摘要：针对目前智慧粮库进展仍处于初级阶段的情况，本文讨论了一种可行的智慧粮库总体设计方案。智慧粮库由粮情测控系统、日常作业管理系统、安防系统、办公自动化系统，和软硬件基础设施建设五部分组成。其中，粮情测控系统是核心，用于粮情数据（温湿度、风雨等）的采集和粮仓基础设施（门窗、熏蒸机等）的控制；日常作业管理系统是基础，负责出入库、称重等作业的自动化；安防系统是保障，用于特定场所的监控，保障粮食储备的安全与高效。
关键词：智慧粮库；粮情测控；日常作业管理；安防；自动化
1.引言
我国作为农业大国和人口大国，粮食是关系到国民经济和国家经济安全的重要战略物资，也是人民最基本的生活物资。我国国土面积大，但人均耕地面积偏少，客观上说明了粮食储备和粮食安全的重要性。而中央一号文件连续十几年聚焦农业，更是正面凸显了我国粮食安全及粮食储备的战略地位。粮食安全既是经济发展、社会稳定和国家安全的基础，也是关系社会主义现代化建设的重大战略问题。然而，我国现用粮库大多建于上世纪60至80 年代，粮库基础设备老化已不符合现代粮食安全储存的要求[1]。另外，为了保障粮食安全，国家每年都需要投入大量的人力物力进行粮食的存储和严格管理，并每隔几年在全国范围内组织一次大规模的“清仓查库”活动，动用国家十几个部门的几十万人力、耗资数亿元清查全国储存粮食的数量和质量，耗费甚巨[1]。因此，建立智慧粮库，是改善粮仓基础设施水平，解决传统粮食仓储信息化程度低、劳动量大问题，降低粮仓管理清查损耗资源的一种重要方法，也是维护国家粮食安全、保障粮食市场稳定的一种重要手段。
依托于计算机软件、远距离传感、自动控制、物联网集成等现代化技术，智慧粮仓可以实时精确地跟踪大气变化和粮堆的温湿度、病虫害情况，并分析预测粮情变化状况，在此基础上通过自动控制通风门窗、空调设备、熏蒸系统等粮仓基础设备进行温湿度、病虫害控制。此外，智慧粮库的另一作用在于日常作业的自动化管理，智能识别判断粮食流通过程，系统管理统计粮食仓储数据，打破“信息孤岛”，跨越“数字鸿沟”，将市、省、乃至全国范围的粮食仓储信息整合到一个统一的信息管理平台，为政府决策提供建议与依据，达到对粮食仓储企业进行科学、高效、低成本、绿色生态的管理。
伴随科技的不断进步及数字信息化技术的普遍应用，特别是嵌入式数字芯片的广泛使用，智慧粮库技术已变得可行。在全国范围内，已有多家粮食仓储单位实现粮库管理的自动化和智能化，例如湖南省的金霞粮库，浙江省桐乡、嘉善等地的多家粮库等。然而，仍然存在部分粮库采用人工测量与人工监控等传统方法，粮食仓储效率低、劳动量大、准确性差。智慧粮库在我国是一个新兴的产业方向，大多数粮库的信息化程度不够，行业整体发展不平衡，粮库信息化进程仍处于初级阶段。此外，因为我国粮食储存具有库存量大、分布面广、粮质复杂等特点，导致了不同粮库所处地理位置、采用的粮食管理维护方式存在较大差异。智慧粮库的建设更多考虑的是不同粮库的特定需求，尚未形成统一规范标准。因此，继续研究智慧粮库的优化方案，深入讨论智能化粮食管理系统的设计思路，是进一步推动储粮行业信息化进程的必要过程。
近年来，国内关于智慧粮库自动化管理系统的研究逐渐变多，也取得了一定的成果。在粮情监测控制方面，有学者提出了基于物联网技术的智能粮仓监控管理方法，提倡使用Zigbee技术作为无线传输纽带[2]；也有学者深入研究了具体的嵌入式芯片选型和无线传感网络架构，指出了粮情监控系统的基本结构[3]；此外，还有一些学者集中于具体的软件设计实现，完善智能分析、实时显控、故障诊断和预测处理等功能[4]。在视频监控系统方面，部分企业提出了完善的粮库视频监控系统解决方案[5]，进一步推动了智慧粮库的智能化监管。不同于现有大部分研究文献只关注智慧粮仓系统中某一模块（比如粮情检测模块、视频监控模块等）的情况，本文着重于智慧粮仓的整体方案设计，提出了构成智慧粮仓的五大主要模块，重点讨论了其中粮情测控、日常作业管理、安防三个基本模块的功能结构，希望能提出一套高效通用的设计思路，实现粮仓管理的智能化、网络化和信息化。
2.总体方案设计
智慧粮库系统包含以下五大模块：粮情测控系统、日常作业管理系统、安防系统、办公自动化系统，以及必要的软硬件基础设施建设。粮情测控系统负责采集粮仓内外粮情数据和当地气候温度情况，综合分析预测粮情变化后，下达命令控制粮仓设备进行粮情调控。该部分包含信息采集子系统、自动化控制子系统和智能控制模块等。日常作业管理系统负责粮库内日常作业的自动化管理，包含自动出入库子系统，智能称重子系统，查仓记录子系统、广播子系统等。安防系统依托于视频技术和数字传输技术，主要用于现场设备的集中监视、控制和管理。办公自动化系统用于粮仓经营和生产的管理，还负责必要的信息发布、公文审批等。软硬件基础设施建设则包含机房建设、监控室建设、对讲子系统等，为其它四个模块提供坚实的软硬件基础。智慧粮库系统总体方案结构图如下图所示。
图1 智慧粮库系统总体方案结构图
在之后的三个章节中，本文将对智慧粮库中重要的粮情测控系统、日常作业管理系统和安防系统进行详细的介绍，具体描述各自模块的功能和原理。
3.粮情测控系统
3.1.系统结构
结合当前先进的传感器技术、数字通信技术、自动化控制技术，粮情测控系统将温湿度传感器安装于粮堆、粮仓内和粮仓外空间，实现对粮堆内部温度、粮仓内温湿度和粮仓外温湿度、风雨等气候状况的实时监测，并对粮仓设备（如风机、空调、电动窗等）进行控制，从而实现对粮仓24小时不间断的监测与调控，为粮食的存放营造合适的条件，达到长期有效、安全保存粮食的目标。粮情测控系统包含信息采集子系统、自动化控制子系统和智能控制模块三个子模块。信息采集系统负责粮情信息的采集，并将粮情数据通过数字通信技术反馈给智能控制模块；智能控制模块在接受到粮情数据后，根据编写好的逻辑运算，下达粮库设备控制指令（如关窗、开空调、熏蒸等）；自动化控制子系统接收到指令后，控制门窗、风机等设备的运行，对粮仓内温湿度等进行调控。信息采集子系统和自动化控制子系统通过智能控制模块耦合在一起，相互影响，共同作用，保障粮食储备安全。粮情监控系统功能框图如下图所示。
图2 粮情测控系统功能结构图
粮情测控系统采用软硬件相结合，监测报警与自动控制相结合的设计思路，既可以对单个粮仓进行监控，也可以多个粮仓组网监测。通过统一的监管平台进行统一监测，以起到统一管理、统一监控的一站总部式管理。一种可能的粮情测控系统具体实现方案如下图所示。其中淡蓝色方框表示信息采集子系统（和智能控制模块），淡绿色方框表示自动化控制子系统。
图3 一种可能的粮情测控系统具体实现方案
3.2.信息采集子系统
信息采集子系统建设包括各廒间数字测温电缆、仓内湿度传感器布设、通讯模块、通讯电缆等。基于信息采集子系统，智能控制模块进行分析预测，并下达指令，具体包含工业控制主机和智能控制分机等。
a)工业控制主机：主机通过标准工业接口连接，该主机可以是单台微机，也可以是粮库计算机局域网上的某一台微机。可以在直接与检测系统相连的微机上，也可以在粮库计算机局域网上的某台微机上操作使用粮情检测系统。
b)智能控制分机：具有数据采集处理及控制功能。智能控制分机收到工业控制主机的命令后将命令传递给相关设备进行数据处理或通风作业等。测温元件测出的数据后，将读取的温度数值通过智能控制分机送到工业控制主机，通过数据管理软件进行分析、处理。
c)数字测温电缆：每条测温线缆会垂直埋入粮堆，实现对粮堆内部不同高度、不同位置的温度监测，达到全面监测粮堆内部温度。当温度超过正常范围后，采取相应措施对粮堆进行温度调控，防止粮食发霉变质。采集数据通过数字通信系统传输给工业控制主机。
d)仓内数据采集终端：用于实现仓内环境温湿度监测。监测数据超过设定值时，会自动启动或停止温湿度调控设备。安装位置应避开通风口或窗口位置，减少外来因素对测量的影响。传感器监测面积根据粮库的建筑结构，结合实际环境设计排布。
e)仓外数据采集终端：实现仓外雨水、风速、常温、常湿采集，用于参考是否适于进行通风开窗等操作。
f)气体检测器：测量粮仓内不同气体的含量，用于参考是否需要进行开窗通风、熏蒸等操作。
3.3.自动化控制子系统
自动化控制子系统接收智能控制模块（工业控制主机和智能控制分机等）下达的指令，对廒间内的通风窗、空调和风机等粮仓设备进行控制，主要包含以下几个模块。
a)风机：用于粮仓内温湿度和不同气体浓度的调节。根据不同粮仓的需要，应选择不同的风机种类，如轴流风机、离心分机等。多个风机应当可以进行独立的控制，以优化通风性能。风机系统应当与自动通风窗配合，避免没有通风口而降低通风效果。
b)自动通风窗：在手动通风窗上配置开窗马达建设自动通风窗，并联动其它系统实现智能化建设。自动通风窗的开启和关闭应能及时到位，开窗角度应满足通风要求，保证开窗通风效果。
c)空调系统：在普通空调机上加装空调智能控制器，再联动其它系统实现空调智能控制。空调智能控制模块不仅可远程控制空调的开关，而且可对空调的温度及运行模式等所有功能进行控制。
d)熏蒸系统：根据粮情状况，自动控制熏蒸机的开启和关闭。
e)报警系统：实时监测现场设备的实施情况，当某一事件发生时，自动发出报警信号，并控制报警设备警示粮库工作人员。
4.日常作业管理系统
日常作业管理系统主要负责粮库内日常作业的自动化管理，包括出入库、称重、出入仓、查仓等。该系统包含出入库子系统、智能称重子系统、查仓记录子系统、广播子系统等，分别对应于不同的作业要求。
出入库子系统负责将电子标签与进入粮库的车辆进行绑定。电子标签由粮仓管理系统根据上级订单指令生成。内容包括订单号，粮食（厂商、粮食品种规格等）信息，车牌号信息。当车辆进入粮库时，由门岗给其发放电子标签；当车辆驶离粮库时，由门岗收回电子标签，并上传电子标签信息以实时更新粮库数据。
查仓记录子系统负责日常查仓作业，收集整理查仓粮情数据，形成电子文档存档。在智慧粮库中，查仓是一种粮情检测的辅助手段，用于监测常规粮情信息采集系统覆盖不到的部分，例如老鼠、虫害等。
智能称重子系统用于过磅时车辆重量数据的自动采集，监督车辆过磅过程，并通过视频图像等进行记录存档。智能称重子系统架构如下图所示。
图4智能称重子系统组成架构
智能称重子系统主要包括如下模块：数字式电子汽车衡模块、光电感应检测模块、图像抓拍与视频监控模块、红绿灯道闸控制模块等。
a)数字式电子汽车衡模块：采用市面上常见的数字式电子汽车衡设备，端口连接磅房中的微机。
b)光电感应检测模块：对车辆是否完全到秤台上进行判断。车辆还没有进入秤台之前，光电开关一直处在入光状态；当汽车进入汽车衡的过程中，光电开关发射端与反光板之间被遮挡，此时，汽车正在上磅；当这对光电开关重新连通的时候，并且两对光电开关同时是入光状态，此时判断汽车已经完全在秤台上，此时可进行计量，否则无法计量。
c)图像抓拍与视频监控模块：记录过磅过程，保存图像档案，同时联通安防系统，防止舞弊行为。在地磅的前后分别安装摄像机，主要目的是能够监控车辆的车牌，对进出车辆的装载情况进行监控，和观察称重车辆车箱的装货情况和人员下车情况。同时，将图像送入磅房中微机进行保存。
d)红绿灯道闸控制模块：在磅秤的进出磅口处各设有智能道闸和车辆检测器等设备，以实现有次序的过车称重。当车辆检测器感应到称重车辆时，软件系统令入口道闸抬起，车辆完全上磅并离开入口地感后，入口道闸自动落杆；当车辆称重完成后，出口道闸自动抬起，车辆完全下磅并离开出口地感后，出口道闸自动落杆。
5.安防系统
安防系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，通过遥控摄像机及其辅助设备（云台、镜头等）直接观看被监视场所的情况，同时可以把被监视场所的图像全部或部分的记录存档，为日后对某些事件的处理提供了重要数据，是一种先进的、防范能力极强的综合系统。一般来说，安防系统由三大部分组成：前端部分、传输部分和后端部分。
a)前端部分：在合适的监控点位置包括摄像机、云台等设备。系统前端摄像机，分别设计在各主要进出口、各主要通道、粮仓外作业区等安装监控探头进行现场实时监视录像，负责图像和数据的采集及信号处理。
b)传输部分：根据日常实际办公需求，可以采用常见的有线网络传输，负责将视频信号传输到后端的信号处理、显示设备。
c)后端部分：负责视频监控系统的控制、显示以及存储。主控设备负责完成对前端音、视频信号进行压缩处理、图像切换、云镜操作等所有功能项的控制；显示设备按照办公需求，实时显示系统操作界面、监控区域图像和回放存储资料。
本文中描述的安防系统，可以实现大门、车辆运输通道等日常作业区域的实时监控，便于领导监控指挥。
6.结束语
智慧粮仓是优化粮食存储体系，提高储粮安全，降低储量消耗的一种重要途径。基于无线传感技术、数字传输技术和自动控制技术，本文提出了智慧粮库的一种整体设计方案，强调了构成智慧粮库的五个重要模块，并对其中粮情测控、日常作业管理、安防进行了详细的结构和功能介绍，较好的实现了粮仓智能化，为未来智慧粮库的深入开发提供了思路。
参考文献
[1] 阮晓东. 智慧粮仓确保粮食仓储安全[J]. 新经济导刊，2015，11：46-51.
[2] 徐淑英. 基于物联网技术的智能粮仓监控管理系统应用研究[J]. 物流工程与管理，2016，3：117-119.
[3] 徐春华，王晓宁. 智能化粮情监控系统的设计与实现[J]. 安徽农业科学，2012，40(23)：11913-11914.
[4] 魏宏波，梁绒香，吴莉霞. 粮库无线智能测控系统的设计[J]. 农业机械，2013，12：64-67.
论文作者:蒋维
论文发表刊物:《科技中国》2017年8期
论文发表时间:2017/12/13
标签：粮库论文; 粮仓论文; 子系统论文; 模块论文; 系统论文; 作业论文; 智慧论文; 《科技中国》2017年8期论文;