基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统及方法

1.本发明涉及仓储环境检测领域，具体是采用多参数传感器、云平台对仓储食物霉变作检测。


背景技术：

2.粮食变质时会释放二氧化碳、硫化氢等气体，并且变质概率与环境温湿度条件密切相关，目前的监测系统大多通过监测并控制环境条件来预防粮食的变质，但预防并不代表消除粮食变质的可能性，不能够做到提前发现变质的粮食并加以处理解决，无法对粮仓的食品进行精确有效的防腐防霉判定。传统的粮仓维护保养方式要求维护人员对粮仓进行全面或抽样检查，该方式需要耗费大量的人力和维护成本，无法提前预测粮仓食物会发生腐败霉变，无法做到有计划性的、有目的性的和有针对性的防腐防霉工作
3.近年来，无线通信技术应用广泛，其中zigbee是以短距离、低功耗为特点的无线通信技术，适用于短距离的网络配置，最适合节点分布均匀的中距离物联网应用。伴随着移动互联网、云计算等技术的发展和智慧农业建设的日益深入，粮仓的食物安全系统的研究愈加迫切。由于以前无线通信技术的限制、移动互联网终端的匮乏及云平台的缺乏，从技术上无法实现大规模的使用多参数的无线传感器来采集粮仓食物的安全信息，导致至今为止还没有一个成熟有效的食品防腐防霉系统。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明为有效并及时监测粮仓内食物霉变情况，提前发现变质的粮食并加以处理，提出一种基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统及其方法。
5.本发明基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统采用的技术方案是：包括粮仓墙面内壁上设有的多个温湿度传感器和固定气体浓度检测装置，所述的多个固定气体浓度检测装置和多个温湿度传感器都以无线通信方式和zigbee路由节点互联，zigbee路由节点以无线通信方式和zigbee协调器互联，所述的zigbee协调器以无线通信方式和第一微处理器互联，所述的第一微处理器以无线通信方式和移动探测器互联，以控制线连接风扇；所述的移动探测器放置于粮仓地面，所述的风扇设置于粮仓墙壁处；所述的移动探测器内部内置一个与所述的第一微处理器以无线通信方式互联的固体气体浓度检测装置，所述的zigbee协调器通过串口方式连接网关，网关连接云平台服务器。
6.进一步地，所述的固定气体浓度检测装置包括固定连接于粮仓墙壁的绝缘箱，绝缘箱内部设有电源模块、微型气泵、第二微处理器、网络模块、二氧化碳传感器和硫化氢传感器，绝缘箱顶壁上设置泄气阀，侧面上设有微型气泵，微型气泵经软管与外部相通；第二微处理器经控制线连接微型气泵，二氧化碳传感器和硫化氢传感器均经信号线分别连接网络模块和第二微处理器，第二微处理器以与网络模块互联。
7.本发明基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警方法采用的技术方案是：
8.步骤1)：固定气体浓度检测装置采集粮仓中的二氧化碳气体浓度和硫化氢气体浓
度，温湿度传感器采集粮仓中的温度和湿度，通过zigbee无线通信网络将采集的数据传递到zigbee路由节点；
9.步骤2)：zigbee路由节点通过mac地址通信方式转送至zigbee协调器，zigbee协调器通过网关将数据传输至云平台服务器；
10.步骤3)：云平台服务器处理数据，与内置的预测值模型进行比对，若温湿度参数高，则云平台服务器将指令经网关、zigbee协调器传送到第一微处理器，第一微处理器控制风扇工作进行降温干燥；直到温湿度参数符合预测值模型；若气体浓度高，则云平台服务器根据内置的环境模型和霉变源位置规划移动探测器的移动路线，将霉变源大致位置信息、移动路线通过网关传递给zigbee协调器，zigbee协调器以mac地址通信方式传递给移动探测器内置的固定气体浓度检测装置，移动探测器行驶，前往霉变源大致位置；
11.步骤4)：移动探测器通过内置的固定气体浓度检测装置在霉变源周边移动探测，以核实霉变源准确位置，通过mac地址通信方式向zigbee协调器传递霉变源准确位置信息，zigbee协调器通过网关将转送给云平台服务器，云平台服务器发出预警。
12.本发明与已有方法和技术相比，具有以下优点：
13.1、结合使用固定气体浓度检测装置和温湿度传感器，通过环境及可能源头两方面检测食物变质情况并确定霉变源位置，防治食物变质更为精准、有效、快速。
14.2、采用移动探测器与固定气体浓度检测装置结合探测的方式，即先分析固定气体浓度检测装置收集的数据得到可能霉变源的大致方位，再由云平台通过zigbee无线传输网络派出移动探测器进行移动式探测，最后汇总得到结果，相较于常规的固定环境式监测更具精确度。
15.3、采用zigbee无线通信协议，短距离信息传输效率高且功耗较低。可通过路由节点作为中继节点扩展覆盖范围，解决粮仓障碍物较多导致的信号有效传输距离小的问题。
16.4、无线通信传输节点采用星型拓扑结构，结构简单，便于理解，易于实现，具有操作简单的特点，在整个检验过程中实现了全自动化，实现仓储环境无人化监测，对于霉变精准定位、及时预警。
17.5、本发明通过微处理器控制微型气泵进行取样，通过泄气阀换气实现了气体样本的自动取样与换气，采取了气体检测方法，可避免对食物进行取样检测，避免对食物造成消耗。
附图说明
18.图1是本发明基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统在粮仓中的分布示意图；
19.图2是本发明基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统的结构框图；
20.图3是图2中一个固定气体浓度检测装置1的结构示意图；
21.图4是图3中的泄气阀20的结构放大图；
22.图5是图1中移动探测器7在粮仓中的移动路线图；
23.图6是图2中的云平台服务器10的结构框图；
24.附图中各部件的序号和名称：
25.1.固定气体浓度检测装置；2.温湿度传感器；3.粮仓储存食物；4.zigbee路由节
点；5.粮仓；6.风扇；7.移动探测器；8.zigbee协调器；9.网关；10.云平台服务器；11.第一微处理器；12.螺丝钉一；13.硫化氢传感器；14.绝缘箱；5.螺丝钉二；16.螺丝钉三；17.二氧化碳传感器；18.螺丝钉四；19.网络模块；20.泄气阀；21.软管；22.微型气泵；23.第二微处理器；24.电源模块；25.顶盖；26.密封胶垫；27.金属隔板；28.阀体；29.密封圈；30.固定杆；31.压力弹簧；32.通气孔；33.固定座。
具体实施方式
26.参见图1，本发明基于仓储环境多参数传感器的食物霉变预警系统与粮仓5相连接，在粮仓5的墙面内壁上利用螺丝固定安装多个固定气体浓度检测装置1，固定气体浓度检测装置1安装个数高度位置与粮仓5中的食物3摆放排列有关，如果食物3按行列布置，则对应于每行食物3安装一个固定气体浓度检测装置1，以便准确监测每一排储存的食物。
27.在粮仓5墙面内壁上还安装多个温湿度传感器2，多个温湿度传感器2可分别安装在粮仓5的角落处的墙面内壁上，以及安装在粮仓5的顶面天花板中心处，对粮仓5内部的整体环境条件进行监测。在粮仓5内部还设置多个zigbee路由节点4，且多个zigbee路由节点4相互连接，多个zigbee路由节点4可分别位于粮仓5的地面中心和地面角落处，用以构建zigbee无线通信网络。可根据粮仓5的实际空间大小进一步增设zigbee终端节点与zigbee路由节点4的数量，以便实际的准确监测。
28.参见图2，多个固定气体浓度检测装置1和多个温湿度传感器2组成了zigbee终端节点，起数据采集作用，固定气体浓度检测装置1采集粮仓5中的二氧化碳气体浓度和硫化氢气体浓度，温湿度传感器2采集粮仓5中的温度和湿度参数。固定气体浓度检测装置1和温湿度传感器都以无线通信方式和zigbee路由节点4互联。zigbee终端节点根据其布置的位置，与靠近的一个zigbee路由节点4相连接。zigbee终端节点将采集到的信息经zigbee无线传感网络传输至zigbee路由节点4。
29.固定气体浓度检测装置1和温湿度传感器2与zigbee路由节点4的连接均采用星型网络拓扑结构，即固定气体浓度监测装置1和温湿度传感器2组成的各个zigbee终端节点与对应连接的zigbee路由节点4单独连接，各个zigbee终端节点之间相互独立，互不通信。
30.有多个zigbee路由节点4之间依次进行数据传输，数据传输到最后一个zigbee路由节点4，该zigbee路由节点4最终将数据传递至zigbee协调器，最后一个zigbee路由节点4以无线通信方式和zigbee协调器8互联，zigbee路由节点4作为中继节点，起数据传输过程中的中转功能，将数据进一步通过无线通信网络转送给zigbee协调器8，防止出现zigbee终端节点与zigbee协调器8因间距过大或粮仓5内障碍物过多而导致数据传输障碍的情况，有效扩大信号传输范围。zigbee协调器8可设置在粮仓5外部。
31.zigbee协调器8以无线通信方式和第一微处理器11互联。zigbee节点间的无线通信，即固定气体浓度检测装置1和温湿度传感器2组成的zigbee终端节点与zigbee路由节点4之间的无线通信、zigbee路由节点4与zigbee协调器8间的无线通信以及zigbee协调器8与第一微处理器11间的无线通信，均采用mac地址通信方式。
32.第一微处理器11以无线通信方式和移动探测器7互联，以控制线直接连接风扇6。移动探测器7放置于粮仓5地面角落处，风扇6安装于粮仓3的墙壁处，可根据需要安装多个风扇6。在移动探测器7内部内置一个固体气体浓度检测装置1，该固体气体浓度检测装置1
与第一微处理器11以无线通信方式互联，用于霉变溯源。
33.zigbee协调器8通过串口方式连接网关9，网关9连接云平台服务器10，网关9接收并处理来自zigbee协调器8的数据，并将数据传送给云平台服务器10，也可以接受并处理来自云平台服务器10的指令。云平台服务器10接收到来自网关9的数据后，对数据进行分析处理，若发现异常情况，则发出相应指令，通过网关9传递给zigbee协调器8，zigbee协调器8通过zigbee无线通信网络以mac地址通信方式向第一微处理器11传递指令，受到调用的第一微处理器11则根据指令控制所移动探测器7或风扇6完成相应任务。
34.节点布置时，先安装zigbee协调器8，然后安装zigbee路由节点4，形成网络雏形，再依次接入固定气体浓度检测装置1和温湿度传感器2终端节点，完成整个网络节点的布置。
35.参见图3所示的一个固定气体浓度检测装置1，其最外侧是绝缘箱14，绝缘箱14上角通过螺丝钉一12和螺丝钉二15固定连接于的墙壁，绝缘箱14下角通过螺丝钉三16和螺丝钉四18固定连接于粮仓3的墙壁，将绝缘箱14固定在粮仓5墙壁上。绝缘箱14的内部设有电源模块24、微型气泵22、第二微处理器23、网络模块19、二氧化碳传感器17和硫化氢传感器13，绝缘箱14的顶壁上安装泄气阀20，用于绝缘箱14内部的泄气，防止因绝缘箱14内气压过大引起爆炸。绝缘箱14的侧面开有小孔，用于密封安装软管21，软管21与微型气泵22连接，与外部相通。电源模块24为干电池，给第二微处理器23和微型气泵22供电，第二微处理器23经控制线连接微型气泵22，控制微型气泵22的抽气和停止。二氧化碳传感器17和硫化氢传感器13均经信号线分别连接网络模块19和第二微处理器23，网络模块19是zigbee网络模块，二氧化碳传感器17用于检测二氧化碳气体样本，硫化氢传感器13用于检测硫化氢气体样本，并将检测到的二氧化碳气体样本和硫化氢气体样本传送到网络模块19和第二微处理器23中，第二微处理器23以与网络模块19互联，网络模块19将二氧化碳传感器17和硫化氢传感器13采集到的数据经zigbee无线传感网络传输至zigbee路由节点4，实现对粮仓5内气体的检测、数据转换及上传。
36.参见图4所示的泄气阀20，其包括一个阀体28，阀体28是上宽下窄结构，阀体28顶部装有顶盖25，顶盖25上开有几个贯通的泄气孔，用于阀体28内的排气。每个泄气孔上装有滤网，过滤气体内的杂质。阀体28内部由金属隔板27将阀体28内隔开成上下两个腔室，金属隔板27的中间开有通气孔32，贯通上下两个腔室。阀体28下腔室连接固定座33，用于固定泄气阀20，固定座33与阀体28的连接处安装密封圈29,密封圈29外直径等于阀体28下部分的内直径，防止漏气。在阀体28的上腔室内安装压力弹簧31和固定杆30，顶盖25中央固定连接固定杆30上端，固定杆30下端固定连接压力弹簧31上端，压力弹簧31下端固定连接密封胶垫26，标准大气压下密封胶垫26恰好与通气孔32相接触将通气孔32封住；当绝缘箱14内气压过大时，压力弹簧31收缩，带动密封胶垫26上移，打开通气孔32，使气体排出。
37.固定气体浓度检测装置1通过微型气泵22进行气体取样，利用多参数传感器进行检测，配合温湿度传感器2收集的环境参数数据，利用zigbee无线通信技术上传到云平台服务器10。固定气体浓度检测装置1避免气流对二氧化碳传感器17和硫化氢传感器13的检测造成影响。zigbee节点间的通信方式均采用mac地址通信方式，每个固定气体浓度检测装置1内置的zigbee网络模块19的cc2530主控芯片都固化了一个唯一的8字节mac地址，且每个网络模块19内都有一个地址管理器，记录与它通信的模块的mac地址以及网络短地址。发送
端节点在发送数据时，例如固定气体浓度监测装置1向zigbee路由节点4发送数据或zigbee路由节点4向zigbee协调器8发送数据，会检查地址管理器中是否有接收端节点对应的mac地址，如果有，发送端节点会把对应的网络短地址放到无线数据包里面去发送，即完成mac地址通信；会检查地址管理器中是否有接收端节点对应的mac地址，如果有，发送端节点会把对应的网络短地址放到无线数据包里面去发送，即完成mac地址通信；如果没有，发送端节点会将自身mac地址广播出去，网络里所有的节点都会收到，接收端的节点通过底层判断接收到的mac地址和自己的mac地址是不是一样，如果一样，会回一个无线数据包，也是网络短地址，给发送端节点，发送端节点进而将mac地址与网络短地址匹配并存到地址管理器中，通过网络短地址与接收端节点进行mac地址通信。
38.参见图5所示的移动探测器7的路线图，箭头方向标注的线路为移动探测器7的移动路线，移动路线位于两排粮仓储存食物3之间，以及位于或者粮仓储存食物3与粮仓5的墙壁之间，成矩形路线。移动探测器7启动时会先根据云平台服务器10提供的大致霉变源位置信息和规划的路线，通过预定路线到达目标位置附近，然后移动探测器7利用内置的固定气体浓度检测装置1对粮仓内储存的食物3进行进一步的精确检测，最后将结果反馈给云平台服务器10。
39.参见图6所示的云平台服务器10，云平台服务器10用于对上传的数据进行分析，根据数据分析结果对粮仓5进行管理。根据固定气体浓度检测装置1收集的数据判断是否出现霉变、分析霉变源可能方位并规划移动探测器7前进路线，派出移动探测器7进行溯源核实。派出的移动探测器7用气体浓度梯度法进行溯源，通过zigbee无线通信网络将该位置的二维坐标上传到云平台服务器10。固定气体浓度检测装置1与移动探测器7配合，共同完成仓储环境下食物的无人化监测、霉变的溯源与预警。
40.云平台服务器10包括预测性管理模块、信息管理与存储中心和应用服务器。预测性管理模块包括数据转换模块和数据诊断分析模块，信息管理与存储中心包括信息管理模块和历史数据存储模块，信息管理模块的输出端连接历史数据存储模块。数据转换模块的输出端分别连接数据诊断分析模块和信息管理模块，历史数据存储模块的输出端分别连接数据诊断分析模块和应用服务器，数据诊断分析模块的输出端连接应用服务器。数据转换模块对上传的原始数据进行数据预处理和特征提取，包括滤波处理、解调处理、分解处理和重构处理，恢复信号的原貌并获取有用数据，特征提取包括利用特征提取算法对时域信号和频域信号特征数据的分析，特征数据的分析包括分析波形指标、脉冲指标、峭度指标、峰值、重心频率、均方频率、频率方差和频率标准差。特征提取算法包括小波包分解、主成分分析、经验模态分解，对融合多种信息源的实时特征值进行判别。数据诊断分析模块用于对特征数据进行信号处理，包括食品安全评估和食品腐败霉变预测。信息管理模块用于对含有多种信息源的数据进行分类管理，实现对粮仓的防腐防霉数据进行分类和管理；信息管理模块汇总粮仓5食物实际生产过程中的信息，同时根据粮仓5当前的工作的状况、粮仓工作人员情况，自动生成粮仓维护计划，粮仓维护计划涵括工作人员工号、优先级、维护区域、维护任务、粮仓当前状态和负责人。历史数据存储模块用于存储粮仓食物安全周期的数据，存储的数据作为历史数据被所述数据诊断分析模块调用或者直接发送到所述应用服务器。应用服务器用于接收所述数据诊断分析模块的实时数据和历史数据存储模块的历史数据，然后通过网络传输协议把粮仓食物的各种数据推送给粮仓控制中心和客户端。客户端用于接
收来自所述应用服务器的实时数据与历史数据，同时接收所述数据转换模块的报警数据，实现即时预警。便于粮仓控制中心的人员监控粮仓的安全状况，同时根据粮仓的状况，调度粮仓的工作人员进行粮仓清理与维护，并且定期向维护管理人员派发维护工单，给出指导性维护建议。
41.通过云平台服务器10中的数据转换模块处理得到粮仓硫化氢气体浓度值，计算对应当前粮仓空间的硫化氢气体浓度空间分布矩阵。基于粮仓空间的硫化氢气体浓度空间分布矩阵，通过数据诊断分析模块确定当前粮仓空间区域内的所有极大值点。根据确定的各个极大值点，判断当前粮仓空间是否发生霉变，包括：基于预设的第一浓度阈值对各个极大值点进行判定，若存在极大值点对应的气体浓度值超过预设的第一浓度阈值，则认为该极大值点所在位置的食物发生霉变，若所有极大值点均未超过预设的第一浓度阈值，则认为当前粮仓空间内没有发生霉变。若某区域已发生霉变，云平台服务器10通过网关6将二位坐标传递给zigbee协调器8，再通过zigbee无线传感网络向第一微处理器11传递指令。第一微处理器11控制移动探测器7，驱动移动探测器7前往目标位置附近进行气体浓度探测工作，进行进一步硫化氢气体采样，当取样的气体浓度达到最大值时，移动探测器7通过内部的固定气体浓度检测装置1中的网络模块19与zigbee路由节点4连接，向云平台服务器10反馈位置信息。
42.参见图1-6所示，定时启动固定气体浓度检测装置1和温湿度传感器2进行检测，定期启动风扇6控制粮仓5内气流方向，各zigbee终端节点以mac地址通信方式，通过zigbee无线通信网络将采集的数据传递到对应的zigbee路由节点4处，zigbee路由节点4通过mac地址通信方式转送至zigbee协调器8，zigbee协调器8通过网关9将数据传输至云平台服务器10。云平台服务器10处理数据时，先由数据转换模块对原始数据进行数据预处理和特征提取，将融合多种特征工况的数据转换为有用的信息，并跟内置的预测值模型进行数据比对，若出现温湿度参数偏高的异常情况，则云平台服务器10将指令经网关9、zigbee协调器8传送到第一微处理器11，第一微处理器11控制风扇6工作，进行降温干燥。云平台服务器10同时向粮仓5内的所有温湿度传感器2传递保持启动状态，检测环境温湿度数据的指令，指令通过网关9传递给zigbee协调器8后，通过mac地址通信方式传递给zigbee路由节点4，再以mac地址通信方式转送给每个温湿度传感器2，直到由温湿度传感器2向云平台服务器10反馈的实时环境参数符合预测值模型后，云平台服务器10向温湿度传感器2传递休眠指令，温湿度传感器2进入待机状态。若出现气体浓度偏高的异常情况，则云平台服务器10根据内置的环境模型和霉变源位置规划移动探测器7的行动路线，将霉变源大致位置信息、移动路线及调用指令一起通过网关9传递给zigbee协调器8，然后zigbee协调器8以mac地址通信方式传递给移动探测器7内置的固定气体浓度检测装置1中的第二微处理器23，第二微处理器23进而驱动移动探测器7行驶，前往霉变源大致位置。移动探测器7到达大致位置后，通过内置的固定气体浓度检测装置1在霉变源周边进行小范围的移动探测，以核实霉变源准确位置，然后，通过mac地址通信方式向zigbee协调器8传递霉变源的具体准确位置信息，进而zigbee协调器8通过网关9将具体准确位置信息转送给云平台服务器10。云平台服务器10发出预警信息，提醒工作人员进行人为处理。