CN105807822A - 一种粮库粮情智能检测及监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种粮库粮情智能检测及监控系统，包括粮库智能巡检机器人控制装置、无线通讯模块、超宽带定位装置、环境调节设备、计算机和报警装置；粮库智能巡检机器人控制装置包括电池管理系统模块、电源模块、传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带标签、同步器、超宽带阅读器、定位服务器、机器人驱动模块和超宽带定位模块；中央处理器将数据采集模块采集到的粮堆表面不同的监测点位置和粮堆内的环境信息通过无线通讯模块实时上传到计算机；本发明能够在粮堆中自主移动、精准定位、粮堆温湿度实时检测及自动控制调节，可以实现实时动态全方位粮情监控和储粮环境全自动调节。
Description
技术领域
本发明属于粮食仓库自动化管理技术领域，具体涉及一种粮库粮情智能检测及监控系统。
背景技术
粮食是特殊的商品，我国是一个有众多人口的粮食消费大国，粮食安全关系到国民经济发展和社会稳定的重大战略问题。粮食储备也是为应付突发性事件、救灾备荒以及调节粮食市场而采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏是保证粮食安全的重要环节。
要保证粮食的安全储藏主要就是保证其处在正常的温度和湿度环境下，全面实时掌握粮食仓库内粮堆的温湿度变化情况，对出现的温湿度异常及时做出正确处理是保证粮食存储质量的关键。传统的人工测量温度和湿度的方法，存在着工作量大、效率低的问题，尤其是大型粮仓的检测不能得到及时且彻底的完成，从而会导致粮食霉变的发生。
粮库粮情检测设备目前主要是取样器，也叫扦样，分层取样器主要用于散装粮堆，散装粮车的取样，一次插入多层取样。电动扦样器适用于平房仓、地下仓、深层粮食取样和投药及在储运，质检等过程中进行扦取样品，也可用于布设监测电缆，局部设点投放杀虫药剂等。全自动粮食取样器专门用于车载包装粮食，散装粮食，车载粮食检验检测。然而，我国大部份的粮库管理还是以人工为主的粗放型管理，采用扦样取粮主要是依赖人力，劳动强度大，尤其对于大型粮库则取样困难。电动扦样器虽然可以用于大型粮库，同样需耗费大量人力，而且对多次取样点的粮食进行分析方可获得信息，粮库的管理效率低下。
粮食仓库检测技术是通过传感器来采集粮仓的温度、湿度值，通过微处理器进行处理并输出适当的控制信号控制继电器、驱动相关设备来实现仓库自动通风，在一定程度上解决了传统人力效率低的问题，但自控粮仓监控系统需要在粮仓中布置大量传感节点，系统的可靠性取决于传感节点的数量以及传感节点的性能。粮仓规模越大，所需要的传感节点也就越多，由于粮仓的特殊环境，传感节点铺设存在监控死角，并且传感节点维护难度高，从而影响了自控粮仓监控系统的可靠性。
我国现阶段使用的粮情测控系统功能单一，只能测定温度和空间湿度，缺少对粮食水分、害虫、霉菌、气体成分等多项影响储粮安全因素的监测。各个系统互不兼容，耐熏蒸腐蚀和抗雷击性能差，系统对粮情控制的功能还不完善。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种智能化、精确定位、准确实时检测及自动控制调节粮库粮仓环境的一种粮库粮情智能检测及监控系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种粮库粮情智能检测及监控系统，包括粮库智能巡检机器人控制装置、无线通讯模块、超宽带定位装置、环境调节设备、计算机和报警装置；
粮库智能巡检机器人控制装置包括电池管理系统模块、电源模块、传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带标签、同步器、超宽带阅读器、定位服务器、机器人驱动模块和超宽带定位模块；
中央处理器将数据采集模块采集到的粮堆表面不同的监测点位置和粮堆内的环境信息通过无线通讯模块实时上传到计算机；粮库智能巡检机器人控制装置包括超宽带定位模块，超宽带定位模块实时发射超宽带信号，超宽带定位装置接收到超宽带定位模块的脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机；
传感检测模块负责粮仓内仓库温度、相对湿度、粮仓内二氧化碳浓度的实时动态测量和监控，并通过中央处理器将其数据发给计算机，并执行粮库智能巡检机器人和计算机发出的指令；
环境调节设备包括除湿设备、调温设备和通风设备，计算机对相应的除湿设备、调温设备、通风设备进行控制，并通过报警装置进行警报，警报条件为：仓库温度大于30℃，相对湿度大于80％，二氧化碳浓度大于5％。
电池管理系统模块用于动态监测动力电源模块的工作状态；
电源模块为传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带阅读器、机器人驱动模块和超宽带定位模块供电；
传感检测模块用于实时探测粮堆内部和粮仓外部环境的温度、湿度、二氧化碳浓度和图像信息，并将监控到的数据传输到计算机；
数据采集模块将传感检测模块采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过无线通讯模块发送到计算机；
中央处理器用于处理接受电池管理系统传输的指令、电源模块的指令、传感检测模块的指令和数据采集模块的指令，中央处理器与无线通讯模块数据交换，并且中央处理器用于控制机器人驱动模块；
超宽带标签以7.5Ghz频率发射超宽带脉冲序列，超宽带阅读器接收超宽带脉冲序列并解析从而得到脉冲序列的到达时间戳及标签数据，超宽带阅读器得到的数据经同步器处理后传送给定位服务器，定位服务器发送信号给中央处理器，中央处理器做出相应指令；
机器人驱动模块用于驱动粮库智能巡检机器人行走以及转向；
超宽带定位模块实时发射超宽带信号超宽带定位装置接收到超宽带脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机。
超宽带定位装置用于接收超宽带脉冲信号，并通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机。
无线通讯模块包括传感器模块、ADC模块和收发器。
计算机包括系统初始化模块、数据处理模块、机器人控制模块、粮库控制设备模块、数据存储模块和系统数据库；
系统数据库包括系统备份模块和系统日志模块。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明可用于大中型粮库为解决粮食储藏过程中人工测量粮堆温度、湿度、结块、霉变、发热及虫害等粮情参数存在着工作量大、效率低的问题，以及克服现有自动化粮仓检测监控系统需在粮堆中传感节点多、监控死角和维护难等问题，利用穿行于粮堆中的具有自主移动与精准定位功能的检测机器人及携带的传感检测和通讯系统，可将任意位置粮情参数无线传输给监控室的智能监控系统，将大大减少粮食储备损失、大幅度提高效率和降低储藏成本，可广泛应用于大中型粮库实现实时、动态及全方位的粮情监控，减少粮食储藏过程中的损失。
综上所述，本发明能够在粮堆中自主移动、精准定位、粮堆温湿度实时检测及自动控制调节，可以实现实时动态全方位粮情监控和储粮环境全自动调节。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中粮库智能巡检机器人结合无线通讯模块的控制原理图；
图3是图1中无线通讯模块结合粮库智能机器人控制装置的结构示意图；
图4是图1中计算机的结构示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明的一种粮库粮情智能检测及监控系统，包括粮库智能巡检机器人控制装置、无线通讯模块、超宽带定位装置、环境调节设备、计算机和报警装置；
粮库智能巡检机器人控制装置包括电池管理系统模块、电源模块、传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带标签、超宽带阅读器、定位服务器、同步器、机器人驱动模块和超宽带定位模块；
中央处理器将数据采集模块采集到的粮堆表面不同的监测点位置和粮堆内部的环境信息通过无线通讯模块实时上传到计算机；数据采集模块的具体探测手段为现有技术，可以为红外线探测，也可以为探头探测。
粮库智能巡检机器人控制装置包括超宽带定位模块，超宽带定位模块实时发射超宽带信号，超宽带定位装置接收到超宽带定位模块的脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机；
传感检测模块负责粮仓内仓库温度、相对湿度、粮仓内二氧化碳浓度的实时动态测量和监控，并通过中央处理器将其数据发给计算机，并执行机器人和计算机发出的指令；
环境调节设备包括除湿设备、调温设备和通风设备，计算机对相应的除湿设备、调温设备、通风设备进行控制，并通过报警装置进行警报，警报条件为：仓库温度大于30℃，相对湿度大于80％，二氧化碳浓度大于5％，除湿设备、调温设备和通风设备均为现有技术。
电池管理系统模块用于动态监测动力电源模块的工作状态，本发明选用惠州市亿能有限公司的产品型号为EV01的电池管理系统模块；
电源模块为传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带阅读器、机器人驱动模块和超宽带定位模块供电，本发明电源模块选用北京稳固得电子有限公司产品型号为WDA20-30的电源模块；
传感检测模块用于实时探测粮堆内部和粮仓外部环境的温度、湿度、二氧化碳浓度和图像信息，并将监控到的数据传输到计算机；
数据采集模块将传感检测模块采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过无线通讯模块发送到计算机；本发明数据采集模块选用成都博睿电子科技有限公司产品型号为MODBUSRS485的数据采集模块；
中央处理器用于处理接受电池管理系统传输的指令、电源模块的指令、传感检测模块的指令和数据采集模块的指令，中央处理器与无线通讯模块数据交换，并且中央处理器用于控制机器人驱动模块；
超宽带标签以7.5Ghz频率发射超宽带脉冲序列，超宽带阅读器接收超宽带脉冲序列并解析从而得到脉冲序列的到达时间戳及标签数据，超宽带阅读器得到的数据经同步器同步处理后传送给定位服务器，定位服务器发送信号给中央处理器，中央处理器做出相应指令；
机器人驱动模块用于驱动粮库智能巡检机器人行走以及转向；
超宽带定位模块实时发射超宽带信号，架设在粮仓的超宽带定位装置接收到超宽带脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机，超宽带定位模块和超宽带标签均为江苏唐恩科技有限公司生产。
超宽带定位装置用于接收超宽带脉冲信号，并通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机。
计算机包括系统初始化模块、数据处理模块、机器人控制模块、粮库控制设备模块、数据存储模块和系统数据库；
系统数据库包括系统备份模块和系统日志模块。
粮库智能巡检机器人的履带行走机构可保证其在粮食堆上行走而不陷入粮堆，具有提供前进动力的动力驱动系统，调整前进方向的转向系统，能够在粮堆表面钻进并检测粮堆内部储粮参数，且可在粮堆内部取样和进行局部施药；粮库智能巡检机器人本体携带的外部传感系统可用于检测储粮周围环境的传感检测系统；粮库智能巡检机器人控制系统具有信息传递及运动控制功能、粮库智能巡检机器人运动轨迹无线定位系统；粮库智能巡检机器人的传感检测模块、超宽带定位模块与中央处理器通讯联接；机器人驱动模块由偏转单元和移动单元组成,设计机器人的偏转单元和移动运动单元以及头尾连接结构。以多刚体运动学对粮仓监控机器人两种典型的运动模式进行运动学的分析，获得机器人的运动位移和速度，机器人运动的控制策略等。
所述的粮库智能巡检机器人的定位导航采用超宽带定位模块来解决粮库检测机器人的自主导航问题。在粮库环境中规划布置定位参考点（也称定位基站）并安装超宽带阅读器，超宽带标签内置于粮库智能巡检机器人，超宽带标签以7.5Ghz频率发射超宽带脉冲序列，阅读器接收超宽带脉冲序列并解析从而得到脉冲序列的到达时间戳及标签数据，阅读器得到的数据经同步器同步处理后传送给定位服务器，系统依据接收到的到达时间戳，依据三角定位算法可以得到标签所处位置及运动轨迹，通过定位平台将数据进行综合并通过GIS软件可把待测点的实时位置显示在电子地图上从而实现可视化。在粮仓中布置超宽带定位基站，内置脉冲超宽带(IR-UWB)定位标签(Tag)于粮仓检测机器人中，搭建一个UWB传感器节点网络(如图所示)，采用基于IR-UWB技术的室内精准定位系统，根据传播脉冲的属性来进行信号强度的精确测量，整合时差(TDOA)、基于信号强度(RSS)算法，以确定粮仓检测机器人坐标位置，实现机器人精准定位导航。
传感检测模块和数据采集模块用于现场监测仪采集粮仓粮情的相应参数，如粮食温度、仓库温度、相对湿度、粮食水分、粮仓内二氧化碳等，并定时或根据指令发送至计算机；计算机将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，计算机可向设备控制器发出控制指令，计算机根据指令控制除湿设备、调温设备和通风设备进行降温除湿，以保证粮食存储质量。计算机也可以通过报警指令来启动声光报警装置，通知粮库管理人员采取相应措施来确保粮食存储安全。中央处理器核心采用低功耗的基于920T内核的ARM处理器S3C2440，主频400MHZ，适用于实时环境。
无线通讯模块包括传感器模块、ADC模块和收发器；无线通讯模块采用ZigBee无线传输模块，ZigBee无线传输模块选用广州致远电子公司产品型号为ZM5168的无线传输模块，粮堆内部和外部的传感器将得到的模拟信号温湿度信息传输到数据采集模块，数据采集模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，通过ZigBee无线传输模块发送到计算机。无线通讯模块采用ZigBee的自组网系统，适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
计算机包括系统初始化模块、数据处理模块、机器人控制模块、粮库控制设备模块、数据存储模块和系统数据库；计算机基于Windows应用开发平台，数据库Server采用SQLSERVER2008，可稳定的运行在X86架构下的服务器和PC机，全面兼容微软的MicrosoftWindows操作系统；计算机可以设定智能巡检机器人的运动速率、运动模式；可实时监测粮仓内的温度和湿度信息，并且温度和湿度信息附加精准的位置；计算机可以设定粮仓不同区域的温度湿度上下限，条件超限报警；可以浏览、查询和保存粮仓检测机器人的历史轨迹、粮仓温湿度信息。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种粮库粮情智能检测及监控系统，其特征在于：包括粮库智能巡检机器人控制装置、无线通讯模块、超宽带定位装置、环境调节设备、计算机和报警装置；
粮库智能巡检机器人控制装置包括电池管理系统模块、电源模块、传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带标签、同步器、超宽带阅读器、定位服务器、机器人驱动模块和超宽带定位模块；
中央处理器将数据采集模块采集到的粮堆表面不同的监测点位置和粮堆内的环境信息通过无线通讯模块实时上传到计算机；粮库智能巡检机器人控制装置包括超宽带定位模块，超宽带定位模块实时发射超宽带信号，超宽带定位装置接收到超宽带定位模块的脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机；
传感检测模块负责粮仓内仓库温度、相对湿度、粮仓内二氧化碳浓度的实时动态测量和监控，并通过中央处理器将其数据发给计算机，并执行粮库智能巡检机器人和计算机发出的指令；
环境调节设备包括除湿设备、调温设备和通风设备，计算机对相应的除湿设备、调温设备、通风设备进行控制，并通过报警装置进行警报，警报条件为：仓库温度大于30℃，相对湿度大于80％，二氧化碳浓度大于5％。
2.一种粮库粮情智能检测及监控系统，其特征在于：电池管理系统模块用于动态监测动力电源模块的工作状态；
电源模块为传感检测模块、数据采集模块、中央处理器、超宽带阅读器、机器人驱动模块和超宽带定位模块供电；
传感检测模块用于实时探测粮堆内部和粮仓外部环境的温度、湿度、二氧化碳浓度和图像信息，并将监控到的数据传输到计算机；
数据采集模块将传感检测模块采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过无线通讯模块发送到计算机；
中央处理器用于处理接受电池管理系统传输的指令、电源模块的指令、传感检测模块的指令和数据采集模块的指令，中央处理器与无线通讯模块数据交换，并且中央处理器用于控制机器人驱动模块；
超宽带标签以7.5Ghz频率发射超宽带脉冲序列，超宽带阅读器接收超宽带脉冲序列并解析从而得到脉冲序列的到达时间戳及标签数据，超宽带阅读器得到的数据经同步器处理后传送给定位服务器，定位服务器发送信号给中央处理器，中央处理器做出相应指令；
机器人驱动模块用于驱动粮库智能巡检机器人行走以及转向；
超宽带定位模块实时发射超宽带信号超宽带定位装置接收到超宽带脉冲信号后通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机。
3.根据权利要求1所述的一种粮库粮情智能检测及监控系统，其特征在于：超宽带定位装置用于接收超宽带脉冲信号，并通过定位服务器测定粮库智能巡检机器人的实时位置并实时上传到计算机。
4.根据权利要求1所述的一种粮库粮情智能检测及监控系统，其特征在于：无线通讯模块包括传感器模块、ADC模块和收发器。
5.根据权利要求1所述的一种粮库粮情智能检测及监控系统，其特征在于：计算机包括系统初始化模块、数据处理模块、机器人控制模块、粮库控制设备模块、数据存储模块和系统数据库；
系统数据库包括系统备份模块和系统日志模块。
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