一种手持式粮食库存数量检测仪器的设计

吴才章，许启铿，王录民

1.河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州 450001 2.河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001

粮食是安天下、稳民心的重要战略物资。我国是人口大国，也是粮食消费大国，为了保障粮食安全，建立了庞大的粮食储藏体系[1]。为切实摸清粮食库存家底，守住管好天下粮仓，为国家粮食调控提供准确、可靠的依据，每年均开展清仓查库工作，每隔10年左右，还要进行全国性粮食库存大清查，其中粮食数量是检查的重点。粮食库存数量检测方法主要有称重法和测量计算法,称重法属于法定计量方法，但由于工作量大、时间长、费用高，动用人力、物力大，清仓查库中只在特定场合使用。测量计算法是根据粮堆体积和粮堆平均密度计算粮食数量的方法，是目前清仓查库中获得粮食数量的常用方法[2]。检查程序如下：(1)测量粮堆体积；(2)取样测量粮食密度(单位体积粮食质量)；(3)修正系数与粮食密度的乘积得到粮堆平均密度；(4)根据粮堆体积与粮堆平均密度计算测量计算数；(5)估算粮食储存期间的损耗数量；(6)根据测量计算数和应记粮食损耗推算粮食入库原始质量(检查计算数)；(7)检查计算数与分仓保管账比对，计算差率。

目前我国清仓查库工作还是人工方法，主要采用测距仪丈量、计算器计算、人工填写粮食实物检查底稿、统计汇总等方法实现。这种粮库粮食数量检测方法存在以下弊端：一是检测方法原始、效率低下，导致数量检测历时长、花费大等；二是检测结果不客观，由于采用人工方法填写实物底稿，难免存在人为因素的干扰，而且修正系数的选取随意性很大，导致计算结果的客观性难以得到保证；三是检测精度低，由于修正系数选取不科学，即便获得高精度的粮堆体积，也很难得出准确的粮食数量。

随着技术的发展，为了提高清仓查库的效率，改进我国粮食储藏数量检测手段，有效避免虚库、偷盗、虚报贴息等不良现象的发生，国内的学者进行了一些初步的探讨。测量计算法主要解决2个问题：一是粮堆体积的准确测量；二是粮堆平均密度的获取。目前粮堆体积的测量方法主要有2种：激光扫描法和图像识别法。图像识别法主要采用双目视觉法，其原理是从两个以上的观测点来观测同一个物体，目的是获取不同观测角的图像，再利用三角测量来计算不同视角图像的视差，从而得到物体的三维立体数据。目前该方法在立体匹配、三维信息恢复、匹配精度[3]等方面还需要进一步完善，还达不到清仓查库对粮堆尺寸测量的精度要求。目前对物体体积测量精度比较高的是激光测距扫描仪，常规的激光扫描体积测量主要通过激光测距配合高精度精密转台实现，这种方法对精密转台的机械精度要求非常高，导致激光扫描仪的价格较高，粮食行业难以接受[4]；另外，现有激光扫描仪主要适用于短距离、小倾角情况下物体形貌的测量，面对测量中出现的长距离、大倾角情况，则显得无能为力。因此，设计一款价格低廉，便于携带，满足清仓查库精度要求，适合我国粮食行业的粮库数量检测仪器成了当务之急。

粮堆平均密度是通过实测粮食密度再乘上修正系数得到的，如何获得粮堆密度的修正系数是测量计算法的关键。一般来讲散装粮的修正系数在1.01～1.08之间，正常情况下应该在1.03～1.05之间。但是同样条件下，质量等级高的粮食籽粒饱满、内部结构紧密，选取的修正系数要稍大；储存时间长的粮食粮堆内部逐渐密实，修正系数要稍大；装粮高与装粮低的粮堆相比，修正系数要稍大；人工入仓要比机械入仓的修正系数大；位于公路、铁路、机场以及大型震动源附近的粮仓，粮食受震动的影响逐渐压紧，修正系数也要大；通风次数越多，修正系数越大。影响因素不确定性和因素的复杂性，导致实际执行过程中修正系数选取比较随意。然而修正系数选取对最终计算的数量差率影响又比较显著，譬如修正系数选1.08还是选1.01，直接导致7%的粮食数量计算差率。正是这些原因，影响了国家清仓查库和大清查的权威性和客观性[5]。

1 系统总体设计

为了方便快捷地获得粮堆的准确尺寸，系统内置了倾角传感器，配合激光测距传感器，只需一次测量即可获得粮堆的外形尺寸。只要输入储粮品种、仓型、储存时间、入仓方式、通风次数、粮食容重、入库水分、目前水分等相关参数，系统根据内置的粮堆密度修正模型就可自动计算出粮堆密度修正系数。根据用户需求，系统设置了初测和精测两种测量模式。初测主要用于稽查人员快速简便地测量粮仓储粮数量，核实储粮账面，仅需简单输入一些粮仓参数即可；精测主要用于粮库技术员精确计算粮仓储粮数量，需要全面输入相关的粮仓参数[6]。

根据粮堆压力分布函数，建立了与储粮高度、时间、品种、通风次数、振动等关键影响因素有关的粮堆密度数学模型。密度模型构建后分别在有机玻璃仓、河南工业大学仿真模拟仓(6 m×9 m×6 m)和中储粮郑州直属库、河南郑州兴隆国家粮食储备库等进行了实仓验证。通过大量数据分析，经反复比较、筛选与优化，进一步对粮堆密度数学模型进行了优化。

系统总体设计框图如图1所示。系统采用STC15W4K48S4微处理器作为主控制器。测量模块由激光测距模块、倾角传感器模块组成；显示模块采用128×128液晶显示模块；按键模块由4×4矩阵按键组成；电源模块采用锂离子电池和充电芯片TP4056组成。为了实现与上位计算机的数据通信，采用PL2303HXD芯片实现单片机UART(TTL)与USB接口的转换。下位机采用移植性较好的C51语言进行编程，完成所有设置、测量、计算等功能；上位机采用C#编程，主要完成人机界面设计、数据通信、数据库管理、报表生成和统计分析等功能。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 激光测距模块

激光测距通过激光脉冲的飞行时间来测量其与目标之间的距离，具体来说就是激光测距仪向目标发射一个光脉冲，经目标反射后由测距仪的回波接收通道接收，并测量光脉冲从发射到返回测距仪所经过的时间，则测距仪和被测量物体之间的距离就是光速和往返时间一半的乘积。根据测量机理的不同，激光测距可分为脉冲式和相位式两种形式。相位式激光测距仪的精度比较高，通常为毫米级，一般应用于精密测量中。脉冲式激光测距仪具有测程远、测量速度快的特点，通常测量范围为几百米到几千米，测量精度是厘米级，主要应用于远距离探测。考虑到本系统的实际需求，选用相位式激光测距传感器[7]。

系统选用的PNF-1411型高精度的相位式激光测距模块，测量范围0.05～100 m，测量精度(标准差)±1.0 mm，激光类型620～690 nm，激光等级为Ⅱ级(<1 mW)。模块接口为UART(TTL)串行接口，传输波特率19 200 bps，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验，无流控。STC15W4K48S4微处理器通过串口实现与激光测距模块的数据通信。

2.2 倾角传感器模块

系统采用高精度的YLZ-332倾角传感器模块完成手持仪器倾斜度的测量功能。YLZ-332可对X、Y、Z三轴倾角的变化进行测量，每轴的测量范围为±90°，单轴测量分辨率可达0.004，小角度测量情况下精度为±0.01°，工作电压宽((+3.0～+12)V)、功耗低。YLZ-332采用UART(TTL)接口输出倾斜角度，每轴用2字节传输，能够自适应波特率，波特率识别范围在110～38 400 bps之间。STC15W4K48S4微处理器通过另外一个串口实现与YLZ-332的数据通信。

2.3 显示模块

显示模块选用128128G-81202-PC液晶模块，它是128×128点阵液晶显示屏，具有字符显示、图形显示以及合成显示功能。由于系统需要显示的字符不多，为减少编程的复杂性，液晶显示采用统一的图形显示方式。需要显示字符的点阵统一采用8×16点阵显示，需要显示汉字的点阵也统一采用16×16点阵显示。LCD模块接口有数据总线、数据和指令读写控制线，与MCU的接口电路如图2所示。

图2 液晶屏和微控制器接口电路

2.4 按键模块

手持机根据需要设计了功能选择按键、参数输入按键等，采用4×4矩阵触摸式键盘，微控制器与键盘的接口电路如图3所示。

图3 矩阵按键与微控制器接口电路

2.5 充电模块

系统采用TP4056芯片设计了充电显示电路，USB充电时，手持机底部的红色灯亮起，当完成充电时，绿灯亮起，红灯熄灭。充电电路如图4所示。

图4 充电显示电路

2.6 微处理器与上位机USB接口电路

系统采用PL2303HXD芯片实现UART(TTL)与USB的转换，完成下位机与上位机的通信。UART转USB接口电路图如图5所示。

图5 UART转USB接口电路

2.7 软件设计

软件采用keil C51语言编写，C语言的优点在于程序编写方便，可读性强，便于模块化，便于维护和升级。为了方便粮仓现场工作人员的使用，软件设计遵循“所见即是结果、避免界面嵌套、功能直接切换”的原则。主要子程序包括：键盘读入子程序、液晶显示子程序；激光测量和倾角测量子程序；数据计算处理子程序、数据存储子程序和数据通信子程序。键盘读入采用查询方式，主程序循环查询是否有按键被按下，并根据按键进行相应的设置，设置完成后进行相应的数据测量、处理计算、数据存储、实时显示以及上位机通信等。系统的主程序流程如图6所示。

图6 系统主程序流程框图

3 结果与分析

以抽检的部分粮库测试结果为例进行数据分析，表1是山西鸣李储备库抽检结果，仓型为平房仓，存储粮食品种为小麦；表2是山西襄垣储备库抽检结果，仓型为平房仓，存储粮食品种为玉米。

表2 襄垣储备库玉米数量抽检结果

由表1可见，无论是小麦品种还是玉米品种，粮食数量的检测差率都在±3%以内。检测仪器经过半年多的测试，先后在多个直属库进行了试用，受到了全方位的检验。实际测试中测试仓型扩展到浅圆仓和立筒仓，测试品种扩大到大豆，测试地域扩展到了全国，都取得了良好的效果。

表1 鸣李储备库小麦数量抽检结果

但是对于大豆和稻谷等粮食品种，仪器的测量还是遇到了一些问题。首先是容重测量的难题，国家实物检查方法中明确规定，大豆、稻谷容重要用立方斗大容器进行测量，现场很难操作[8]；其次，我国稻谷是带壳保存，其特性已经完全超出了散粒体的力学特性，压力规律需要进一步研究，修正系数也需要进一步探讨。

4 结论

测试结果表明：手持式检测仪待机时间不少于36 h，一次可以存储200次测量数据，仪器质量仅320 g，粮食数量测量误差在±3%以内，完全满足了清仓查库中对粮食数量检测的实际需求。

手持式检测仪将激光测距技术、嵌入式技术、数学建模、数据处理融为一体，实现了对粮食数量的准确检测，可取代目前传统的人工粮食数量检测方式。为粮食行业清仓查库中的数量检测提供了一种专用的、快速便捷的先进设备。