提出了一套應用於穀物儲存的智能穀倉設計方案，通過特定傳感器和計算機程序，對進出穀倉的穀物的重量變化和位置分佈進行精確估計，並通過無線局域網上載穀倉內穀物或糧食的進倉時間及位置分佈到儲糧調度服務器，實現穀物進出倉優化調度，通過智能傳感器並利用專家知識對穀倉內儲存的穀物狀態進行評估，調節倉內温度濕度並及時報警，防止穀物黴變和因儲存時間過長形成陳化糧，對於保證糧食安全以及優化糧食調度具有積極意義。
糧食儲存過程中的質量保障是關係到國家穩定發展的重要問題。近年來發生的陳化糧流入市場等不良事件已經成為現階段困擾我國食品安全和社會穩定的一個重要問題，對我國的糧食供應和人民健康構成嚴重威脅[1]。
與此同時，穀物(糧食的一種主要形態)的儲存管理十分繁雜，不但耗費大量的人力和物力，而且涉及到一系列技術和設施。隨着農業的發展，基於計算機網絡的智能技術成為解決複雜事務管理的重要方向[2-4]。研究智能穀倉系統來實現糧食安全存儲具有重要的現實意義。
1 智能穀倉的功能及控制
1.1 智能穀倉的功能
作為穀物安全存儲的設施，智能穀倉除了能夠實現穀物的進倉、出倉和存放等普通穀倉的功能之外，還具有兩個方面的特殊功能，一方面它可以自動感知倉內穀物的儲存環境和穀物儲存狀態，如平均進倉時間、最長進倉時間、分批進倉的量和位置分佈，倉內温度、濕度變化狀況，倉內是否有黴變傾向等;另一方面它可以通過專家系統根據入倉穀物的類型、入倉時間、傳感器採集的各項數據，運用知識庫中的專家知識對倉內穀物的狀況進行綜合分析和評估。
在此基礎上可以實現穀物入倉和出倉調度優化。通過智能傳感器可以預知倉內穀物黴變風險，根據倉內穀物類型和最長儲存時間預防穀物儲存時間過長而形成成化糧。此外，通過計算機系統的統計和監測降低日常管理工作強度、提高工作效率。
1.2 穀物進倉出倉控制及統計
從物理結構上看，儲存穀物的智能穀倉是一個具有一個入口和一個出口的封閉罐體和相應的控制系統組成。穀倉的物理結構如圖1所示。該穀倉的出口和入口由電子系統控制，不能同時打開。當入口打開時，壓力傳感器和處理機進入工作狀態，壓力傳感器不斷將壓力變化參數傳給處理器。處理機將壓力參數換算成倉內穀物重量並記錄時間，按照比重和穀倉內徑換算成倉內穀物分佈圖，當壓力達到臨界值時自動停止穀物輸入。
與此類似，當出口打開時，壓力傳感器和處理機進入工作狀態，壓力傳感器不斷將壓力變化參數傳給處理器。處理機將壓力參數換算成倉內穀物重量並記錄時間，按照比重和穀倉內徑換算成倉內穀物分佈圖，當壓力降低到臨界值時自動顯示存量穀物重量並提示停止穀物輸出。
1.3 穀物儲存狀態檢測與管理
實施穀物存儲管理依賴於穀倉內設置的各類傳感器和知識庫內的穀物儲存知識。這些傳感器包括電子鼻[5-6]及温度和濕度傳感器。通過温度和濕度傳感器獲知艙內穀物的儲存温度和濕度，再通過知識庫提供該類穀物的特性相關知識，評估當前温度和濕度環境是否適應當前穀物的安全存儲。
通過知識庫中有關該類穀物儲存週期評估穀物的存儲安全時間週期。通過電子鼻等智能傳感器檢測倉內穀物是否有異常氣味來確定倉內穀物是否有黴變傾向。
1.4 穀倉與服務器的通信
處理機通過無線局域網將穀倉的編號、物理位置、穀物分佈數據及穀物進出的時間上載到糧庫管理中心服務器中。管理中心可以及時查詢穀物的儲存時間和物理位置和重量等狀況，為科學的儲糧調度決策提供依據。
1.5 服務器中知識庫的知識組成
穀物類型知識，每種類型穀物存儲期間發生黴變的原因以及防止黴變的措施，例如温度和濕度及通風等方面的要求、每種穀物的安全存儲週期以及評估在存穀物質量的知識等。
1.6 服務器中谷物調度子系統
當新來穀物進倉時，記錄和上載穀物的數量、類型和時間，服務器啟動相應程序進行統計，以相同類型穀物放在臨近穀倉或同一穀倉和保持同一個穀倉的穀物進倉時間差最小為原則，輸出最佳進倉方案，這樣有利於維持穀倉的儲存環境管理。當有穀物出倉任務時，服務器啟動相關程序，確定哪些穀倉的穀物適合出倉。在滿足提取穀物在數量、類型和質量方面的要求前提下，儘可能將儲存時間相對較長的穀物出倉，這樣可以最大程度降低陳化糧的形成，防止管理上的失誤造成倉內穀物因儲存時間超期而形成陳化糧。
2 傳感器、處理機及服務器的功能
2.1 傳感器
智能穀倉具有一系列傳感器，一類用於倉內環境監測，如温度、濕度、氣味。這些傳感器安裝在圖1所示的傳感器安裝柱內，可按照不同高度和位置進行佈設。安裝柱本身還具有通氣等功能，可以獨立取出，便於維修。另一類用於穀物重量變化和倉門開閉監測，如壓力及倉門位置等傳感器。通過這兩類傳感器可以使得穀倉的存儲環境及時得到監測。其中谷倉的氣味傳感器在最近幾年中取得了很大的突破，該類智能傳感器被稱為電子鼻[5]，是一類專門為防止穀物黴變而研製的智能傳感器，使得一旦穀物有黴變傾向，穀物必然產生異常氣味，電子鼻通過其佈置在穀倉內若干個傳感器件以及其內部的專門針對穀物黴變的分析程序及時報警，為穀物的存儲提供安全保障。
將這些傳感器安裝在穀倉的'上中下三個層面可有效提高其對穀倉儲存環境變化的敏感性。傳感器的設置和位置選擇如圖1所示。倉內安裝三組温度、濕度和氣味傳感器，用於實時探測穀倉內不同部位的温度、濕度、氣味所處的範圍;通過處理機內的程序進行平滑處理，獲得倉內穀物儲存環境的具體數值。傳感器的安裝如圖3 所示。
2.2 處理機
數據處理和通信則由安裝在穀倉的處理機來執行，它由嵌入式計算機、無線網卡及A/D和D/A轉換模塊組成，是智能穀倉的數據收集、發送及對採樣數據進行預處理的執行機構。它從壓力、電子鼻、温度和濕度等傳感器獲得參數並通過特定程序計算出穀物重量變化，從電子鼻獲取檢測信息進行預處理後發送至服務器，從濕度及温度傳感器獲取監測數據進行加權平均和噪聲處理後通過無線局域網發送給服務器。此外，處理機還可以接收從服務器發來的指令，調節倉內空調、通風等設施的運行狀態，維護倉內環境，適應穀物的存儲。此外，處理機還通過A/D轉換控制電機開啟和關閉穀倉的出入口。其構成如圖2所示。
壓力傳感器位於穀倉的底部，主要用於檢測倉內穀物重量的變化。由於穀倉本身重量很大，採用減力槓桿的方式安裝，在計算實際重量時將傳感器獲得的壓力乘以槓桿的長度比就可以獲得穀倉的實際重量。具體結構如圖3所示。
2.3 服務器
服務器根據智能倉穀物發來的温度、濕度、重量、及電子鼻獲得的參數，針對倉內儲存的穀物的重量、類型、平均存儲時間，利用特定的計算機程序計算出倉內增加或減少的穀物重量及各批次進入穀倉的穀物在穀倉內的分佈狀況及穀物在倉內堆積高度。通過近似的分佈圖展示在服務器界面上，使管理員可以在管理中心瀏覽各個穀倉的存儲狀況。
服務器利用其知識庫內的專家知識，綜合季節、天氣等因素，評估倉內穀物是否具有黴變風險，評估倉內穀物的濕度及温度環境是否適應該類穀物的存儲。如果不適應倉內穀物的存儲，應調節倉內的温度和濕度及採取相應措施。並將這些數據通過無線網卡傳送到主服務器。
3 工作流程
3.1 處理機程序及工作流程
3.1.1 通信程序 每天定時將穀倉穀物所存穀物進入時間批次和每批次進入的重量發送給陳化糧監管服務器;定時將穀倉温度，濕度，氣味參數傳送給服務器。接收服務器發送來的温度、濕度調節指令，調節倉內儲存環境。
3.1.2 穀物重量及分佈位置 估算方法當有一批穀物進倉時，倉內穀物分佈會發生改變，其估計公式如下：
進倉穀物淨高度=穀物比重÷穀倉底面積;
穀物進入穀倉前穀物高度=穀物進入穀倉前重量÷穀倉底面積;
進倉穀物相對於穀倉底部高度=穀物進入穀倉前穀物高度+進倉穀物淨高度;
進倉穀物分佈範圍=穀物進入穀倉前穀物高度-進倉穀物相對於穀倉底部高度;
當有一批穀物出倉時，倉內穀物分佈會發生改變，其估計公式如下：
出倉穀物淨高度=穀物比重÷穀倉底面積;
穀物進入穀倉前穀物高度=穀物出穀倉前重量÷穀倉底面積;
出倉穀物相對於穀倉底部高度=穀物出穀倉前穀物高度+出倉穀物淨高度;
出倉穀物分佈範圍=穀物進入穀倉前穀物高度-出倉穀物相對於穀倉底部高度;
穀倉內穀物儲存平均時間=(第1層穀物重量×第1層穀物存儲時間+第2層穀物重量×第2層穀物存儲時間+…第n層穀物重量×第內n層穀物存儲時間)÷倉內穀物總重量;
出入口控制程序：當出口按鈕通電時，檢查入口是否處於關閉狀態，如果處於關閉狀態則啟動開啟電機打開穀倉出口;當入口按鈕通電時，檢查出口是否處於關閉狀態，如果處於關閉狀態則啟動開啟電機打開穀倉入口。
如果入口打開則處理器啟動圖4對應的程序流程圖工作，如果出口打開則處理器啟動圖5邊對應的程序流程圖工作。通過對歷次增加和減少的穀物重量的統計以及穀物的比重可以估算出穀倉內每次存入的穀物的重量和位置。由於採用先進先出的順序，穀倉底部的穀物保存的時間最長，因此一旦某穀倉底部的穀物接近存放極限值，則服務器更具智能穀倉提供的數據可以及時向管理員報警。
4 結語
智能穀倉的管理員通過服務器中的數據可及時掌握糧食儲存狀況：(1)共有多少穀物在儲存。(2)保存時間1～3月的穀物量及位置分佈，3～6月的穀物量及位置分佈，7～9月的穀物量及位置分佈。管理員可以根據糧食的儲存狀況優化出庫順序，防止穀物陳化事件發生，保障出倉穀物質量達到國家標準。
服務器知識庫的建立需要有經驗的專家進行密切配合，尤其是針對不同類型的穀物，發生黴變和陳化的誘因和時間有很大的差異，不能一概而論之;此外處於不同的地理位置，穀物的存儲期間質量保證的措施也應當因地制宜，對於具體問題應當根據以往的經驗形成針對性強的具體對策。
電子鼻的性能對於智能穀倉對穀物黴變的預防和監測非常重要，這類智能傳感器目前還沒有統一的國際或國家標準，因此在應用時應當根據所儲存的穀物事先進行實驗和校對，只有當試驗結果符合預期時方能投入使用。
文萃咖
