李 亮，阎 磊，白春启
（1. 陕西西瑞(集团)有限责任公司，陕西 咸阳 713199；
2. 河南工业大学 粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450001）
中国是人口大国，也是粮食大国。国家实行粮食储备制度，建立了覆盖全国的中央和地方粮食储备仓储企业，承担保障国家粮食安全、应对突发事件保障供应、稳定粮食市场价格等任务。国家对于中央储备粮的管理要求是数量真实、质量良好和储存安全[1]。粮食质量和储存品质与粮食储藏期间的粮情密切相关，在粮情的各个参数指标中，粮食温度是关键的指标，对于粮堆温度的检测是保证粮食储藏安全的最有效可行方法之一。早期人们通过人工感知的方法来检测粮温[2]，比如用手插入粮堆内来感觉粮食温度，或者以赤脚的方式踩踏粮食，有热烫感时，说明所接触粮堆部位的粮食温度可能偏高。后来演进为借助于内置温度计的扦样杆进行粮温检测等方法。20世纪70年代，美国的William T.Eng发明了粮仓电子温度监控装置，并申请了专利[3]。我国从20世纪70年代开始研制粮情电子测温的技术方法，早期主要是采用热敏电阻方法进行粮情检测[4]，随着电子计算机技术和传感器技术的快速发展，出现了电子粮情检测系统，并在广大粮食仓储企业得到广泛应用，一般称为粮情检测系统。近些年，粮情测控系统在逐步发展与完善，但还存在着系统兼容性差、检测精度低、有线为主、布线复杂等不足[5]。目前在用的粮情检测系统多为主从结构，主要由检测主机、检测分机、测温电缆、通信链路构成。其中，通信链路多为有线介质传输的总线通信链路，协议多为RS-485串行总线标准，也有部分粮情检测系统的通信链路采用无线数传电台等形式进行检测主机和检测分机之间的数据通信，但其通信协议仍为RS-485串行总线标准。
2015年，国家发展改革委、国家粮食局、财政部发布实施了《粮食收储供应安全保障工程建设规划》[6]（简称“粮安工程”），主要内容包括“建设粮油仓储设施、打通粮食物流通道、完善应急供应体系、保障粮油质量安全、强化粮情监测预警、促进粮食节约减损”等。其中重要的建设内容是粮库智能化升级改造，主要是以TCP/IP以太网为基础建设相应的软硬件信息系统。随着TCP/IP以太网在粮食仓储企业的建设[7]，原有的以总线形式为主要传输载体的粮情检测系统已不能适应粮库信息化的发展需要。因此，需要进行粮情检测系统的网络化改造，以实现网络环境下的更快速、更稳定、更开放的粮情检测系统应用。
常规的粮情检测系统主要是针对粮仓空间温度、湿度和粮堆内部的温度进行感知检测的系统。主要构成包括了检测主机上位机、检测分机、传输介质、测温电缆、温度传感器等，其中温度传感器安装在测温电缆内。系统结构如图1所示。
图1 粮情检测系统结构图
粮情检测系统通过部署温湿度传感器完成温湿度的自动检测、数据传输、数据存储与分析，并以曲线、层次等多种形式展示检测的结果[5，8]。使用时，粮库仓储保管工作人员操作检测主机上位机，下传检测指令给检测分机，检测分机经过对命令的判断后，按照指令要求执行检测操作。检测分机向各测温电缆及温度传感器发出检测信号，并接收传感器返回的检测信号，然后将检测信号转换成为数字信号后，回传至检测主机上位机。检测主机上位机对检测数据进行存储，并进行数据的可视化输出。
采用的有线传输介质一般是RS 485标准总线，RS 485也叫EIA 485，是美国电子工业协会（Electronic Industries Alliance，EIA）的串行接口标准，是一种半双工通信，一般选用一对双绞线作为传输线。在10 m的传输距离内，RS 485的最高传输速率可达10 Mbps，随着传输距离的增长，传输速率下降，数据率在105 bit/s以下，传输距离可达1 200 m以上[9]。因此，在粮情检测系统中，基于RS 485标准总线，适用于传输小数据量的字符型和数值型数据。
采用无线数传电台模式进行数据传输多是433 MHz频段，一般适用于数据传输量较小的应用场所。也有采用2.4 GHz频段ZigBee无线协议作为传输载体的。无线模式进行数据传输，受周围环境和气象因素等影响较大。
随着我国粮食仓储智能化升级改造建设的深入开展，大多数粮食仓储企业的信息化条件大为改善，新建设了智能出入库系统、安防监控系统、门禁系统、综合管理系统等多个软硬件信息系统[10]。而粮情检测系统作为较早在粮库内得到应用的计算机系统，需要适应信息化升级改造，以便融入综合管理系统，成为整个粮库信息化的一部分。
2.1 综合布线网络改造
综合布线改造是粮库智能化的基础，其目标是构建以TCP/IP协议为基础的粮库区域网或局域网，实现了以光纤网络为骨干，超五类或六类双绞线为支撑，并辅助以WLAN的库区范围综合布线体系。
就粮情检测系统而言，其综合布线要求主要是从仓房外控制箱至检测主机上位机之间的传输介质改造，一般由弱电管网、光纤线路敷设、光交箱、光电转换设备等构成。由于粮食仓储企业仓房和控制室之间距离较远，采用光纤传输是最适用的。常规采用的是单模光纤，考虑粮情检测系统数据传输和功能扩展需要，一般至仓房外控制箱应满足不少于4芯容量。弱电管网、光交箱是光纤敷设的载体，应按照国家相关标准进行。光电转换设备是实现将光纤通信转换为RJ45双绞线通信的设备，用于与检测分机进行连接通信。控制室一般位于建筑物内部，建筑物内部的综合布线采用光纤与双绞线相结合的方式敷设，按照建筑物综合布线规范进行。
粮情检测系统的综合布线改造一般不单独进行，而是作为粮库信息化的整体建设内容统一考虑。因此，实际改造中可要求为粮情检测系统分机提供4芯光纤接口或不低于100 Mbps的可扩展双绞线接口。
2.2 检测主机及检测分机改造
粮情检测系统的检测主机和检测分机是适网化改造的关键。核心思路是将原有的RS 485接口转换为RJ45网络接口，同时转换相应的数据协议。接口转换的主要设备是串口服务器，其工作原理是把来自RS 485等类型的串口设备的数据经过协议转换后，输出至对应的RJ 45接口类型TCP/IP网络中，反之，也可以把来自TCP/IP网的数据经过协议转换后输出至RS 485串口，从而实现对转换两端设备的透明的数据交换[11]。加入串口服务器进行网络化改造后，检测主机和检测分机之间的结构如图2所示。
图2 改造后检测主机和分机的结构图
网络化改造必须在检测主机和检测分机两端一并进行，对于粮情检测系统改造而言，串口服务器需要在检测主机和检测分机之间成对使用，才能保证数据正常传输。
2.3 软件系统改造
硬件改造完成后，粮情检测系统的软件系统也需要进行对应修改，将原有的RS 485串口通信修改为TCP/IP协议的Socket套接字编程[12-13]。但粮情检测系统本身的应用层协议不需要修改，如采用的是《粮油储藏 粮情测控系统 第4部分：信息交换接口协议》（GB/T 26882.4—2011）标准，则检测主机上位机读取粮堆温度的协议指令仍为如表1所示格式。由此，保持了粮情检测数据信息交换的协议一致性。
表1 检测主机上位机读取粮堆温度指令格式
2.4 应用实例
陕西省某粮食储备库是国家、省、市粮食储备库，拥有库房近30栋，粮情检测系统覆盖了所有仓房，均为RS 485通信。2018年该储备库进行了仓储智能化升级改造，建设了覆盖库区的综合布线系统，采用星型拓扑结构。库区骨干光纤网络为96芯，每个仓房均实现了8芯单模光纤接入，经光电转换为RJ45接口，粮情检测系统分机处安装MOXA NPORT5232串口服务器，接入综合布线网络，机房测控主机处布设对应设备，实现适网化改造。除粮情检测系统外，仓房综合布线还为虫情检测、智能通风、氮气气调、移动值仓等系统提供网络通信，改造后粮情检测系统原有应用得到保留，对主机通信完全透明，数据传输速率得到提升，稳定性显著优于原有RS 485通信，并且扩展了应用范围，接入了库区综合门户系统，实现了数据共享。
基于TCP/IP的网络基础设施是当今各项信息技术应用的根本保障，传统粮情检测系统通过适网化改造，可快速融入TCP/IP网络，从而获得更可靠、速度更快的数据通信。同时，能够更好地接入粮库智能化统一身份认证和综合门户中，实现数据共享，消除信息孤岛。
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