糧食儲存品質監(jiān)測系統(tǒng)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(zhàn)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系到國計民生的戰(zhàn)略大事。糧食在貯藏過程中，會因為受溫度、濕度、氧氣、微生物及昆蟲等因素的影響，從而造成其質量的不良改變。對糧食貯藏過程中的影響參數(shù)進行實時監(jiān)測、分析，是保障糧食儲存品質的有效手段。在此，通過采用CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對影響糧食貯藏過程中的參數(shù)進行實時采集、分析，當發(fā)現(xiàn)不良變化時，能夠及時發(fā)出預警信息，保證糧食儲存的安全。

1 影響糧食儲存品質的因素分析
影響糧食儲存品質的因素很多，其中微生物污染因素影響最大。糧食在收獲、貯藏、加工等過程中極容易受到霉菌、細菌、酵母菌的污染，當條件適宜時，它們就能迅速地在糧食中生長繁殖，并產(chǎn)生毒素，使糧食及其制品變質。因此，在貯藏糧食時要采取防微生物污染的措施及控制微生物生長繁殖的手段；其次在儲存糧食的過程中要注意溫度、濕度、氧氣的影響。在微生物生長繁殖時需要適宜的溫度、濕度和氧氣(厭氧菌除外)，如果貯藏時濕度過大，溫度過高，氧氣充足，則污染的微生物就能迅速生長繁殖，至使谷類及其制品發(fā)霉或腐敗變質。因此，糧食在貯藏時不僅要求其本身含水量要低(不超過15％)，而且貯藏環(huán)境亦應保持低溫、干燥、通風良好。蟲害也是影響糧食儲存品質的一個重要因素，害蟲在原糧及半成品中都能生長，如當倉庫室溫在18～21℃以上、濕度在60％以上時，即適于蟲卵孵化繁殖；當室溫在10℃以下時，害蟲活動能力會減弱。倉庫中主要有甲蟲、螨類、蛾類等害蟲，這些害蟲不但損害大量糧食，而且會使糧食帶有不良氣味，減輕其重量，降低其品質，也容易使糧堆發(fā)熱；當微生物進一步作用就會使糧食霉爛變質。

2 系統(tǒng)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(tǒng)通過高精度溫濕度、CO2傳感器得糧食的實時變化數(shù)據(jù)。這些因素在某種程度上也會造成糧食顏色、體積、紋理等的細微變化。這種變化利用肉眼很難分辨，通過一定算法對圖像進行特征提取，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行分析，可以預測到糧食發(fā)生霉變或蟲害的時間。系統(tǒng)采用CAN 總線控制方式，由數(shù)據(jù)采集服務器、CAN／USB轉換器和多個智能節(jié)點組成，節(jié)點的數(shù)量由倉庫里的糧庫數(shù)量決定。其結構原理圖如圖1所示。

CAN((Controller Area Network)總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線網(wǎng)絡中各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權采用無損結構的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，取而代之對通信數(shù)據(jù)進行編碼，使得CAN總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構成冗余結構，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10 km，波特率可根據(jù)通信距離選擇，最高可達1 Mb／s。CAN總線還支持多主站結構，采用短數(shù)據(jù)幀、CRC校驗、錯誤鑒別、發(fā)送時監(jiān)聽和自動關閉技術，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的傳輸。同時具有無損的沖突檢測鏈路協(xié)議、總線仲裁功能和故障節(jié)點自動脫離技術，保證系統(tǒng)的可靠運行。

數(shù)據(jù)采集服務器主要完成監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)的參數(shù)設置、糧庫的狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)處理、糧情分析和報表打印等功能。同時，該服務器與Internet網(wǎng)絡互聯(lián)，各職能管理部門通過互聯(lián)網(wǎng)可以在任何時間、任何地點瀏覽數(shù)據(jù)信息，為管理部門的決策提供依據(jù)。
智能節(jié)點由微控制器、數(shù)據(jù)采集電路和CAN總線接口電路構成。智能節(jié)點不僅要實時監(jiān)測糧庫內(nèi)各個測試點的溫度、濕度、CO2、壓力和圖像信息，并保存和顯示結果。還要根據(jù)數(shù)據(jù)采集服務器的要求上傳數(shù)據(jù)。CAN／USB轉換器負責把數(shù)據(jù)采集服務器的數(shù)據(jù)，通過USB接口的輸出命令轉換成CAN總線數(shù)據(jù)格式后，下傳到CAN總線；或者將智能節(jié)點通過CAN總線上傳的數(shù)據(jù)轉換成USB數(shù)據(jù)格式后，再送到數(shù)據(jù)采集服務器。

3 智能節(jié)點控制電路結構及原理
智能節(jié)點溫度、濕度、壓力、CO2控制電路采用單總線(1-Wire)數(shù)據(jù)通信方式。它采用單根信號線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有節(jié)省I／O引腳資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護。溫度檢測采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18820，它不僅能直接輸出串行數(shù)字信號，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。傳感器檢測到的濕度、壓力、CO2信號經(jīng)過調理電路處理后，可以通過單總線A／D轉換模塊(DS2450)輸出的串行數(shù)字信號與單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20輸出的串行數(shù)字信號使用同一線路連接，這樣可以大大簡化布線的難度。
在圖像采集控制節(jié)點工作時，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，進行模擬處理；然后經(jīng)A／D轉換，再進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(shù)字圖像數(shù)據(jù)。圖像采集控制節(jié)點的核心控制部分由一片 FPGA芯片實現(xiàn)。FPGA的主要作用是實現(xiàn)三個邏輯功能塊，即地址發(fā)生器、握手邏輯和SRAM寫時序。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幀同步信號到來時開始采樣，并將這幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以通過CAN總線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集服務器中，并存放在其硬盤以供進一步的分析、處理和使用。智能節(jié)點控制電路結構如圖2所示。

4 應用系統(tǒng)設計
應用系統(tǒng)采用三層的體系結構，包括數(shù)據(jù)庫服務層、應用服務層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)庫服務層采用大型關系型數(shù)據(jù)庫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、流量控制、自動備份等功能；應用服務層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、專家推理、權限設置、日志管理等功能；表現(xiàn)層包括前臺應用界面和后臺數(shù)據(jù)管理兩個部分。應用系統(tǒng)的體系結構如圖3所示。

前臺系統(tǒng)采取B／S體系結構，以瀏覽器方式實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計打印等功能。用戶以互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器進行日常的業(yè)務處理、信息瀏覽與查詢，減輕用戶對計算機操作復雜性的要求，提高系統(tǒng)的可靠性；后臺系統(tǒng)采用C／S結構，完成數(shù)據(jù)采集、通信服務傳輸模塊、異常報警模塊等功能，并將數(shù)據(jù)保存到中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉庫。

5 結 語
該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的軟、硬件平臺、編制各種操作風格一致的數(shù)據(jù)錄入、更新、刪除、查詢、統(tǒng)計等管理工具，保證操作的簡易性、良好的可理解性及內(nèi)容自動更新和自動維護能力。通過業(yè)務模塊化設計及安全模塊的實現(xiàn)，按部門和職務構成二維權限控制網(wǎng)絡，以確定每一個操作者在系統(tǒng)的位置，保證數(shù)據(jù)訪問的安全與等級。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有自動備份功能，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。利用數(shù)據(jù)庫的事務處理能力，保證在可預計的并發(fā)用戶訪問數(shù)目時不會發(fā)生性能下降及數(shù)據(jù)阻塞。同時，該系統(tǒng)設計多種系統(tǒng)管理工具，可以查詢用戶訪問情況，偵測異常訪問，及時評估系統(tǒng)的安全水平。