基于华为云平台的粮仓环境监测系统

摘 要：粮食作为人民生活的重要基础，其储存安全对国家安全具有重大意义。据农业和粮食部门统计数据显示，我国粮食入库后的损失巨大，其中储存保管环节的损失就达到了总量的5%左右。这主要是由于对粮仓环境因素的把控不到位，以及在发现粮仓环境不适宜时，不能及时有效地采取处理措施，导致粮食干物质损耗过大，甚至出现害虫啃食，造成重大损失。针对这些问题，基于ESP-WROOM-32模组设计了一套粮仓环境监测系统。该系统能够监测氧气、二氧化碳、环境温湿度、总挥发性有机物、氨气、甲烷以及喷洒药物后易挥发的磷化物等气体，并通过WiFi传输技术和MQTTS传输协议将数据上传至华为云平台进行保存，便于后期的增删查改。系统能够判断数据是否合理，并及时改善环境因素，最终通过APP进行数据展示，从而有效减少粮食损失。

关键词：粮食安全；粮仓环境监测；数据处理；ESP-WROOM-32；数据监测；华为云平台

中图分类号：TP391.4；TN277；TP929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

目前，我国采取的粮食储备方案主要包括中央储备、地方储备、农户储备和粮食流通企业储备4种。其中，农户储备的数量占比超过了一半，但农户在粮食储存过程中的损失率也高达约8%，导致每年粮食损耗达到2 000万吨。另外，粮库的储备损失率在5%左右。如果将损失率降低到2%左右，那么每年至少可以多获取几百亿斤粮食[1]。因此，保障粮食安全应主要从粮食储存方面入手。

传统粮仓主要分为房式仓、立筒仓、地下仓等几种类型。由于建造时技术条件的限制，不少传统粮仓存在保温隔热性能差、气密性不足、通风系统不完善等问题。若要了解粮仓内粮食是否存在虫害、发霉变质等问题，还需通过传统的人工监测手段，工作量大、效率低，且无法保证监测的实时性和全面性。

为解决传统粮仓存在的以上问题，本文开发了一套基于物联网技术的粮情监测系统。物联网技术通过智能算法和数据处理，使物品具备感知、学习和决策能力，能够根据环境和需求自动进行调整和互动[2]。该系统基于物联网、传感器和计算机技术，实现粮食储存过程中的自动化检测、数据管理和预警等功能，实时感知粮仓内的温度、湿度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数、磷化氢气体体积分数等环境参数和粮食储存状态，并通过数据分析和处理，将结果发布到云平台和APP。本系统的应用可使粮食安全储存和管理更加智能化，提高粮食存储质量，减少虫害及变质损失，保障粮食存储安全。

1 监测系统架构设计

本系统以ESP32作为控制中枢，针对要解决的粮仓环境监测和粮虫识别问题设计了环境监测盒、粮虫检测盒，从硬件、软件方面实现了环境监测、粮虫检测、粮虫消杀、数据展示与远程操控等功能，总体架构如图1所示。

WiFi具有速度快、成本低、无需布线等优点，适用于数据的实时上传，且其传输范围能够满足粮仓的需求。因此，本系统以WiFi作为主要通信方式。环境监测方面由环境监测盒实现，环境监测盒主要由多个传感器探测头组成，包括高精度的氧气电化学气体传感器、高精度的磷化氢电化学传感器、温湿度传感器和烟雾传感器等。部署在粮仓内部的传感器负责实时采集环境数据，并通过WiFi无线通信的方式将数据上传至云平台，用户可通过云平台、APP远程查看粮仓内的环境状况。

在粮虫检测方面，粮虫检测盒中的光电模块可对粮虫经过时引起的电位变化进行计数，从而判断粮虫数量。当前我国储粮害虫的主要防治手段是采用磷化铝片剂释放磷化氢气体进行熏蒸杀虫。其原理是磷化铝吸附空气中的水蒸气发生化学反应，产生剧毒的磷化氢，辅以环流等手段杀死储粮害虫[3]。虽然该方法效率高、使用方便，但如工作人员不慎吸入有剧毒的磷化氢气体，将造成人体神经、呼吸系统的损害，甚至导致死亡。本系统通过准确判断粮虫种类和数量，可实现用药量的准确控制。此外，环境监测盒中的磷化氢电化学传感器可监测磷化氢气体体积分数 ，当检测体积分数超出阈值时，可自动开启排气扇进行通风，降低安全事故风险。

环境监测盒与粮虫检测盒可与警报器连接，当检测值超出阈值时触发警报，提醒工作人员处理。系统通过云平台、APP提供实时监测结果，并向相关人员发送通知，以便及时采取控制措施。

2 监测系统传感器选型

传感器节点负责采集环境、物体或设备的数据，并将其传输到数据中心进行处理和分析。合理的传感器节点设计和布置可提高数据采集的准确性和效率，为后续的数据分析和决策提供可靠基础[4]。

2.1 DHT11 温湿度传感器

DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的复合传感器，包含电阻式感湿元件和NTC测温元件，可直接与高性能单片机连接[5]。

2.2 SGP30气体传感器

SGP30气体传感器是一种基于电化学原理的气体传感器，能够测量粮仓中二氧化碳和甲醛气体的体积分数。传感器内部的金属氧化物电极材料和电解液经过特殊设计和选择，能与二氧化碳和甲醛气体发生化学反应，产生电流信号。根据电流信号的强弱，测定粮仓内目标气体的体积分数。SGP30气体传感器的灵敏度和精度的数量级可达10-6，具有较高的测量精度。同时，传感器采用高速传感器芯片和高效的信号处理算法，能够在短时间内完成对目标气体的测量。响应时间一般在几秒钟之内，可以满足粮仓内二氧化碳和甲醛气体体积分数的实时监测需求。

2.3 高精度485型电化学气体传感器

系统采用氧气电化学气体传感器和磷化氢传感器，将检测到的气体体积分数转化为电信号，通过RS 485通信接口与主控进行通信，进而传输气体体积分数数据。RS 485通信结构是一种半双工网络，通信速度快，数据最高传输速率在10 Mb/s以上，在同一时刻只能发送或接收数据。其数据的发送和接收通过RE和DE引脚控制，通信距离最长可达1 219 m，最大传输速率为10 Mb/s，采用主从机通信模式，即总线可接多个终端节点[6]。该系统能够对粮仓内气体体积分数（氧气、磷化氢气体）进行实时监测和报警，确保粮食安全。

2.4 MQ-2烟雾传感器

MQ-2烟雾传感器是一种气体监测装置，适用于氢气、烟雾的探测。该装置基于二氧化锡表面离子式N型半导体材料，可用于粮仓烟雾监测。

3 监测系统软件设计

3.1 通信模块软件设计

3.1.1 物联网通信模块

WiFi技术是一种无线网络技术，用于电子设备之间的无线通信和数据传输，具有高速传输、范围广泛、安全性高、易于使用等特点[7]。

系统通信模块需要满足数据传输的准确性与实时性要求。WiFi的成本较低，只需要在数据传输密集区设置“热点”，不需要网络布线接入便可以实现数据的输入与输出。除此之外，WiFi使用无线电波传输，具有屏蔽范围宽、传输速度较快（可以达到11 Mb/s）、有效距离长和接入设备多等优点，可以满足通信模块对准确性与实时性的要求。由于粮仓大多是集中分布，需要布置较多传感器设备以实现对各项数据的检测，故本系统采用WiFi通信模块。

3.1.2 物联网云平台设备智能接入

设备智能接入的特点是设备接入平台的流程简单、可操作性强，能实现半自动化或自动化智能接入。接入后的设备能实现管理自动化，减少人力消耗，节约成本，有利于大范围推广和运用。使用嵌入物联网硬件SDK或直接使用物联网平台集成模块后，可以直接连接到物联网云平台，向具有相关权限的开发人员，提供相应的SDK或接口，以完成与私有独立设备的激活和连接；可以实现设备快速接入云平台，平台具备自动发现机制和设备互通、可控、可视化功能[8]。

系统进行虚拟设备的创建时，通过接口在华为云上创建一台设备并保存其编号。华为云通过编号获取设备的真实数据，从而使真实设备数据与系统平台上的虚拟设备形成关联[9]。

系统针对终端设备、平台用户的统一管理与监控，结合实际设备需求，选择华为云平台。华为云平台具有价格低、安全性高、数据传输方便等优点，可以实现数据的安全保障及便捷查看。

3.1.3 云上系统的通信实现

采用MQTTS协议实现终端与云平台间的数据稳定传输。MQTTS协议是基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议，可实现客户端与云端间的可靠信息传输，并且其开放、轻量、易于实现的特点使得该传输协议可以应对各种受限环境，如网络不稳定、处理器负载过高和内存不足等情况。MQTTS协议提供了“Last Will amp; Testament”和“Retained消息”功能，以确保在客户端意外断开连接时仍然能够有效地传递消息。MQTTS协议采用了异步、非阻塞的消息传递机制，支持TCP/IP、WebSockets等多种传输方式。它可以在可靠性和效率之间进行权衡，并通过QoS机制提供3个不同的服务质量级别，以保证数据的可靠传输[10]。

3.1.4 云上系统的总体方案

通过分析粮情监测系统的需求，结合物联网技术与通信技术，采用“云+端”的设计架构，实现云与端之间的信息交互和指令传输。具体工作原理：粮仓设备作为客户端通过WiFi网络接入云上系统，客户端通过MQTTS协议与服务端进行消息传输，并依靠云平台上部署的功能模块与服务组件，实现用户端的数据传输与指令下发等操作，使得云上系统不仅能管理物联网设备，还能为用户提供设备的灵活配置管理、数据的个性化服务等。此外，APP端能够依托云平台对设备端进行远程控制，实时掌握多个粮仓内的状态信息。

3.1.5 云预警子系统

云预警子系统通过参数阈值的设定实现预报预警的功能，并且具备云报警、云监测等机制。用户端可收到报警机制发出的指令，提醒用户进行相应操作。同时，云监测机制也会自动进行监控，当用户长时间未对警报指令进行操作时，云监测机制会自动采取相应的调节措施。例如，当系统发现仓内有粮虫时，云报警机制会立即发送相应指令给用户。如果用户长时间未进行操作，云监测机制会自动执行喷洒药物的操作，实现灭虫的目的。

3.2 环境数据采集功能软件设计

本系统旨在对粮仓内的氧气、二氧化碳、总挥发性有机物、氨气、甲烷和喷洒药物后易挥发产生的磷化物等气体的体积分数以及环境温湿度数据进行采集。为了确保采集数据的精确性，系统采用了分布式布局，确保多个传感器同时工作且互不干扰。系统基于轮询设计原则，根据采集周期和数据的重要性为每个传感器分配相应的权值，对于权值高的传感器数据先采集、上报和处理，对于权值低的传感器数据则单独按流程上报处理。系统中ESP-WROOM-32单片机与传感器之间的通信方式多样，其中包括Modbus通信协议、I2C通信协议、单总线协议等。本系统用到的Modbus通信协议以RS 485为通信介质，采用异步串口通信方式。同时系统还用到串口通信协议连接串口屏，以实时显示采集到的数据。为确保数据采集和上传的互斥性，系统采取了不同的上报模式，例如通过Modbus通信协议和I2C通信协议传输的数据，在一次完整的上传过程完成前不进行下次数据的采集，从而减少了无意义的数据采集次数，降低了设备的功耗。而对于采用单总线协议的传感器，系统则采取实时采集并立即上报的方式处理。数据结构逻辑如图2所示。

3.3 APP软件设计

Uni-APP可以通过cli项目的npm命令来运行。DCloud提供了针对Uni-APP的专用开发工具HBuilder，使用它可以更高效地开发Uni-APP应用。在APP端，开发者可以通过编写使用Vue语言的index文件来配置HTTPS协议，以访问华为云平台的设备属性和设备命令API访问端口。

系统从传感器监测节点采集数据后，首先会进行CRC校验等操作，再通过MQTTS协议将这些数据以数据包的形式转发至华为云平台。MQTTS协议是MQTT协议使用TLS加密的版本。采用MQTTS协议接入平台的设备，在设备与物联网平台之间的通信过程中，对数据进行加密处理，从而确保通信的安全性。云平台服务器模块负责接收这些数据包，并进行解密、转发等操作。同时，云平台服务器下发的指令会经过平台打包，然后发送至ESP-WROOM-32单片机，由单片机解析数据并将指令下发至传感器控制节点。同时通过华为云平台的OpenAPI模块将设备上传至云平台的数据打包转发至Uni-APP端，以便在Uni-APP端完成数据可视化展示工作。基本流程如图3所示。

4 数据通信测试

设备上电之后开始数据采集。当环境检测盒的串口屏实时更新数据时，代表数据已成功被采集并传输至单片机。串口屏实时显示数据的界面如图4所示。设备成功连接到WiFi后，会向云平台发送实时采集的数据。当华为云设备属性界面实时更新并显示这些数据时，表示数据被成功上传至华为云。华为云平台实时显示数据的界面如图5所示。用户打开APP时，APP向华为云平台的设备属性API端口发起HTTPS请求，以建立API连接。若APP数据显示页面能够实时刷新并显示最新数据，则代表APP成功调用了华为云平台设备属性的API数据。APP实时显示数据的界面如图6所示。

5 结 语

本文结合我国粮食存储的实际需求和现状，以ESP32为主控采集各种环境数据，如温湿度、二氧化碳体积分数、磷化氢气体体积分数等。这些数据通过WiFi通信技术被上传至云平台，进行存储、分析和可视化展示。为了便于管理人员实时查看数据，还开发了相应的APP和上位机软件。实验结果表明，该系统能够实时准确地采集粮仓内环境数据，并将这些数据同步显示在上位机和APP上。管理人员可以通过该系统自动/手动调节粮仓内的环境条件，从而确保粮食存储安全。除此之外，本系统还具有运行稳定、采集精度高、信息可靠性强、易于拓展等优点，经过进一步拓展后，该系统有望应用于其他农业场景中，为农业生产提供有力的技术支持。

注：本文通讯作者为黄芳。

参考文献

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