农资仓储品质保障监控系统研究

农资即农业生产资料,包括种子、农药、化肥、农膜、农业机械设备及其原料、燃料、辅助材料等一系列用于农业生产的生产资料[1]。农资是农产品质量保障的前提和基础,比如作物种子在储存期应使其生理代谢和物质消耗降到最低,在较长时间保持种子的活力。储存条件、方法以及储存期间的管理, 直接影响种子的质量。同时,农资流通领域是全国大流通市场不可缺少的一部分,由于农资商品受生产季节性、地区性和使用的常年性、分散性的影响,或因生产的常年性、分散性和使用的季节性、集中性等原因,农资经营部门为了保证农资商品流通的连续性,确保农业生产的需要,也必须具有一定数量的储存。提高农资仓储的信息化水平,是建设高效、快捷、有序的农资市场物流体系的必然要求。

农资仓储是农资物流不可缺少的环节,是维护农资质量、 保障农资安全的重要阶段。目前,我国农资仓储的仓型和机械装备水平低,由于仓储环境不良所引起的农资损失量巨大。特别值得注意的,大部分是光线照射、水的浸蚀、虫害、变质、防火不良、破裂等造成的农资腐坏损失。我国农资质量安全监管体系和检验检测体系尚不完善,基于物联网[2,3,4]的农资仓储品质保障关键技术和监控系统的相关研究较少。

随着现代仓储技术的不断发展,对仓储监控管理系统的实时性、高效性、灵活性和可靠性的要求也日趋提高。近年来仓储监控管理[5]在检测到环境异常信息后,需要再次通过人工方式对仓储环境设备进行调整,误差大、耗费时间、工作效率低下,特别是农资物品对仓储环境监控的实时性、高效性和可靠性有较高的要求,因此亟需现代化科技手段对仓储运行环境和仓储环境保障设备进行监控管理,以保障仓储农资的原有品质。

本文在分析农资仓储品质要求的基础上,提出一套针对农资仓储品质保障环境监控系统实施的策略和方法,给出监控系统总体架构。

农资产品品种多样,规格不一。有的农资有毒、有的技术含量高,对仓储的条件要求高。比如农作物种子在高温、高湿的贮藏条件下容易感病腐烂,温度太低又会冻伤,环境过于干燥易脱水萎焉,这会降低种子发芽率。化肥大多数有挥发性和腐蚀性。要确保储存的农资绝对安全,维护好农资的使用价值。

化肥对于仓库温度、湿度等环境控制要求较高。温度越高,氮的损失越大。碳酸氢铵、氨水等氮肥的稳定性差,当温度超过20℃时,就容易分解为氨气、二氧化碳和水并逐渐挥发散失。因此,备储的化肥应放置在阴凉干燥的室内,温度保持在10℃~15℃为宜。

农作物种子在储存中存在着许多敏感的地方,种子贮藏期间,通常要以温度、水分、虫害、种质变化为主要内容进行经常性的检查。仓储温度、湿度控制失衡将导致种子霉变和滋生蛀虫,造成巨大的损失。要保存种子高度的发芽率和种子的食用品质,必须做到合理贮藏。比如棉花种子种皮厚而坚硬,在低温干燥条件下贮藏,寿命可达10年以上。但如果温度和湿度较高就会使棉花种子的呼吸作用加强,不仅消耗养分, 而且还产生水分和放出热量,导致种子堆发热霉变,降低活力。因而最主要的是注意温度和湿度的变化,防止仓库害虫、 寄生菌类的危害。

对仓储温度、湿度环境的控制起到保障种子品质的关键作用。表1为不同农作物种子仓储的温湿度要求。

总之,种子、化肥等农资的安全存储需要较为稳定的仓储环境,即仓库温度、湿度等都要保持在许可的范围内,否则容易发生变质,从而导致重大损失。此外,有些品类的农资在仓储时还要注意光照、空气含氧量等环境参数,对于包装、堆放等也有一些要求。

根据上节的分析,温度、湿度控制的理想程度是衡量农资存储系统性能的重要指标,而其基础是快速、准确地检测温度、湿度参数并及时进行处理。目前农资仓储温度、湿度检测和调节主要由人工来进行。由于仓储面积大,仓内温度检测点多,人工检测不仅工作量大、检测周期长、容易漏检,而且测试精度不易保证,随意性强、处理慢。物联网具有全面感知、 可靠传送、智能处理等特点,基于物联网的农资仓储品质监控系统从环境的及时监测、信息的充分共享、设备的实时控制等方面对仓储活动的各方面进行综合集成,不仅能使物联网的全面感知、可靠传送和智能处理优势得到良好的应用,还可以在信息充分共享的基础上,实现作业管理、设备自动控制和安全监控一体化的管理,进而使仓储管理与仓储控制得到双重优化。采用物联网技术实现农资仓储的品质监控,依据信息采集、传输和智能处理的需要,对温度、湿度等传感器在不同货区进行合理配置,实时监测货区温度、湿度等环境信息, 并根据农资仓储品质保障的安全范围进行预警、控制和调节, 实现仓储品质监控的自动化、智能化。

信息采集是其他功能发挥作用的前提和基础,信息采集要注意信息的准确性、及时性和完整性,信息输入的设备、人员和组织应要求严密、精确,并具备一定的校验能力、预防能力、抵抗破坏能力等。

信息采集技术属于物联网感知层技术,需要使用各种传感器装置采集仓库的温度、湿度、光照、空气含氧量等环境参数信息。随着电子技术的发展,数字式传感器由于数据采集方便得到越来越广泛的应用。以种子仓储温湿度环境参数监测为例,比如SHT11是一款高度集成的温湿度一体传感器芯片。 SHT11温度测量范围为- 40℃ ~ + 123.8℃ ,分辨率为0.01℃,测量精度为±0.4℃;相对湿度测量范围为0~100% RH,分辨率为0.03%RH,最高精度为±3%RH,能够满足种子仓储品质监测要求。

在信息采集的过程中,传感器节点部署会对监测数据的完整性、时效性和准确性有一定的影响。实时温湿度监测包括监测仓库内外温湿度和货堆内部温湿度。图1为传感器节点的部署示意图。在靠近仓壁、屋角、近窗处和仓门等位置部署传感器节点,同时,根据货堆的尺寸,在其内部部署1至多个传感器节点,为了放置方便,可采用探针等形式。以种子为例,建议货堆尺寸散堆以不超过1.5m、袋装以8个标准麻袋高为宜。

此外,在仓库外部署传感器节点,有利于仓内环境的自动化调节。比如通风必须根据仓库内外的温度和相对湿度而定。当外界温、湿度均低于仓内时,是通风的最佳时机,此时开启通风设备既可降温又可排湿;当仓外温度与仓内温度相同,而仓外湿度低于仓内或仓内外湿度基本相同,或仓外温度低于仓内时,也可以通风,前者以散湿为主,后者以降温为主。

信息传输不是一个简单的跨越空间障碍的物理传递问题,为了克服价值衰减问题,仓储环境信息一定要准确、及时地传输到各个功能环节,否则信息就会失去其使用价值。因此,建设农资仓储环境监控时,必须要充分考虑所要传递信息的种类、数量、频率、可靠性要求等因素,只有这些因素符合仓储品质保障的实际需要时,监控系统才有实际使用价值。

农资仓储环境感知数据的传递主要依托网络和通信技术,其中包括有线网络技术、无线网络技术和移动通信技术。有线网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施,通过互联网实现感知信息的可靠、安全传送。无线网络技术主要包括蓝牙、红外、Zig Bee[6,7,8,9]、Wi-Fi等,可以广泛应用于物联网底层数据的感知。移动通信技术应用于底层感知数据的远程传输, 通过不同类型网络最终将数据交付给用户使用,主要包括2G/ 3G/4G移动通信技术。

一般的传感器节点具有无线通信能力,通过将传感器和无线网络集成,构建无线传感器网络。传感器节点的一般硬件构成如图2所示。节点具有环境监测、数据存储与处理、无线传输等功能。无线射频模块可以采用蓝牙、Zigbee、Wi Fi等技术。无线传感器节点通过网关节点[10]连接Internet/Intranet网络。

物联网只是技术手段,目标是农资仓储环境监控的智能化。将感知到的信息通过网络传输到数据中心、利用信息处理技术进行区别和融合,完成实时的调整。物联网信息处理技术不但包括传统的信息处理手段,还包括数据库、数据融合等智能信息处理技术。传感器节点信息采集与处理时序如图3所示。

通常,物联网采集的都是零散的、表面无关联的、形式各异的信息,这些信息要进行存储、检索进而利用,必须经过一定的整理加工过程,这就是信息处理。

首先仓储环境信息的存储是指环境数据经收集和输入进入系统后,再经过整理、加工成为支持仓储环境监控系统运行的信息,这些信息需要暂时或永久保存以备使用。农资仓储品质保障监控系统的存储功能要保证已得到的信息能够不丢失、不变形、不外泄、整理得当、随时可用。无论哪一种监控系统,在涉及信息的存储问题时,都要考虑到存储量、信息格式、 存储方式、使用方式、存储时间、安全保密等问题。如果这些问题没有得到妥善解决,监控系统是不可能有效运作的。信息存储数据库和数据仓库是目前比较流行的数据资源管理技术,大量的仓储监控数据都是存放在相关的数据库中的。

物联网不但可以通过数字传感设备自动采集数据,也可以利用云计算、模式识别等各种智能计算技术,对采集到的海量数据和信息进行自动分析和处理,智能物流系统的智能化水平在很大程度上取决于它代替或部分代替人进行决策的能力,能按照设定的逻辑条件,如时间、地点、压力、温度、湿度、 光照等,在系统的各个设备之间,自动地进行数据交换或通信,对物体实行智能监控和管理,使人们可以随时随地、透明地获得信息服务。目前,这方面技术主要包括专家系统、数据仓库、数据挖掘、智能决策支持系统、计算智能技术等。

为满足农资对仓储品质和精准控制的要求,降低农资在仓储流通作业过程中的损耗,将物联网技术应用于农资仓储中,构建一种高效的农资仓储品质远程监控系统。系统总体框架如图4所示。

如图4所示,基于物联网的农资仓储品质保障监控系统可部署在多个仓库,这些仓库可以分布在不同的地理位置。每个仓库作为一个监控对象,又可以划分为多个监测区域。在监测区域部署传感器节点,这些节点具有环境监测(温度、湿度、光照度、含氧量等)、数据处理、无线传输等功能。各种环境传感器节点以一定的时间间隔采集环境信息数据,另外还可以根据需要设置每个监测区域的环境参数值的最大值和最小值。当实际监测的仓储环境参数值超出了所设置的极限值时可以启动报警器发出信号。在物联网传输层,每个监测区域对应部署一个或多个无线AP/网关节点设备/智能终端,用于接入Internet/Intranet网络。具体采用哪种网关节点设备取决于传感器节点所选用和支持的无线通信方式。

系统工作机制和流程为:传感器节点对农资仓储的环境和相关作业设备的状态信息进行测量获取(物联网感知层), 并将获取的数据通过无线网络和互联网(物联网传输层)传送到本地/远程监控中心(物联网应用层),同时可以接收来自监控中心的控制指令,将控制指令解析送达环境作业设备从而调节仓储环境。多传感器共同工作,在这个过程中将多传感器数据汇聚,对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析和优化综合,同时利用多种传感器的冗余信息互相补偿以获得充分的环境信息,利用计算机智能信息处理技术完成所需的决策和预期任务处理。

本文对农资仓储品质要求进行了分析,按照信息处理的层次提出了基于物联网的农资仓储品质监控方法和系统架构。 将物联网技术引入到农资仓储品质监控系统中,将彻底改变传统的仓储环境监控方式,有效地实现对仓储环境的实时监控, 保障农资的仓储安全并提高仓储作业环节的运作效率。