粮情监测技术的现状与展望

万曙峰　吴文福　杜吉山

摘 要：粮食是保证我国国民经济的发展和人民生活的稳定的基础，保证粮食安全问题十分重要，粮情监测装置是保证粮储安全的重要途径，本文主要阐述了粮仓内粮堆谷物参数的监测装置国内外研究现状，存在的问题以及未来的发展趋势。

关键词：粮食安全；粮情；监测

中图分类号：F762.1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332016

引言

我国是一个拥有13亿多人口的农业大国。粮食是国民经济的基础，是人类赖以生存的主要来源，它关系着我国国民经济的发展和人民生活的稳定。因此，保证粮食安全问题尤为重要，粮食的安全生态储存是提高粮食质量、减少粮食损耗的重要途径。

粮情监测是保证糧储安全的关键技术之一。粮情直接或者间接地反映了粮食的状态。若能既准确又快速地检测出粮堆中的粮食参数，如粮食温度湿度、粮食含水率、粮堆中各气体浓度等，并将各个参数及时地反馈给控制系统，控制系统就可以及时进行判断以及控制操作，从而减少储存环节中的粮食损耗[1]。

随着时代的进步、科技的迅猛发展，粮情监测问题也备受人们关注，单纯地依靠人工经验的传统粮情监测方法，已经远远无法满足现代社会的需求。而且由于影响粮情的因素较多，粮情复杂多变等问题，要想实现快速准确的粮情检测着实困难。不过，随着诸多新兴现代科学技术，如传感器技术、半导体物理学、电解质物理学以及信息融合等技术的快速发展，为粮堆中粮情检测技术的研究提供了新的科学依据[2]。

1粮情监测技术装置国内外研究现状

1.1国外研究现状

在国外，早在20世纪60年代就有使用粮情监控系统来保证储粮安全相关方面的研究。霍尼韦尔国际的工程师Hughes等使用氯化锂Dunmore型元素法快速测定小麦面粉的水分，将温湿度传感器插入测量样品中，再由之前建立的等温关系曲线得到样品含水率[3]。经研究人员测试，在10%～15%的含水率范围内，测量精度可达0.2%。1976年美国，William T. Eng发明了适用于粮仓的电子温度监控器[4]，其选用多个硅二极管作为测量元件，按一定的排列方式布置在粮仓内，通过电缆连接到外部监控单元，显示单元可以显示出各点的温度值。该装置还具有自动报警功能，当任何单个传感器达到或超过预先设定的温度值会启动报警功能。

近年来，国外农业发达国家已朝着虫霉发生情况、粮仓内粉尘及其他挥发性气体的检测的方向发展。加拿大的很多谷物研究课题在世界范围内一直保持领先地位，拥有高达19个谷物研究所。2011年加拿大的Md. E. Hossain·D·S. Jayas等人利用炭黑聚合物传感器阵列来拟合和监控小麦早期的赤拟谷盗的生长情况。该传感器阵列包含各方面的传感器：相对湿度传感器、温度传感器以及苯乙烯共聚物传感器，能有效区分赤拟谷盗和小麦。2015年加拿大曼尼托巴大学的Mohammad Asef等人提出了通过完整的三维矢量电磁成像系统来监控储粮腐坏情况，该系统使用有限元法对比度源反演（MORFEM-CSI）算法重建谷物颗粒的完整三维电解质地图，任何腐坏都可在电解质图中显示，可以远程监控粮仓。2015年，美国阿肯色大学助理教授Griffiths Atungulu提出了一种基于平衡水分含量（EMC）新的布线和传感器技术，使用测量空气环境和温湿度传感器，能准确评估谷物质量，包括大米产量（MRY）、水稻产量（HRY）、米的颜色和黏性，并且能有效监测霉菌毒素特别是黄曲霉毒素的生成[5]。

1.2国内研究现状

我国粮情监测技术与国外相比发展较晚，市面上大多数粮情监控系统都是以节点的形式布置温湿度传感器，再根据预先设定的温度阀值判断是否进行通风降温等操作。某些地区的粮库甚至还是依靠人工检测，即有专门的粮情巡检员，定时用“铁探子”对粮仓粮情进行检测，工作效率与检测精度较低，随机性强，并不能客观反映真实粮情。

随着国家一系列政策措施的推出，我国很多高校在粮情监测方面也取得了一些成绩。延边大学朴相范、北京邮电大学周慧玲、南京理工大学吴明赞、安徽大学张红伟、西安工业大学贺为婷、陈中孝以及秦刚、华中科技大学的陈良洲等人都相继研究开发出基于嵌入式、ARM、GPRS、Internet或Zigbee其中一种或数种技术相结合的无线粮情测控系统[6-13]。这种系统都是以节点的方式布置温湿度传感器，以各节点的粮情推测出整个粮堆粮情分布情况。由于是无线系统，安装较为方便。南京农业大学沈明霞在基于嵌入式技术的无线粮情测控系统的基础上，提出以EMC模型预测粮食实时含水率，并通过试验验证改进ChunPfost模型具有较为准确的粮食水分预测精度[7]。此外太原理工大学杜文广与徐州国家粮库合作研发出基于EZMAC Improved通信协议的无线粮情监控系统，并完成了虫害传感器的开发，目前该系统已在徐州国家粮库投入运行[8]。东北大学李新光、邵富群团队在粮仓外表面上安装8电容极板，组成传感器阵列，结合电容层析成像技术（ECT）实时检测粮仓粮食水分[9]，具有非侵入、非辐射、响应速度快等特点。河南工业大学张元在研究RIS-K2型雷达的基础上，根据粮食电磁特性，将跨孔雷达探测技术应用于粮仓内，提出了反射透射式粮仓储粮水分的电磁波检测方法，搭建了室外检测粮食水分的测控系统[10]。

2存在的问题

经过30a的发展，可以看出，国内的粮情检测技术取得了一定的成绩，但目前仍然存在一些问题：

2.1系统检测参数单一

这是我国粮情监测技术存在的主要问题。目前大多数粮仓内使用的粮情检测系统都是根据国家颁布的传感器布置原则安装布置测温电缆和湿度传感器，很少系统有对粮食水分、虫害范围、霉变状况、仓内粉尘和粮食品质等进行检测。检测结果仅有温湿度参数，很难形成正确全面反映粮食真实状态。

2.2系统功能单一

很多测控系统都不含有智能专家系统模块来根据粮情分析决策，只是简单地根据预先设定的温湿度阀值启动报警功能，甚至某些系统的通风降温设备仍需要人工开启。造成这个问题的因素与系统能够获得的检测参数过少有很大的关系。

2.3各检测单元分离，造成系统布线繁杂

根据国家标准A*，每个粮仓内都会布置多个温度、湿度、水分、气体传感器等，这些传感器都是由不同生产厂家生产，彼此并不能联立。如此一个粮情测控系统中含有温度测量系统、湿度测量系统、水分检测系统、气体检测系统等多个子系统。系统搭建、维修都会异常困难。

3 展望

粮情的监测对保证储粮的安全与质量都具有十分重要的意义。本文针对粮情多参数监测进行了研究，开发了一套粮堆多参数监测装置。虽然实现了粮食含水率、温湿度3种检测于一体的功能，但还存在一些不足之处，需要日后加以改进。

3.1检测参数全面化

本装置只是针对温湿水3种粮食参数进行了检测，在此基础上可以再增添其他传感器，实现更多传感器的融合。CO2可以从侧面反应出粮堆虫霉生长情况；在应用气调仓储技术的粮仓中，有必要安装硫化氢或氯气传感器，以检测硫化氢或氯气的空气浓度，保证进仓人员安全；此外还可以安装粉尘传感器，防止密闭粮仓内环境滋生过多粉尘，发生爆炸事件。

3.2系统网络化的简洁化

由于使用RS-485标准进行上下位机通信，理论上一个上位机可以外挂32个下位机。目前本装置在仓外仅需要一根六芯总线进行电源供电和数据传输，比传统布置测温电缆的测控系统布线更为简洁。但实际上监测装置相互处于并联状态，都需要一根数据线与总线相连，系统总线仍然较为繁杂。因此有必要对监测装置接口进行设计，实现各装置间的通信功能，将各装置串联起来，如此势必可减少大量的总线浪费。甚至在可以解决电源供电问题后以无线的方式与上位机通信。

3.3装置校准的简易化

本装置的谷物水分检测主体传感器是电容式谷物水分传感器。电容式水分传感器在长时间使用后，其检测数据会逐渐失真，此时需要对水分仪进行重新标定。而粮仓内粮食堆放一般都为2～4a，时间较长。接下来可对装置检测水分失真现象进行研究，建立对发生失真现象的校准模型。

参考文献

[1]苑平度.粮食仓储新技术.新设备与现代化管理全书[M].吉林摄影出版社，2004.

[2]李建华.数字化粮情测控系统在粮食储藏中的应用[J].粮食流通技术，2002（4）.

[3]Hughes， F. J.， J. L. Vaala， and R. B. Xoch. Rapid measurement of moisture in flour by hygrometer[J]. In Humidity and Moisture.1965（1）.

[4] William T. Eng. Electronic bin temperature monitor[P]. US PAT： US4102194 A，1978-07-25.

[5] Griffiths Atungulu. New Engineering in Grain Drying and Storage-Maintaining quality and preventing mycotoxins[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers，2015， 22（4）：12 - 14

[6]張剑.国内粮情测控系统的现状及发展趋势[J].电子产品世界.2001（2）.

[7]梁琨，沈明霞，等. 基于平衡水分模型的稻谷含水率实时监测系统 [J]. 农 业 机 械 学 报，2013，44（1）：125-128.

[8]黄焱，杜文广. 徐州国家粮库无线粮情测控系统的设计与实现[D].山西：太原理工大学测试计量技术及仪器专业，2012.

[9]杨梅影，李新光.ECT技术在粮仓水分检测中的应用研究[D].辽宁：东北大学信息科学与工程学院，2006.

[10]王艺锦，张元.反射透射式粮仓储粮水分的电磁波检测方法的研究[D].河南：河南工业大学信息科学与工程学院，2012.

[11]粮油标准汇编：机械卷[S].2版.中国标准出版社，2005.

作者简介：万曙峰（1991-），男，湖南岳阳人，硕士，吉林农业大学，研究方向：智能化检测与控制技术。