一种实时检测散装粮堆粮食储藏状态的系统及方法与流程

一种实时检测散装粮堆粮食储藏状态的系统及方法，用于实时监测粮食的储存状态，属于粮食储藏技术领域。

背景技术：

我国是目前世界上最大的产粮国，仅小麦、玉米、水稻三种主要粮种每年的产量即达5亿余吨，其中约80％需经过长期或较长期(通常指半年以上)的堆装储藏过程。由于粮食属季节性产出，分时分散消耗的人类基本消费物资，其大规模集中处理、储藏、运输等过程也是我们必不可少的工作内容之一。

对于大多数粮食，在收获后至加工处理之间的一段时间内，在整个储、运过程均保持为生物种籽状态，且绝大部分处于散装、散运、散储状态，因此粮食的安全性指标即包括物理性质指标，也包括生物特性指标。面对散装储运过程中的大规模散装粮堆(通常可达数百吨、数千吨、甚至上万吨)，如何快速掌握粮食的物理与生物特性指标，如堆装体积、重量、堆积形状、散装粮堆的温度、水分含量、杂质含量、有害生物及微生物活动状态等，都是工作过程中必须要解决的问题。

目前实际生产过程中对上述有关问题的解决状况是，大部分靠现场人力观察，重量靠一车车、一磅磅称量计数累计；进出仓等作业的实时状况靠有经验的人现场观察和估量；水分、杂质、有害生物及微生物活动状态等指标靠人工抽样检测；粮温只对需长期储藏的散装粮堆进行预埋测温电缆的方式进行定点监测等。而大规模粮食储运过程中，现场的恶劣环境，如灰尘、噪音、密闭等，更使上述监控粮食流通过程的方法成为不可能或缺乏可靠性。

技术实现要素：

本发明针对上述技术缺陷之处提供了一种实时检测散装粮堆粮食储藏状态的系统及方法，解决现有技术中在对粮食收获后至加工处理之间的一段时间内，因无法快速掌握粮食的物理与生物特性指标，从而无法实时监控粮食的储存和运输状态的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种实时检测散装粮堆粮食储藏状态的系统，其特征在于，包括；

现场数据采集模块：用于采集被检测散装粮堆表面的任意点与所设现场数据采集模块之间的距离、散装粮堆表面多点的温度、气体成分、散装粮堆的影像和被检测点进行数据采集时对应的旋转角度信息；

后台信息分析与控制模块：用于控制和接收现场数据采集模块采集的信息，并用于计算、分析被检测散装粮堆的堆高、体积、重量、温度分布状态和气体分布状态，显示计算、分析的结果和现场数据采集模块采集的信息；

网络模块：用于后台信息分析与控制模块接收现场数据采集模块采集的信息以及传递对现场数据采集模块的运行指令信息。

进一步，所述现场数据采集模块包括：

测距传感模块：用于以非接触方式精确测量被测散装粮堆表面任意点与测距传感模块之间的距离信息；

测温传感模块：用于以非接触方式测量被测散装粮堆表面任意点的实时温度信息；

影像信息采集模块：用于采集被测散装粮堆的影像信息；

气体成分检测模块：用于检测被测散装粮堆表面的气体成分信息，即测量散装粮堆表面气体中的h2o、o2、co和co2；

云台：用于安装测距传感模块、测温传感模块和影像信息采集模块，并采集被检测点进行数据采集时对应的旋转角度信息；

发送模块：用于发送测距传感模块、测温传感模块、影像信息采集模块、气体成分检测模块和云台采集的数据信息；

基座：用于安装云台和气体成分检测模块。

进一步，所述云台包括横向轴旋转部分和纵向轴旋转部分，测距传感模块、测温传感模块和影像信息采集模块安装于横向轴旋转部分，横向轴旋转部分以横向轴作为旋转轴做0°-180°旋转；纵向轴旋转部分以纵向轴作为旋转轴做0°-360°旋转。

进一步，所述后台信息分析与控制模块包括：

接收模块：用于接收发送模块发送的测距传感模块、测温传感模块、影像信息采集模块、气体成分检测模块和云台采集的数据信息；

计算模块：用于计算被测散装粮堆的堆高、体积和重量，以及被测散装粮堆表面任意被测点位置的坐标；

分析模块：用于判断被测散装粮堆的体积、堆高、重量是否超限，判断被测散装粮堆的表面温度、气体成份是否存在整体或局部异常状况，是否符合粮食的安全储藏要求；

存储模块：用于存储接收模块接收的数据信息、被测散装粮堆的边界数据信息和计算模块、分析模块得到的结果信息；

显示模块：用于显示存储模块存储的数据信息；

控制模块：用于发出对现场数据采集模块的运行控制指令，以及控制各模块之间的信息传递。

进一步，还包括用于在被测散装粮堆体积、堆高、重量超限时，粮温和气体成分达不到规定的安全范围时进行报警的报警模块。

进一步，所述网络模块包括有线网络模块和无线网络模块；所述测距传感模块为激光或红外测距传感模块；测温传感模块为红外测温传感模块。

一种实时检测散装粮堆粮食储藏状态的方法，其特征在于，如下步骤：

(1)获取被测散装粮堆的边界数据信息；

(2)获取现场数据采集模块与被测散装粮堆表面连续分布点的距离、散装粮堆表面连续分布点的温度、气体成分信息、散装粮堆的影像和被检测点进行数据采集时对应的旋转角度信息；

(3)根据步骤(1)至步骤(2)，计算被测散装粮堆的堆高、体积、重量、温度分布状态和气体分布状态；

(4)根据步骤(3)分析判断被测散装粮堆的堆高、体积、重量是否超限；判断被测散装粮堆的温度和气体成分分布、变化状态是否符合安全储藏要求，如果不符合，则进行报警提示，并给出问题区域的坐标位置；

(5)显示步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)得到的结果。

进一步，所述步骤(2)中现场数据采集模块包括：

用于以非接触方式精确测量被测散装粮堆表面任意点与测距传感模块之间的距离信息的测距传感模块；

用于以非接触方式测量被测散装粮堆表面任意点的实时温度信息的测温传感模块；

用于采集被测散装粮堆的影像信息的影像信息采集模块；

用于检测被测散装粮堆表面的气体成分信息的气体成分检测模块；

用于安装测距传感模块、测温传感模块、影像信息采集模块，并采集被检测点进行数据采集时对应的旋转角度信息的云台；

用于发送测距传感模块、测温传感模块、影像信息采集模块、气体成分检测模块和云台采集的数据信息的发送模块；

用于安装云台和气体成分检测模块的基座。

进一步，所述步骤(2)中现场数据采集模块旋转的角度是通过云台的横向轴旋转部分和纵向轴旋转部分进行旋转确定，其中测距传感模块、测温传感模块和影像信息采集模块安装于横向轴旋转部分，横向轴旋转部分以横向轴作为旋转轴做0°-180°旋转；纵向轴旋转部分以纵向轴作为旋转轴做0°-360°旋转。

进一步，所述步骤(3)中计算散装粮堆体积的计算公式为：

即对被测散装粮堆表面连续区域近似体积的累积求和即为总体近似体积，式中：

v为所测散装粮堆体积计算值，n为有效检测点的个数，与现场数据采集模块的数据记录频率和程序设定的有效检测点取舍条件有关，△s为每个采样点所代表的单位面积，检测区域确定后可设为一常数，为采样点散装粮堆高度计算值；公式为：

式中，为散装粮堆表面任意点与测距传感模块(4)之间的距离检测值，∠α为对应时，横向轴旋转部分旋转的角度检测值，h为测距传感模块(4)距粮堆底面的距离，为一常数；

所采用的散装粮堆重量计算公式为：

式中：w为所测散装粮堆重量计算值，g为容重，仅与粮食种类和纯净度有关。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用非接触测温、非接触测距、气体成分检测、视像等，在有限的空间范围内，实现对储运过程中散装粮堆表面关键信息指标的自动非人工采集，并进行后台专业化分析，实现现场实时和全方位连续跟踪观察、收集关键指标信息，给出数据、图形、图像等独立或结合的直观分析结果，用以随时了解散装粮堆状态，以便及时指导、调整作业方式和进程，更加有效的确保粮食在整个储运流通过程中的安全；

2、本发明采用激光传感器测远距离物体时响应频率高，受外界因素的影响小，检测精度高的特性，确保检测与分析结果适合实际应用中对可靠性的要求；

3、本发明采用可旋转定向的云台，可在一个有限空间内(如一间仓房内)对被测散装粮堆设置一个相应的现场数据采集模块，对应的每种指标的测量传感器只设置一个，可进行大范围的信息采集，即可大大降低成本，又可避免多个传感器造成的检测误差；

4、本发明在直线光波射线所及范围内通过一个距离检测传感器检测获得数百个甚至数千个、数万个处于散装粮堆表面连续点与检测器之间的距离数据，同时计算出各个点粮食的堆高，再通过多点累计估算出整体被测散装粮堆的体积、堆高、重量等，散装粮堆即使处于自然堆积状态(表面不平整)也不影响检测结果，即可以实现在堆积储存或进出仓作业过程中的实时、准确、跟踪检测；

5、本发明通过测距传感器获得的距离信息和同步运行的云台获得的直线光波与垂直的纵向轴线和水平的横向轴线之间的角度信息，可以计算出被测散装粮堆表面任意被检测点的相对坐标位置，可以准确确定出被测散装粮堆可能的问题(如堆高不足或超限，温度、气体成分异常等)区域的位置和区域范围，可在生产应用中发挥准确的参考和指导作用。

附图说明

图1为本发明的框架示意图；

图2为本发明中现场数据采集模块的结构示意图；

图3为本发明中对于被测散装粮堆某点高度测量的一种实施方式的示意图；

图4为本发明中对于有边墙的仓房内散装粮堆表面被测点坐标测算的一种实施方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种检测散装粮堆表面物理指标判断粮食储藏状态的系统，如图1所示，包括：

现场数据采集模块1：用于采集被检测散装粮堆表面的任意点与所设现场数据采集模块1之间的距离、散装粮堆表面多点的温度、气体成分、散装粮堆的影像和被检测点(检测散装粮堆表面的点)进行数据采集时对应的旋转角度信息；

所述现场数据采集模块1包括：

测距传感模块4：用于以非接触方式精确测量被测散装粮堆表面任意点与测距传感模块4之间的距离信息；

测温传感模块5：用于以非接触方式测量被测散装粮堆表面任意点的实时温度信息；

影像信息采集模块6：用于采集被测散装粮堆的影像信息；

气体成分检测模块7：用于检测被测散装粮堆表面的气体成分信息，即测量散装粮堆表面气体中的h2o、o2、co和co2；

云台9：用于安装测距传感模块4、测温传感模块5和影像信息采集模块6，并采集被检测点进行数据采集时对应的旋转角度信息；所述云台9包括横向轴旋转部分11和纵向轴旋转部分12，测距传感模块4、测温传感模块5和影像信息采集模块6安装于横向轴旋转部分11，横向轴旋转部分11以横向轴作为旋转轴做0°-180°旋转；纵向轴旋转部分12以纵向轴作为旋转轴做0°-360°旋转，其中，横向轴与纵向轴垂直相交，就云台结构来说，纵向轴旋转部分旋转时，横向轴旋转部分跟着一起做绕纵向轴的旋转，但可以不做绕横向轴的旋转；横向轴旋转部分绕横向轴旋转时，纵向轴旋转部分不跟着一起做旋转，具体如图2所示。如图4所示，如需对某点进行检测时，横向轴旋转部分11和纵向轴旋转部分12将分别旋转一定角度后进行数据的采集；

发送模块8：用于发送测距传感模块4、测温传感模块5、影像信息采集模块6、气体成分检测模块7和云台9采集的数据信息；

基座10：用于安装云台9和气体成分检测模块7。基座可分为固定式和移动式两种，固定式为固定安装于仓房墙体、房顶、支撑杆或架之上的装置结构；移动式为与轮式轨道、轮式或履带式驱动车或空间悬浮装置相联接的可操控位置移动的装置结构。

后台信息分析与控制模块2：用于控制和接收现场数据采集模块1采集的信息，并用于计算、分析被检测散装粮堆的堆高、体积、重量、温度分布状态和气体分布状态，显示计算、分析的结果和现场数据采集模块1采集的信息；所述后台信息分析与控制模块2包括：

接收模块13：用于接收发送模块发送的测距传感模块4、测温传感模块5、影像信息采集模块6、气体成分检测模块7和云台9采集的数据信息；

计算模块15：用于计算被测散装粮堆的堆高、体积和重量，以及被测散装粮堆表面任意被测点位置的坐标；

分析模块16：用于判断被测散装粮堆的体积、堆高、重量是否超限，判断被测散装粮堆的表面温度、气体成份是否存在整体或有局部异常状况，是否符合粮食的安全储藏要求；

存储模块14：用于存储接收模块13接收的数据信息、被测散装粮堆的边界数据信息和计算模块15、分析模块16得到的结果信息；

显示模块17：用于显示存储模块14存储的数据信息；

控制模块19：用于发出对现场数据采集模块1的运行控制指令，以及控制各模块之间的信息传递。

还包括用于在被测散装粮堆体积、堆高、重量超限时，粮温和气体成分达不到规定的安全范围时进行报警的报警模块18。

本发明用于分析和整理现场数据采集模块收集到的多项信息，对之进行筛选、整理、分类记录、专业性单项和综合分析，进而给出适合粮食流通领域专业人员应用的数据、图形等结果。如作业进程中的堆装数量(包括堆高、体积、重量)，安全性，温度、水分、杂质分布状态，散装粮堆有害生物活动状态等。用以切实有效的指导生产作业进程，确保粮食在储运过程中的安全。其中：

专业分析系统确定动态散装粮堆有效边界的方法是：

对于宽阔场地自然堆积的散装粮堆和仓房内未堆至边墙的散装粮堆边缘，根据所测点散装粮堆高度为0做为界定。

对于有边墙的仓房内散装粮堆，则根据实测仓房边墙范围做为界定。

专业分析系统确定动态散装粮堆温度分布状态的方法是：

根据现场数据采集模块中测温传感模块和测距传感模块同步、同点扫描在同一时间点采集到的数据，以测距数据确定采集点在实仓中的坐标位置，分析测算原理如图4所示，图中g为检测设备位置，a为被检测点，aos所形成的平面为a点所在的水平截面，l、m为测距传感模块到仓房墙边的距离，当测得距a点的距离值时，∠α为云台横向轴旋转部分对应的角度值、∠β为云台纵向轴旋转部分对应的角度值，∠α和∠β都为确定值，计算可得a、b，即为a点所在的位置坐标；当检测器g为固定形式时，os、oa、sa、∠β均可做为a点所在的位置坐标参数；再以连续测温点的温度差异，确定可能的不同温度区域，以相同区域范围不同时期的温度变化记录比较，判断储粮的生物稳定状态。

专业分析系统确定动态散装粮堆体积和重量的方法是：

根据现场数据采集模块中测距传感模块收集记录到的基础数据，分析计算出散装粮堆所有有效记录点(排除散装粮堆边缘以外点)的散装粮堆高度，分析测算原理如图3所示，图中，g为检测器所在位置，a为被检测点，h为测距传感模块至散装粮堆底面的距离，∠α为对应时，横向轴旋转部分与纵向轴之间形成的夹角角度检测值，当测得值时，即可得a点的散装粮堆高度h值。根据上述参数累计计算出散装粮堆体积，并根据不同粮种不同时期的容重，即可估算出所测散装粮堆的重量。

专业分析系统确定动态散装粮堆综合储藏稳定性的分析方法是：

根据现场数据采集模块收集到的基础数据，结合安全指标等综合判断散装粮堆堆装物理状态，如估算体积、数量(重量)、堆装是否平整、超限等，及生物性储藏稳定状态，如给出是否整体或局部存在温度过高、水分过高、杂质过高、有害生物活动状态等指标性分析结果；并设置超限指标报警，如堆装体积超限、重量超重、粮温整体或局部超限等。

实现本发明方法的系统工作原理为：

通过操控现场数据采集模块的基座移动和云台旋转，实现远距离实时情况监控和检测现场指标信息数据的采集。对于气体成分检测过程，固定式基座的结构系统，将可以检测到固定检测点处的气体状态数据；移动式基座结构系统上的气体成分检测模块，可以检测到若干点的气体分布状态数据，通过可控机械臂联接基座与气体成分检测模块可以进一步增加气体成分检测点的数量。通过程序化控制基座移动和云台旋转，可以实现对有限空间范围内不确定形状散装粮堆表面数据信息的全面采集。通过程序化操控现场数据采集模块的运行，其中的测距传感模块可以实现对散装粮堆表面连续点数据信息的实时、逐点全面采集，从而计算出各检测点散装粮堆距地面的高度，通过积分运算，可推算出现场散装粮堆的近似理论体积及重量，用于实时性分析、指导粮食的进出仓等作业进程；计算出各时间段对应的散装粮堆各检测点在粮仓中的方位坐标并加以记录，用于对被测粮堆状态分析的基础数据。通过程序化操控现场数据采集模块的运行，可以实现非接触测温传感器对散装粮堆表面若干点的温度数据信息的实时、逐点全面采集；结合测距传感模块采集的坐标定位，即可获得散装粮堆表面温度分布状态情况，进而用以指导仓储生物稳定性状态分析和指导现场作业措施调整与实施。

本发明的实现将由多种现代技术设备系统与专门开发的粮食流通专业技术分析软件系统共同组成的成套设备系统结合运行并加以完成。

具体步骤如下：

(1)获取被测散装粮堆的边界数据信息；通过后台信息分析与控制模块端输入或现场数据采集模块1的实地采集，获得所在有限空间和被测散装粮堆的边界数据信息，如所在仓房的长、宽、高，或所在场地的自然边界距离和现场数据采集模块1距粮堆底面的距离；

(2)获取现场数据采集模块1与散装粮堆表面连续分布点的距离、散装粮堆表面连续分布点的温度、气体成分信息、散装粮堆的影像和对应的旋转角度信息；即通过现场数据采集模块1中的测距传感模块4采集测距传感模块4与被测散装粮堆表面的距离，并同步采集被测散装粮堆表面的温度、气体成分以及散装粮堆的影像信息；

(3)根据步骤(1)至步骤(2)，计算被测散装粮堆的堆高、体积、重量、温度分布状态、气体分布状态；

所述步骤(3)中计算散装粮堆体积的计算公式为：

即对被测散装粮堆表面连续区域近似体积的累积求和即为总体近似体积，式中：

v为所测散装粮堆体积计算值，n为有效检测点的个数，与现场数据采集模块的数据记录频率和程序设定的有效检测点取舍条件有关，△s为每个采样点所代表的单位面积，检测区域确定后可设为一常数，为采样点散装粮堆高度计算值；如图3所示，公式为：

式中，为散装粮堆表面任意点a与测距传感模块4(g点)之间的距离检测值，∠α为对应检测时，横向轴旋转部分与纵向轴之间形成的夹角角度检测值，h为检测点g距被测粮堆底面的距离，为一常数；

所采用的散装粮堆重量计算公式为：

式中：w为所测散装粮堆重量计算值，g为容重，仅与粮食种类和纯净度有关。

(4)根据步骤(3)分析判断被测散装粮堆的堆高、体积、重量是否超限；判断被测散装粮堆的温度和气体成分分布、变化状态是否符合安全储藏要求，如果不符合，则进行报警提示，并给出问题区域的坐标位置。通过测距数据确定采集点在实仓中的坐标位置的具体方式如下：

在粮仓中确定被检测点a点所在区域的准确位置，可以a点距临近两面仓壁的距离a、b为坐标(参见图4)，

由：

而，

故，

其中：∠α、∠β均为设备检测值，m、l为检测点g距两面仓壁的距离。

(5)显示步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)得到的结果。

本发明也可应用于与粮食类似的堆装散粒体，如煤炭、矿石、灰沙等领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。