小麦仓储环境监控研究

2015-05-30范延彬等

中国市场 2015年28期

关键词：无线传感器网络

范延彬等

[摘要]本文分析了影响小麦存储品质的关键环境因素，针对当前小麦仓储环境监控中存在的不足，构建了基于无线传感器网络的小麦存储环境监控系统架构。

[关键词]小麦仓储；环境监控；无线传感器网络

[DOI]1013939/jcnkizgsc201528040

1 引言

随着我国农业科技的快速发展，小麦产量不断增加，小麦的仓储量也随之增加。小麦在储存过程中，易受到各类害虫、霉菌等生物因子、非生物因子的影响，加之小麦作为战略储备粮食，其储存周期较长，麦堆的温湿度随外界的季节性变化大，容易引起发热霉变，造成品质的变化和数量的损失。同时，由于资金和技术上的原因，我国的大多数小麦仓库仅限于人工监测仓内的温湿度，存在监测不及时、信息不准确等问题，出现险情时不能及时做出相应的处理，从而造成大量的损失。因此，将信息化技术引入到小麦仓储监控系统，实现对小麦储存环境进行实时监测，得到更加准确的仓储环境信息，从而利于采取更加及时、有效的控制措施来保障小麦储存的品质，预防霉变、虫害等事故的发生，对国民经济发展具有重要意义。

2 小麦仓储环境参数分析

小麦储存品质的好坏直接受小麦仓库环境的影响，小麦仓储环境的状况可以用环境参数来表示，环境参数的变化会导致小麦存储品质的改变。小麦在存储过程中，当粮仓内的温度、湿度等参数发生变化进入危险状态时，易造成小麦的霉变和腐烂，同时仓内的气体、微生物以及虫害等因素都会对小麦存储品质造成影响。由此可见，安全的存储环境对保证小麦存储品质非常重要。

21 温度

温度包括大气温度、仓温和粮温。仓温受大气温度影响，粮温又受仓温的影响，但在时间上有一定延迟，同时会有一定程度上的减弱。所以，仓温的变化落后于大气温度，粮温的变化落后于仓温。

小麦具有较强的耐热性和较高的抗温变能力，在一定温度范围内不会丧失生命力，也不会使加工成的面粉品质下降。因此在不改变小麦水分等其他条件的前提下，温度的变化对小麦自身品质的影响较小。但温度过高会加强小麦的呼吸作用，长时间高温储存会降低小麦品质，对小麦出芽率、营养成分都有影响。

在一般的储存条件下，小麦进入仓库内，不可能不带有微生物和害虫。微生物和害虫的生命活动受环境温度的影响，只有在一定的温度范围内才能正常生存，所以温度是影响微生物和害虫生长繁殖的重要环境因素之一。小麦中存在的微生物多以中温性为主，它们生长的最适温度为20℃～40℃，生长的最低温度为5℃～15℃。玉米象、麦蛾与印度谷蛾对小麦的危害最为严重，当温度达到16℃时蛾类的幼虫就开始生长繁殖，达到30℃时生长繁殖最快。因此，温度升高到一定值时，微生物和害虫的活动会加强，导致粮食迅速变质。

因此储存小麦时，尽量保持仓库低温，不但可以相对保持小麦本身品质，又可有效抑制霉、虫的生长繁殖，避免粮食存储灾害。

22 湿度

湿度包含四个概念，①绝对湿度：单位容积的空气里实际含有的水汽量，一般用ρ表示；②饱和湿度：在一定温度下，单位容积的空气所能容纳水汽量的最大限度；③相对湿度：空气中实际含有的水蒸气量距离达到饱和含量的程度的百分比，即在一定温度下，绝对湿度与饱和湿度的百分比；④露点：水蒸气含量到达饱和湿度状态并开始液化成水时的空气温度，也称为“露点温度”。

小麦储存环境的水分条件包括大气湿度、粮仓湿度、麦堆湿度和小麦自身含水量，一般监测的粮仓湿度指的是相对湿度。小麦具有较强的吸湿性，易吸收空气中的水分，可促使其呼吸作用增强。

水分对微生物的生长发育具有重要影响，小麦中存在的微生物主要以霉菌为主，它对环境水分的要求低于细菌和酵母菌，因此，霉菌更容易生长繁殖。在小麦仓库中，最适合害虫生存的相对湿度在70%以上，适合霉菌生长繁殖的相对湿度在75%以上，对于霉菌来说，当相对湿度低于65%时，可抑制其生长。

因此在存储小麦时，尽量保持仓库环境干燥，这样可以大大降低微生物和害虫的繁殖或抑制其生长，减少它们的生命活动对小麦造成的品质破坏和污染。同时要注意对小麦露点的监测，防止空气湿热造成小麦表面产生结露。

23 微生物

小麦中常见的微生物有霉菌、细菌、酵母菌等。小麦是微生物良好的呼吸基质，微生物通过呼吸作用进行新陈代谢，来维持生命活动，导致麦堆内积聚大量的热量和水分，使得整个环境的微生物活动加剧，造成大面积小麦被霉菌感染，引起小麦霉变、变色变味、籽粒变软，甚至能产生毒素，使小麦带毒，影响人体健康。小麦胚部变褐就是其中一种霉变现象。

同时，微生物的生命活动分解小麦内的营养物质，造成小麦质量损失，营养品质、种植品质降低，食用品质变劣。

24 害虫

危害小麦储存的主要害虫有麦蛾、玉米象、谷蠹、赤拟谷盗等。由于小麦收获时正值高温季节，当前环境状态适于小麦害虫的生长与繁殖，对所储存小麦的品质造成严重影响。

有些害虫偏好啃食小麦籽粒的胚芽，造成作为种子的小麦的发芽率降低甚至完全丧失。有些害虫喜欢蛀蚀小麦的胚乳，使得小麦的营养价值降低、加工出的小麦品质降低。小麦中的害虫新陈代谢等生命活动同样会导致麦堆发热，引起更大范围虫害和小麦霉变，造成重大经济损失。同时，有些害虫能够危害小麦包装袋等材料，造成仓库内小麦储存的杂乱。

因此，在小麦入库时，就要做好灭虫工作，保证小麦仓储环境的洁净，尽量减小虫害造成的损失。

25 氧气浓度

氧气浓度会影响小麦自身的呼吸作用。第一，呼吸作用消耗小麦籽粒内部的营养物资，导致小麦的储存过程中干物质减少，使得小麦质量变差。第二，呼吸作用产生水分和热量，造成麦堆湿热，为微生物和害虫提供了适宜的生长环境。第三，小麦呼吸作用中产生的二氧化碳积累，将导致麦堆无氧呼吸进行，产生的酒精等中间代谢产物将导致小麦生活力下降甚至丧失，最终使小麦品质下降。

同时氧气浓度会影响微生物和害虫的生存环境，进而影响小麦存储。小麦中害虫的生存离不开氧气，多数霉腐微生物尤其是霉菌，需要在有氧的条件下才能正常生长。当氧气浓度下降到18%～35%时，可抑制微生物和害虫的生长繁殖，达到防虫、防霉的目的。

通过对上述因素的分析得出，外部环境因素对小麦存储的影响体现在两个方面。一是温湿度、氧气浓度等因素的变化会对小麦自身在储存过程中造成影响；二是温湿度、氧气浓度等环境因素会对微生物、害虫的生长发育产生影响，而微生物、害虫的生命活动会对小麦品质、质量造成严重影响。由此看出，温度、湿度、氧气浓度等因素会对小麦的储存产生直接和间接的双重影响。

3 小麦仓储环境监控现状

小麦存储环境容易受季节交替、昼夜变化、天气变化等外界因素的影响，小麦进入静态保管阶段，小麦储存的重要参考数据主要包括仓库内的温度、湿度、气体浓度等环境参数及其变化情况，保管人员和专业技术人员将根据这些数据的变化提出适当的处理措施。如果对储存环境监测不及时，而导致未能对其变化做出适当的措施，则可能会影响小麦存储品质，造成不可挽回的经济损失。

我国小麦仓库环境监控水平较低，监测设备相对落后，许多粮仓对小麦环境的测量设备仍使用温、湿度计或各种便携式测量仪器，定期巡视小麦仓库，采用人工读取的方式记录环境监测情况，人员素质不高，极易造成测量误差，精准度低，难以深入粮仓内部进行全面检测，占用人工成本高。通过人工监测结果启动环境参数控制设备对温湿度等环境参数进行调整，检测效率低下，无法对环境参数进行实时监控，不利于对环境变化做出及时快速响应，导致小麦变质等情况出现。

随着科技的发展，电子监测系统得到快速发展，逐步代替了仓库管理人员人工检测的传统方式。当前的小麦仓储环境监测系统一般采用电缆布线的有线方式，把PC机和单片机相结合组成主从式的检测系统，与人工检测相比，提高了监测效率和准确性。然而，这种有线监测系统需要铺设大量电缆，线缆的部署复杂，可重塑性小，线路易随时间增长而老化，安装和维护成本高。当粮仓空间跨度较大、检测点数量较多、检测点位置经常变动时，将导致小麦仓库内部电缆纵横交错，造成安装、布线、供电、维护困难，使用成本增加，可靠性降低。

由此可以看出，人工监测和有线监测系统都存在不足之处，因此本文提出了一种基于无线传感器的小麦仓储环境监控系统，避免了人工监测不精确、效率低下等问题，同时又减少了有线监测中铺设电缆所存在的监测成本高、维护困难等不足。

4 基于无线传感器网络的小麦仓储环境监控系统

小麦仓储环境监控系统主要由传感器节点、汇聚节点、监控中心和各种执行设备等组成，如下图所示。

小麦仓储环境监控系统构成

41 传感器节点

传感器节点配置多个不同类型的传感器，包括温度、湿度、氧气浓度传感器，传感器节点被部署在小麦仓库内，每个传感器节点都配有无线通信模块，可以通过自组织或人工配置的方式构成无线网络，负责对影响小麦储存的环境因素的信息进行采集和传输。

42 汇聚节点

汇聚节点负责收集和处理各传感器节点的数据，并通过无线通信模块将其上传至监控中心，便于工作人员及时掌握环境信息。

43 监控中心

监控中心是小麦仓储环境监控的核心，其在接收到传感器采集的环境信息后，对数据进行处理分析，判断当前环境状态，相关人员根据情况需要作出不同应对措施。

44 执行设备

执行设备用于调控小麦仓库环境，主要通过人工进行控制。目前普遍采用的温度调节工具有空调、地表暖气管道等；湿度调节工具有加湿器、除湿器等；氧气浓度调节方法有充氮密封、通风增氧等。