粮食储存品质监测系统设计

0 引 言
    我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其他突发性事件而采取的有效措施，因此粮食的安全储藏是关系到国计民生的战略大事。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、氧气、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。对粮食贮藏过程中的影响参数进行实时监测、分析，是保障粮食储存品质的有效手段。在此，通过采用CAN总线的数据采集系统对影响粮食贮藏过程中的参数进行实时采集、分析，当发现不良变化时，能够及时发出预警信息，保证粮食储存的安全。

1 影响粮食储存品质的因素分析
    影响粮食储存品质的因素很多，其中微生物污染因素影响最大。粮食在收获、贮藏、加工等过程中极容易受到霉菌、细菌、酵母菌的污染，当条件适宜时，它们就能迅速地在粮食中生长繁殖，并产生毒素，使粮食及其制品变质。因此，在贮藏粮食时要采取防微生物污染的措施及控制微生物生长繁殖的手段；其次在储存粮食的过程中要注意温度、湿度、氧气的影响。在微生物生长繁殖时需要适宜的温度、湿度和氧气(厌氧菌除外)，如果贮藏时湿度过大，温度过高，氧气充足，则污染的微生物就能迅速生长繁殖，至使谷类及其制品发霉或腐败变质。因此，粮食在贮藏时不仅要求其本身含水量要低(不超过15％)，而且贮藏环境亦应保持低温、干燥、通风良好。虫害也是影响粮食储存品质的一个重要因素，害虫在原粮及半成品中都能生长，如当仓库室温在18～21℃以上、湿度在60％以上时，即适于虫卵孵化繁殖；当室温在10℃以下时，害虫活动能力会减弱。仓库中主要有甲虫、螨类、蛾类等害虫，这些害虫不但损害大量粮食，而且会使粮食带有不良气味，减轻其重量，降低其品质，也容易使粮堆发热；当微生物进一步作用就会使粮食霉烂变质。

2 系统总体结构及其原理
    在粮食储藏期间，影响粮食发生不良变化的主要因素有温度、湿度、CO2等。该系统通过高精度温湿度、CO2传感器得粮食的实时变化数据。这些因素在某种程度上也会造成粮食颜色、体积、纹理等的细微变化。这种变化利用肉眼很难分辨，通过一定算法对图像进行特征提取，得到具有不同特征的多传感器信息。对这些具有不同特征的信息进行分析，可以预测到粮食发生霉变或虫害的时间。系统采用CAN 总线控制方式，由数据采集服务器、CAN／USB转换器和多个智能节点组成，节点的数量由仓库里的粮库数量决定。其结构原理图如图1所示。

    CAN((Controller Area Network)总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线网络中各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，取而代之对通信数据进行编码，使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。CAN总线的通信距离可达10 km，波特率可根据通信距离选择，最高可达1 Mb／s。CAN总线还支持多主站结构，采用短数据帧、CRC校验、错误鉴别、发送时监听和自动关闭技术，保证数据稳定、可靠的传输。同时具有无损的冲突检测链路协议、总线仲裁功能和故障节点自动脱离技术，保证系统的可靠运行。
    数据采集服务器主要完成监测网络系统的参数设置、粮库的状态查询、数据处理、粮情分析和报表打印等功能。同时，该服务器与Internet网络互联，各职能管理部门通过互联网可以在任何时间、任何地点浏览数据信息，为管理部门的决策提供依据。
    智能节点由微控制器、数据采集电路和CAN总线接口电路构成。智能节点不仅要实时监测粮库内各个测试点的温度、湿度、CO2、压力和图像信息，并保存和显示结果。还要根据数据采集服务器的要求上传数据。CAN／USB转换器负责把数据采集服务器的数据，通过USB接口的输出命令转换成CAN总线数据格式后，下传到CAN总线；或者将智能节点通过CAN总线上传的数据转换成USB数据格式后，再送到数据采集服务器。

3 智能节点控制电路结构及原理
    智能节点温度、湿度、压力、CO2控制电路采用单总线(1-Wire)数据通信方式。它采用单根信号线完成数据的双向传输，具有节省I／O引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护。温度检测采用单总线数字温度传感器DS18820，它不仅能直接输出串行数字信号，而且具有微型化、低功耗、高性能，易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点。传感器检测到的湿度、压力、CO2信号经过调理电路处理后，可以通过单总线A／D转换模块(DS2450)输出的串行数字信号与单总线数字温度传感器DS18B20输出的串行数字信号使用同一线路连接，这样可以大大简化布线的难度。
    在图像采集控制节点工作时，首先将彩色摄像机输出的模拟视频信号分两路，分别送到视频信号处理器SAA7111的模拟输入端AI11和AI12，进行模拟处理；然后经A／D转换，再进行色度信号的处理和亮度信号处理，最后由视频输出端口VPO输出数字图像数据。图像采集控制节点的核心控制部分由一片 FPGA芯片实现。FPGA的主要作用是实现三个逻辑功能块，即地址发生器、握手逻辑和SRAM写时序。当微处理器发出采样信号以后，由FPGA构成的采样控制器即可在此后的第一个帧同步信号到来时开始采样，并将这帧数据存放在SRAM中；采样结束后向微处理器发出采样结束信号ECO。存贮于SRAM中的数据可以通过CAN总线发送到数据采集服务器中，并存放在其硬盘以供进一步的分析、处理和使用。智能节点控制电路结构如图2所示。

4 应用系统设计
    应用系统采用三层的体系结构，包括数据库服务层、应用服务层和表现层。数据库服务层采用大型关系型数据库，主要实现数据存储、流量控制、自动备份等功能；应用服务层主要实现数据分析、专家推理、权限设置、日志管理等功能；表现层包括前台应用界面和后台数据管理两个部分。应用系统的体系结构如图3所示。

    前台系统采取B／S体系结构，以浏览器方式实现，包括数据查询、统计打印等功能。用户以互联网浏览器进行日常的业务处理、信息浏览与查询，减轻用户对计算机操作复杂性的要求，提高系统的可靠性；后台系统采用C／S结构，完成数据采集、通信服务传输模块、异常报警模块等功能，并将数据保存到中央数据库系统和数据仓库。

5 结 语
    该系统采用统一的软、硬件平台、编制各种操作风格一致的数据录入、更新、删除、查询、统计等管理工具，保证操作的简易性、良好的可理解性及内容自动更新和自动维护能力。通过业务模块化设计及安全模块的实现，按部门和职务构成二维权限控制网络，以确定每一个操作者在系统的位置，保证数据访问的安全与等级。系统采用数据库系统具有自动备份功能，保证数据库中数据的安全性与可靠性。利用数据库的事务处理能力，保证在可预计的并发用户访问数目时不会发生性能下降及数据阻塞。同时，该系统设计多种系统管理工具，可以查询用户访问情况，侦测异常访问，及时评估系统的安全水平。