一種手持式糧食庫存數(shù)量檢測儀器的設(shè)計(jì)

吳才章，許啟鏗，王錄民

1.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

糧食是安天下、穩(wěn)民心的重要戰(zhàn)略物資。我國是人口大國，也是糧食消費(fèi)大國，為了保障糧食安全，建立了龐大的糧食儲(chǔ)藏體系[1]。為切實(shí)摸清糧食庫存家底，守住管好天下糧倉，為國家糧食調(diào)控提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，每年均開展清倉查庫工作，每隔10年左右，還要進(jìn)行全國性糧食庫存大清查，其中糧食數(shù)量是檢查的重點(diǎn)。糧食庫存數(shù)量檢測方法主要有稱重法和測量計(jì)算法,稱重法屬于法定計(jì)量方法，但由于工作量大、時(shí)間長、費(fèi)用高，動(dòng)用人力、物力大，清倉查庫中只在特定場合使用。測量計(jì)算法是根據(jù)糧堆體積和糧堆平均密度計(jì)算糧食數(shù)量的方法，是目前清倉查庫中獲得糧食數(shù)量的常用方法[2]。檢查程序如下：(1)測量糧堆體積；(2)取樣測量糧食密度(單位體積糧食質(zhì)量)；(3)修正系數(shù)與糧食密度的乘積得到糧堆平均密度；(4)根據(jù)糧堆體積與糧堆平均密度計(jì)算測量計(jì)算數(shù)；(5)估算糧食儲(chǔ)存期間的損耗數(shù)量；(6)根據(jù)測量計(jì)算數(shù)和應(yīng)記糧食損耗推算糧食入庫原始質(zhì)量(檢查計(jì)算數(shù))；(7)檢查計(jì)算數(shù)與分倉保管賬比對(duì)，計(jì)算差率。

目前我國清倉查庫工作還是人工方法，主要采用測距儀丈量、計(jì)算器計(jì)算、人工填寫糧食實(shí)物檢查底稿、統(tǒng)計(jì)匯總等方法實(shí)現(xiàn)。這種糧庫糧食數(shù)量檢測方法存在以下弊端：一是檢測方法原始、效率低下，導(dǎo)致數(shù)量檢測歷時(shí)長、花費(fèi)大等；二是檢測結(jié)果不客觀，由于采用人工方法填寫實(shí)物底稿，難免存在人為因素的干擾，而且修正系數(shù)的選取隨意性很大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的客觀性難以得到保證；三是檢測精度低，由于修正系數(shù)選取不科學(xué)，即便獲得高精度的糧堆體積，也很難得出準(zhǔn)確的糧食數(shù)量。

隨著技術(shù)的發(fā)展，為了提高清倉查庫的效率，改進(jìn)我國糧食儲(chǔ)藏?cái)?shù)量檢測手段，有效避免虛庫、偷盜、虛報(bào)貼息等不良現(xiàn)象的發(fā)生，國內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行了一些初步的探討。測量計(jì)算法主要解決2個(gè)問題：一是糧堆體積的準(zhǔn)確測量；二是糧堆平均密度的獲取。目前糧堆體積的測量方法主要有2種：激光掃描法和圖像識(shí)別法。圖像識(shí)別法主要采用雙目視覺法，其原理是從兩個(gè)以上的觀測點(diǎn)來觀測同一個(gè)物體，目的是獲取不同觀測角的圖像，再利用三角測量來計(jì)算不同視角圖像的視差，從而得到物體的三維立體數(shù)據(jù)。目前該方法在立體匹配、三維信息恢復(fù)、匹配精度[3]等方面還需要進(jìn)一步完善，還達(dá)不到清倉查庫對(duì)糧堆尺寸測量的精度要求。目前對(duì)物體體積測量精度比較高的是激光測距掃描儀，常規(guī)的激光掃描體積測量主要通過激光測距配合高精度精密轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這種方法對(duì)精密轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械精度要求非常高，導(dǎo)致激光掃描儀的價(jià)格較高，糧食行業(yè)難以接受[4]；另外，現(xiàn)有激光掃描儀主要適用于短距離、小傾角情況下物體形貌的測量，面對(duì)測量中出現(xiàn)的長距離、大傾角情況，則顯得無能為力。因此，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉，便于攜帶，滿足清倉查庫精度要求，適合我國糧食行業(yè)的糧庫數(shù)量檢測儀器成了當(dāng)務(wù)之急。

糧堆平均密度是通過實(shí)測糧食密度再乘上修正系數(shù)得到的，如何獲得糧堆密度的修正系數(shù)是測量計(jì)算法的關(guān)鍵。一般來講散裝糧的修正系數(shù)在1.01～1.08之間，正常情況下應(yīng)該在1.03～1.05之間。但是同樣條件下，質(zhì)量等級(jí)高的糧食籽粒飽滿、內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，選取的修正系數(shù)要稍大；儲(chǔ)存時(shí)間長的糧食糧堆內(nèi)部逐漸密實(shí)，修正系數(shù)要稍大；裝糧高與裝糧低的糧堆相比，修正系數(shù)要稍大；人工入倉要比機(jī)械入倉的修正系數(shù)大；位于公路、鐵路、機(jī)場以及大型震動(dòng)源附近的糧倉，糧食受震動(dòng)的影響逐漸壓緊，修正系數(shù)也要大；通風(fēng)次數(shù)越多，修正系數(shù)越大。影響因素不確定性和因素的復(fù)雜性，導(dǎo)致實(shí)際執(zhí)行過程中修正系數(shù)選取比較隨意。然而修正系數(shù)選取對(duì)最終計(jì)算的數(shù)量差率影響又比較顯著，譬如修正系數(shù)選1.08還是選1.01，直接導(dǎo)致7%的糧食數(shù)量計(jì)算差率。正是這些原因，影響了國家清倉查庫和大清查的權(quán)威性和客觀性[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了方便快捷地獲得糧堆的準(zhǔn)確尺寸，系統(tǒng)內(nèi)置了傾角傳感器，配合激光測距傳感器，只需一次測量即可獲得糧堆的外形尺寸。只要輸入儲(chǔ)糧品種、倉型、儲(chǔ)存時(shí)間、入倉方式、通風(fēng)次數(shù)、糧食容重、入庫水分、目前水分等相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置的糧堆密度修正模型就可自動(dòng)計(jì)算出糧堆密度修正系數(shù)。根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)設(shè)置了初測和精測兩種測量模式。初測主要用于稽查人員快速簡便地測量糧倉儲(chǔ)糧數(shù)量，核實(shí)儲(chǔ)糧賬面，僅需簡單輸入一些糧倉參數(shù)即可；精測主要用于糧庫技術(shù)員精確計(jì)算糧倉儲(chǔ)糧數(shù)量，需要全面輸入相關(guān)的糧倉參數(shù)[6]。

根據(jù)糧堆壓力分布函數(shù)，建立了與儲(chǔ)糧高度、時(shí)間、品種、通風(fēng)次數(shù)、振動(dòng)等關(guān)鍵影響因素有關(guān)的糧堆密度數(shù)學(xué)模型。密度模型構(gòu)建后分別在有機(jī)玻璃倉、河南工業(yè)大學(xué)仿真模擬倉(6 m×9 m×6 m)和中儲(chǔ)糧鄭州直屬庫、河南鄭州興隆國家糧食儲(chǔ)備庫等進(jìn)行了實(shí)倉驗(yàn)證。通過大量數(shù)據(jù)分析，經(jīng)反復(fù)比較、篩選與優(yōu)化，進(jìn)一步對(duì)糧堆密度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用STC15W4K48S4微處理器作為主控制器。測量模塊由激光測距模塊、傾角傳感器模塊組成；顯示模塊采用128×128液晶顯示模塊；按鍵模塊由4×4矩陣按鍵組成；電源模塊采用鋰離子電池和充電芯片TP4056組成。為了實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，采用PL2303HXD芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART(TTL)與USB接口的轉(zhuǎn)換。下位機(jī)采用移植性較好的C51語言進(jìn)行編程，完成所有設(shè)置、測量、計(jì)算等功能；上位機(jī)采用C#編程，主要完成人機(jī)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫管理、報(bào)表生成和統(tǒng)計(jì)分析等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光測距模塊

激光測距通過激光脈沖的飛行時(shí)間來測量其與目標(biāo)之間的距離，具體來說就是激光測距儀向目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后由測距儀的回波接收通道接收，并測量光脈沖從發(fā)射到返回測距儀所經(jīng)過的時(shí)間，則測距儀和被測量物體之間的距離就是光速和往返時(shí)間一半的乘積。根據(jù)測量機(jī)理的不同，激光測距可分為脈沖式和相位式兩種形式。相位式激光測距儀的精度比較高，通常為毫米級(jí)，一般應(yīng)用于精密測量中。脈沖式激光測距儀具有測程遠(yuǎn)、測量速度快的特點(diǎn)，通常測量范圍為幾百米到幾千米，測量精度是厘米級(jí)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離探測?？紤]到本系統(tǒng)的實(shí)際需求，選用相位式激光測距傳感器[7]。

系統(tǒng)選用的PNF-1411型高精度的相位式激光測距模塊，測量范圍0.05～100 m，測量精度(標(biāo)準(zhǔn)差)±1.0 mm，激光類型620～690 nm，激光等級(jí)為Ⅱ級(jí)(<1 mW)。模塊接口為UART(TTL)串行接口，傳輸波特率19 200 bps，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)，無流控。STC15W4K48S4微處理器通過串口實(shí)現(xiàn)與激光測距模塊的數(shù)據(jù)通信。

2.2 傾角傳感器模塊

系統(tǒng)采用高精度的YLZ-332傾角傳感器模塊完成手持儀器傾斜度的測量功能。YLZ-332可對(duì)X、Y、Z三軸傾角的變化進(jìn)行測量，每軸的測量范圍為±90°，單軸測量分辨率可達(dá)0.004，小角度測量情況下精度為±0.01°，工作電壓寬((+3.0～+12)V)、功耗低。YLZ-332采用UART(TTL)接口輸出傾斜角度，每軸用2字節(jié)傳輸，能夠自適應(yīng)波特率，波特率識(shí)別范圍在110～38 400 bps之間。STC15W4K48S4微處理器通過另外一個(gè)串口實(shí)現(xiàn)與YLZ-332的數(shù)據(jù)通信。

2.3 顯示模塊

顯示模塊選用128128G-81202-PC液晶模塊，它是128×128點(diǎn)陣液晶顯示屏，具有字符顯示、圖形顯示以及合成顯示功能。由于系統(tǒng)需要顯示的字符不多，為減少編程的復(fù)雜性，液晶顯示采用統(tǒng)一的圖形顯示方式。需要顯示字符的點(diǎn)陣統(tǒng)一采用8×16點(diǎn)陣顯示，需要顯示漢字的點(diǎn)陣也統(tǒng)一采用16×16點(diǎn)陣顯示。LCD模塊接口有數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)和指令讀寫控制線，與MCU的接口電路如圖2所示。

圖2 液晶屏和微控制器接口電路

2.4 按鍵模塊

手持機(jī)根據(jù)需要設(shè)計(jì)了功能選擇按鍵、參數(shù)輸入按鍵等，采用4×4矩陣觸摸式鍵盤，微控制器與鍵盤的接口電路如圖3所示。

圖3 矩陣按鍵與微控制器接口電路

2.5 充電模塊

系統(tǒng)采用TP4056芯片設(shè)計(jì)了充電顯示電路，USB充電時(shí)，手持機(jī)底部的紅色燈亮起，當(dāng)完成充電時(shí)，綠燈亮起，紅燈熄滅。充電電路如圖4所示。

圖4 充電顯示電路

2.6 微處理器與上位機(jī)USB接口電路

系統(tǒng)采用PL2303HXD芯片實(shí)現(xiàn)UART(TTL)與USB的轉(zhuǎn)換，完成下位機(jī)與上位機(jī)的通信。UART轉(zhuǎn)USB接口電路圖如圖5所示。

圖5 UART轉(zhuǎn)USB接口電路

2.7 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用keil C51語言編寫，C語言的優(yōu)點(diǎn)在于程序編寫方便，可讀性強(qiáng)，便于模塊化，便于維護(hù)和升級(jí)。為了方便糧倉現(xiàn)場工作人員的使用，軟件設(shè)計(jì)遵循“所見即是結(jié)果、避免界面嵌套、功能直接切換”的原則。主要子程序包括：鍵盤讀入子程序、液晶顯示子程序；激光測量和傾角測量子程序；數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序和數(shù)據(jù)通信子程序。鍵盤讀入采用查詢方式，主程序循環(huán)查詢是否有按鍵被按下，并根據(jù)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置完成后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量、處理計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示以及上位機(jī)通信等。系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程框圖

3 結(jié)果與分析

以抽檢的部分糧庫測試結(jié)果為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，表1是山西鳴李儲(chǔ)備庫抽檢結(jié)果，倉型為平房倉，存儲(chǔ)糧食品種為小麥；表2是山西襄垣儲(chǔ)備庫抽檢結(jié)果，倉型為平房倉，存儲(chǔ)糧食品種為玉米。

表2 襄垣儲(chǔ)備庫玉米數(shù)量抽檢結(jié)果

由表1可見，無論是小麥品種還是玉米品種，糧食數(shù)量的檢測差率都在±3%以內(nèi)。檢測儀器經(jīng)過半年多的測試，先后在多個(gè)直屬庫進(jìn)行了試用，受到了全方位的檢驗(yàn)。實(shí)際測試中測試倉型擴(kuò)展到淺圓倉和立筒倉，測試品種擴(kuò)大到大豆，測試地域擴(kuò)展到了全國，都取得了良好的效果。

表1 鳴李儲(chǔ)備庫小麥數(shù)量抽檢結(jié)果

但是對(duì)于大豆和稻谷等糧食品種，儀器的測量還是遇到了一些問題。首先是容重測量的難題，國家實(shí)物檢查方法中明確規(guī)定，大豆、稻谷容重要用立方斗大容器進(jìn)行測量，現(xiàn)場很難操作[8]；其次，我國稻谷是帶殼保存，其特性已經(jīng)完全超出了散粒體的力學(xué)特性，壓力規(guī)律需要進(jìn)一步研究，修正系數(shù)也需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

測試結(jié)果表明：手持式檢測儀待機(jī)時(shí)間不少于36 h，一次可以存儲(chǔ)200次測量數(shù)據(jù)，儀器質(zhì)量僅320 g，糧食數(shù)量測量誤差在±3%以內(nèi)，完全滿足了清倉查庫中對(duì)糧食數(shù)量檢測的實(shí)際需求。

手持式檢測儀將激光測距技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理融為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧食數(shù)量的準(zhǔn)確檢測，可取代目前傳統(tǒng)的人工糧食數(shù)量檢測方式。為糧食行業(yè)清倉查庫中的數(shù)量檢測提供了一種專用的、快速便捷的先進(jìn)設(shè)備。