糧食儲存品質監測系統設計

0 引 言
我國是世界上最大的糧食生產、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進行實時監測、分析，是保障糧食儲存品質的有效手段。在此，通過采用CAN總線的數據采集系統對影響糧食貯藏過程中的參數進行實時采集、分析，當發現不良變化時，能夠及時發出預警信息，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，也容易使糧堆發熱；當微生物進一步作用就會使糧食霉爛變質。

2 系統總體結構及其原理
在糧食儲藏期間，影響糧食發生不良變化的主要因素有溫度、濕度、CO2等。該系統通過高精度溫濕度、CO2傳感器得糧食的實時變化數據。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，可以預測到糧食發生霉變或蟲害的時間。系統采用CAN 總線控制方式，由數據采集服務器、CAN／USB轉換器和多個智能節點組成，節點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)總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN總線網絡中各節點都可根據總線訪問優先權采用無損結構的逐位仲裁方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，取而代之對通信數據進行編碼，使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，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總線還支持多主站結構，采用短數據幀、CRC校驗、錯誤鑒別、發送時監聽和自動關閉技術，保證數據穩定、可靠的傳輸。同時具有無損的沖突檢測鏈路協議、總線仲裁功能和故障節點自動脫離技術，保證系統的可靠運行。

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

3 智能節點控制電路結構及原理
智能節點溫度、濕度、壓力、CO2控制電路采用單總線(1-Wire)數據通信方式。它采用單根信號線完成數據的雙向傳輸，具有節省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點。傳感器檢測到的濕度、壓力、CO2信號經過調理電路處理后，可以通過單總線A／D轉換模塊(DS2450)輸出的串行數字信號與單總線數字溫度傳感器DS18B20輸出的串行數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輸出數字圖像數據。圖像采集控制節點的核心控制部分由一片 FPGA芯片實現。FPGA的主要作用是實現三個邏輯功能塊，即地址發生器、握手邏輯和SRAM寫時序。當微處理器發出采樣信號以后，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，并將這幀數據存放在SRAM中；采樣結束后向微處理器發出采樣結束信號ECO。存貯于SRAM中的數據可以通過CAN總線發送到數據采集服務器中，并存放在其硬盤以供進一步的分析、處理和使用。智能節點控制電路結構如圖2所示。

4 應用系統設計
應用系統采用三層的體系結構，包括數據庫服務層、應用服務層和表現層。數據庫服務層采用大型關系型數據庫，主要實現數據存儲、流量控制、自動備份等功能；應用服務層主要實現數據分析、專家推理、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，以瀏覽器方式實現，包括數據查詢、統計打印等功能。用戶以互聯網瀏覽器進行日常的業務處理、信息瀏覽與查詢，減輕用戶對計算機操作復雜性的要求，提高系統的可靠性；后臺系統采用C／S結構，完成數據采集、通信服務傳輸模塊、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
該系統采用統一的軟、硬件平臺、編制各種操作風格一致的數據錄入、更新、刪除、查詢、統計等管理工具，保證操作的簡易性、良好的可理解性及內容自動更新和自動維護能力。通過業務模塊化設計及安全模塊的實現，按部門和職務構成二維權限控制網絡，以確定每一個操作者在系統的位置，保證數據訪問的安全與等級。系統采用數據庫系統具有自動備份功能，保證數據庫中數據的安全性與可靠性。利用數據庫的事務處理能力，保證在可預計的并發用戶訪問數目時不會發生性能下降及數據阻塞。同時，該系統設計多種系統管理工具，可以查詢用戶訪問情況，偵測異常訪問，及時評估系統的安全水平。