(yù)測(cè)到糧食發(fā)生霉變或蟲(chóng)害的時(shí)間。系統(tǒng)采用CAN 總線控制方式，由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、CAN／USB轉(zhuǎn)換器和多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量由倉(cāng)庫(kù)里的糧庫(kù)數(shù)量決定。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

CAN((Controller Area Network)總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，取而代之對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。CAN總線的通信距離可達(dá)10 km，波特率可根據(jù)通信距離選擇，最高可達(dá)1 Mb／s。CAN總線還支持多主站結(jié)構(gòu)，采用短數(shù)據(jù)幀、CRC校驗(yàn)、錯(cuò)誤鑒別、發(fā)送時(shí)監(jiān)聽(tīng)和自動(dòng)關(guān)閉技術(shù)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的傳輸。同時(shí)具有無(wú)損的沖突檢測(cè)鏈路協(xié)議、總線仲裁功能和故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫離技術(shù)，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器主要完成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、糧庫(kù)的狀態(tài)查詢(xún)、數(shù)據(jù)處理、糧情分析和報(bào)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(shù)據(jù)信息，為管理部門(mén)的決策提供依據(jù)。
智能節(jié)點(diǎn)由微控制器、數(shù)據(jù)采集電路和CAN總線接口電路構(gòu)成。智能節(jié)點(diǎn)不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧庫(kù)內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度、濕度、CO2、壓力和圖像信息，并保存和顯示結(jié)果。還要根據(jù)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的要求上傳數(shù)據(jù)。CAN／USB轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口的輸出命令轉(zhuǎn)換成CAN總線數(shù)據(jù)格式后，下傳到CAN總線；或者將智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式后，再送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

3 智能節(jié)點(diǎn)控制電路結(jié)構(gòu)及原理
智能節(jié)點(diǎn)溫度、濕度、壓力、CO2控制電路采用單總線(1-Wire)數(shù)據(jù)通信方式。它采用單根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有節(jié)省I／O引腳資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)。溫度檢測(cè)采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18820，它不僅能直接輸出串行數(shù)字信號(hào)，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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器檢測(cè)到的濕度、壓力、CO2信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后，可以通過(guò)單總線A／D轉(zhuǎn)換模塊(DS2450)輸出的串行數(shù)字信號(hào)與單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20輸出的串行數(shù)字信號(hào)使用同一線路連接，這樣可以大大簡(jiǎn)化布線的難度。
在圖像采集控制節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，首先將彩色攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)分兩路，分別送到視頻信號(hào)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(zhuǎn)換，再進(jìn)行色度信號(hào)的處理和亮度信號(hào)處理，最后由視頻輸出端口VPO輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。圖像采集控制節(jié)點(diǎn)的核心控制部分由一片 FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。FPGA的主要作用是實(shí)現(xiàn)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(dāng)微處理器發(fā)出采樣信號(hào)以后，由FPGA構(gòu)成的采樣控制器即可在此后的第一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)開(kāi)始采樣，并將這幀數(shù)據(jù)存放在SRAM中；采樣結(jié)束后向微處理器發(fā)出采樣結(jié)束信號(hào)ECO。存貯于SRAM中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)CAN總線發(fā)送到數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
應(yīng)用系統(tǒng)采用三層的體系結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、流量控制、自動(dòng)備份等功能；應(yīng)用服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、專(zhuān)家推理、權(quán)限設(shè)置、日志管理等功能；表現(xiàn)層包括前臺(tái)應(yīng)用界面和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理兩個(gè)部分。應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前臺(tái)系統(tǒng)采取B／S體系結(jié)構(gòu)，以瀏覽器方式實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)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(duì)計(jì)算機(jī)操作復(fù)雜性的要求，提高系統(tǒng)的可靠性；后臺(tái)系統(tǒng)采用C／S結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)采集、通信服務(wù)傳輸模塊、異常報(bào)警模塊等功能，并將數(shù)據(jù)保存到中央數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

5 結(jié) 語(yǔ)
該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟、硬件平臺(tái)、編制各種操作風(fēng)格一致的數(shù)據(jù)錄入、更新、刪除、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)等管理工具，保證操作的簡(jiǎn)易性、良好的可理解性及內(nèi)容自動(dòng)更新和自動(dòng)維護(hù)能力。通過(guò)業(yè)務(wù)模塊化設(shè)計(jì)及安全模塊的實(shí)現(xiàn)，按部門(mén)和職務(wù)構(gòu)成二維權(quán)限控制網(wǎng)絡(luò)，以確定每一個(gè)操作者在系統(tǒng)的位置，保證數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全與等級(jí)。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有自動(dòng)備份功能，保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。利用數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)處理能力，保證在可預(yù)計(jì)的并發(fā)用戶(hù)訪問(wèn)數(shù)目時(shí)不會(huì)發(fā)生性能下降及數(shù)據(jù)阻塞。同時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)多種系統(tǒng)管理工具，可以查詢(xún)用戶(hù)訪問(wèn)情況，偵測(cè)異常訪問(wèn)，及時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的安全水平。