本发明属于监测粮食输送，特别是一种粮食出入预防堆积监测系统及方法。
背景技术：
1、在粮食的仓储和搬运过程中，有效地监控粮食的流动状态，预防和减少物料堆积，是提高粮食运输效率和确保操作安全的必要条件，粮食堆积不仅会造成降低粮食运输效率，还可能由于过度堆积和阻塞而导致设备损坏和停工。目前，粮食出入过程通常依靠操作员定期检查和监控潜在的堆积区域，以避免粮食堆积带来的后果。
2、定期检查和监控需要大量的人力和时间投入，操作员的疲劳和主观判断可能导致问题的漏检或误判；由于操作员需要定期巡检，问题可能会在操作员到达现场之前就已经产生，延迟发现堆积问题，导致堆积进一步恶化。
3、由于输送设备故障、操作不当等因素，常常会发生堵塞、溢出或者其他形式的物料堆积，往往会导致不均匀的粮食分布，不均匀分布导致某些部分的粮食过度堆积，而其他部分则过度稀疏，使得粮仓的管理更加困难，如何提前发现由于设备问题导致粮食堆积问题显得尤为重要。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种粮食出入预防堆积监测系统及方法。
2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种粮食出入预防堆积监测系统，包括采集装置，所述采集装置通过以太网电缆连接于中央处理模块，所述中央处理模块通过有线连接实时显示模块，所述实时显示模块通过以太网电缆连接摄像头；
3、所述采集装置包括流速传感器、振动传感器和压力传感器；
4、所述流速传感器用于采集粮食在输送设备上的流速数据信息，所述流速传感器采用超声波多普勒流速传感器，所述超声波多普勒流速传感器外周罩设防护罩或套管，减少颗粒物对所述超声波多普勒流速传感器元件的堆积，所述超声波多普勒流速传感器设有电气保护装置，所述电气保护装置包括过电流保护器和电压稳定器，以抵御电力波动和电气故障对所述超声波多普勒流速传感器的影响；
5、所述振动传感器用于采集输送设备的振动数据信息，所述振动传感器采用加速度计，所述加速度计外设滤网以减少空气中的颗粒物进入，所述加速度计设有电气保护装置，所述电气保护装置包括过电流保护器和电压稳定器，以抵御电力波动和电气故障对所述加速度计的影响；
6、所述压力传感器用于采集粮食对输送设备的压力数据信息，所述压力传感器采用压电式压力传感器，所述压电式压力传感器外置薄膜片，所述薄膜片传递来自粮食颗粒的压力给所述压电式压力传感器，以避免颗粒物体对压电式压力传感器直接接触，所述压电式压力传感器设有电气保护装置，所述电气保护装置包括过电流保护器和电压稳定器，以抵御电力波动和电气故障对所述压电式压力传感器的影响；
7、所述中央处理模块包括预处理单元、特征提取单元、异常检测单元和存储单元，所述预处理单元通过去噪、滤波、信号放大和标准化方式进行数据预处理；所述特征提取单元用于对预处理后的数据进行特征提取，进一步采用降维方式消除冗余信息；所述异常检测单元采用阈值模型进行异常检测得出异常数据点；
8、所述存储单元用于储存经过预处理、特征提取以及异常检测的数据，所述存储单元用于保存异常数据点信息，所述异常数据点信息包括所述异常数据点的时间戳、传感器类型、异常程度信息；
9、所述实时显示模块采用可视化方式实时显示粮食流速、振动传感器、压力传感器数据及所述摄像头捕获的视频信息。
10、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述超声波多普勒流速传感器编号为n1-ni，所述超声波多普勒流速传感器布置于粮食输送通道的不同截面，所述不同截面包括入口截面、中部截面和出口截面，以覆盖整个粮食流动区域，所述输送通道的中部至少包括弯道、转角、斜面和连接处；
11、所述超声波多普勒流速传感器采用echomaxxps-10型号超声波传感器，所述echomaxxps-10型号超声波传感器能够提供高精度的流速测量，确保对粮食颗粒速度的准确监测，易于安装和维护，适用于包括尘土飞扬、湿度变化等工业场景，所述超声波多普勒流速传感器包括以下部分：
12、超声波发射器：所述超声波发射器用于产生超声波脉冲并将其传播到目标区域，由压电晶体构成，当施加电压时，压电晶体发生振动产生超声波；
13、超声波接收器：所述超声波接收器用于接收从目标区域反射回来的超声波信号，由压电晶体构成，将接收到的声波转换为电信号；
14、超声波信号处理器：所述超声波信号处理器对接收到的电信号进行处理，以提取有关目标的速度信息。
15、所述超声波多普勒流速传感器工作流程如下：超声波发射器通过压电晶体产生超声波脉冲，超声波脉冲被发射到粮食输送通道的流动区域，当发射的超声波脉冲遇到粮食颗粒，部分能量会被反射回超声波传感器，超声波接收器接收反射信号，将声波转换为电信号，接收到的电信号被送到超声波信号处理器，进行分析和处理，以提取粮食颗粒速度的信息，上述超声波多普勒流速传感器工作原理均属于本领域现有技术，故在此不进行详细描述。
16、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述加速度计编号为m1-mi，所述加速度计布置于粮食输送设备的滚筒、传送带和传动机构上，用于跟踪粮食输送设备正常振动频率，以捕捉粮食堆积早期信号；
17、所述加速度计采用adxl345bccz型号加速度计，所述adxl345bccz型号加速度计具有高精度、强大的信号处理能力、抗干扰能力以及广泛应用的优势，从而更好地满足粮食输送设备监测系统对振动信号准确性和稳定性的需求，所述加速度计包括以下部分：
18、质量感应元件：设计为微小质量被悬挂在弹簧或悬臂梁上，当加速度计受到外部加速度作用时，悬挂的微小质量发生微小位移；
19、弹簧系统或悬臂梁：构成质量感应元件的支撑结构，当加速度计受到加速度时，弹簧系统或悬臂梁产生振动，引起质量感应元件的微小位移；
20、感测电极：布置在质量感应元件周围，用于检测微小位移，当质量感应元件发生位移时，感测电极引发电荷变化，电荷变化被精确测量和记录；
21、微控制器和电子电路：用于处理从感测电极获取的信号。
22、所述加速度计工作流程如下：粮食输送设备处于振动状态时，通过质量感应元件、弹簧系统或悬臂梁、感测电极的共同作用测量并记录下由振动引起的加速度变化，然后通过微控制器进行傅里叶变换，将时域的加速度信号转换为频域的频谱图，在频谱图中，识别出不同频率上的振动成分，频率信息为粮食输送设备振动的频率，所述加速度计用于监测和分析振动信号，从而判断粮食输送设备是否在正常运行范围内，上述加速度计工作原理均属于本领域现有技术，故在此不进行详细描述。
23、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述压电式压力传感器编号为p1-pi，所述压电式压力传感器布置于粮食输送通道底部内侧，实时监测粮食颗粒施加的压力以探测堆积或阻塞；所述压电式压力传感器布置于粮食输送通道壁面用于检测侧向压力变化；
24、所述压电式压力传感器采用kistler-6215型号压电式压力传感器，所述kistler-6215型号压电式压力传感器具有高灵敏度和精确度的特性，能够准确地感知和测量来自粮食颗粒施加的压力，能实时地捕捉到即时压力变化，所述压电式压力传感器包括以下部分：
25、压电元件：在施加外部压力时，压电元件产生压电效应，生成电荷；
26、感应结构：设计为接收外部压力，传递压力至压电元件，引发压电效应；
27、电极：位于压电元件表面，用于收集由压电效应引起的电荷；
28、压力信号处理器：用于将电荷信息转换为压力信息。
29、所述压电式压力传感器工作流程如下：粮食颗粒施加压力触发压电式压力传感器时，压电元件受压电效应影响而产生电荷，电极收集由压电效应引起的电荷，压力信号处理器将电荷信息转换为相应的压力信息，上述压电式压力传感器工作原理均属于本领域现有技术，故在此不进行详细描述。
30、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述预处理单元进行数据预处理包括以下内容：
31、流速数据预处理：去噪，应用滑动平均滤波针对外部噪声进行数据清洗；滤波，采用带通滤波器排除非超声频率信号；信号放大，采用增益放大器对超声信号进行增强；
32、压力数据预处理：去噪，应用滑动平均滤波消除瞬时压力峰值；滤波，采用带通滤波器分析压力的长期趋势；信号放大，采用增益放大器增强压力变化信号；
33、振动数据预处理：去噪，应用滑动平均滤波对外部噪声进行数据清洗；滤波，采用带通滤波器剔除干扰频率；信号放大，采用增益放大器对振动信号进行放大；所述标准化方式采用最小－最大归一化方式。
34、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，对所述流速数据信息提取的特征包括平均流速、最大流速、最小流速和流速分布，以呈现粮食在粮食输送设备上的运动速度；对所述振动数据信息提取的特征包括频率、振幅和波形，以呈现粮食输送设备的振动状况；对所述压力数据提取的特征包括平均压力、最大压力、最小压力和压力分布，以呈现粮食对粮食输送设备的压力状况；所述降维方式采用独立成分分析的方法进行特征降维。
35、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述阈值模型设定流速、振动和压力的阈值，将所述特征提取单元提取的特征数据输入所述阈值模型，通过对比分析并连续监控以识别异常状态；所述异常检测单元设有警报触发机制，所述警报触发机制设有延时确认，结合若干次异常状态判断，以减少误报率。
36、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述存储单元采用冗余矩阵技术进行数据备份，所述存储单元设有访问功能，以进行数据查询、回溯和分析；所述存储单元采用先进先出模式，所述先进先出模式为新存储的数据覆盖最早存入的数据，以确保最新的数据保留在所述存储单元内，旧的数据将被循环覆盖，以优化所述存储单元内存，所述覆盖的时间间隔为48小时。
37、在上述的粮食出入预防堆积监测系统中，所述摄像头布置于粮食输送通道不同点位的上方，以全面监视粮食的运动过程和粮食输送设备的运行状况，所述摄像头编号为r1-ri；
38、所述有线连接采用hdmi2.0；
39、所述以太网电缆采用屏蔽电缆；
40、所述实时显示模块提供以下功能：
41、展示：展示当前的粮食流速、压力和振动数据的实时图表，展示所述摄像头捕捉的视频；
42、警报和通知：显示警报信息并提示预警措施；
43、操作面板：允许用户设置参数阈值、调整预处理和特征提取；
44、事件日志：记录并显示所有检测到的异常和警报信息，以及相应的响应措施；
45、系统状态指示：显示采集装置运行状态、摄像头状态、网络连接状态；
46、远程访问：允许通过云平台或远程服务器的连接，用于远程访问和管理；
47、帮助和支持：提供操作指南和故障排除文档，帮助用户解决问题。
48、一种粮食出入预防堆积监测方法，所述方法应用于上述粮食出入预防堆积监测系统，所述预防堆积监测方法包括以下步骤：
49、s1数据采集：通过流速传感器、振动传感器和压力传感器采集粮食在输送过程中的流速、振动和压力数据；
50、s2数据预处理：对采集到的数据进行去噪、滤波、信号放大和标准化处理，以减小噪声影响，增强信号质量，提升后续处理的准确性；
51、s3特征提取：从预处理后的数据中提取特征，并采用独立成分分析的方法进行特征降维；
52、s4异常检测：将所获取的特征数据输入阈值模型进行异常检测，通过连续监控和对比分析确定异常状态；
53、s5数据存储及报警：将经过预处理、特征提取以及异常检测的数据存储在存储单元中，若异常检测单元检测到异常数据点，将触发警报，并保存异常信息；
54、s6实时显示：通过实时显示模块进行数据和图像的实时显示，包括粮食流速、振动传感器数据、压力传感器数据及摄像头捕获的视频信息；实时显示模块能同时展示预警信息，并指示操作人员采取相应措施。
55、与现有技术相比，本粮食出入预防堆积监测系统及方法具有以下有益效果：
56、1、提高运输效率：通过采集装置中的流速传感器、振动传感器和压力传感器组合使用，实时监测粮食运输过程和输送设备工作状况，比人工定期检查更高效，可以及时捕捉到早期堆积问题，并减少操作人员的工作量。
57、2、数据优化和决策支持：通过对数据进行预处理、特征提取和异常检测，提供高质量的数据，有助于制定基于数据的决策，以改进运输和维护策略，从而提高整体运作效率。
58、3、实时监控和报警：通过实时显示模块，操作人员可以随时查看粮食运输过程的实时数据和视频监控，系统还能够及时触发警报，以便操作人员迅速采取必要的措施来处理异常情况，确保粮食输送的稳定性。
59、综上所述，本发明的关键优势在于提高了粮食运输的效率，通过数据优化和决策支持，实现了粮食的可持续输送。