基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煙葉烘烤中的應(yīng)用

張保全 張波 張瑞亞 馬留軍 鄭登峰 曹廷茂 劉瓊 吳飛躍

摘 要：為進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)密集烘烤技術(shù)，增加烘烤安全性、穩(wěn)定性、方便性，筆者引入基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的一種溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用串聯(lián)方式將其安裝于烤房中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)烘烤過(guò)程中的溫濕度并將數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)，用戶可根據(jù)其與設(shè)定值的對(duì)比對(duì)烘烤過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)安裝物聯(lián)網(wǎng)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的密集烤房與傳統(tǒng)密集烤房烘烤過(guò)程中溫濕度的變化和烤后煙葉外觀質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，安裝物聯(lián)網(wǎng)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的烤房干濕球溫度變化的穩(wěn)定性及烤后煙葉外觀質(zhì)量均優(yōu)于傳統(tǒng)烤房，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)提高烘烤的穩(wěn)定性和安全性以及改善煙葉質(zhì)量具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：烤房；溫度；濕度；物聯(lián)網(wǎng)；煙葉質(zhì)量

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.10.015

Abstract： To further optimize the traditional bulk curing technology and increase the safety， stability and convenience of baking， a real-time temperature and humidity monitoring system based on the internet of things were introduced， and installed in a roasting room by series method. The system could monitor the temperature and humidity in the tobacco leaf baking process in real time and send the data to the background， which users could accurately control the baking process according to the comparison with the set values. The contrastive experiment was conducted to compare the internet of things barn and traditional bulk curing barn， and the contrastive indices included the changes of temperature and humidity during the curing process and appearance quality of tobacco leaves after roasting. The results showed that the stability of drying and wetting bulb temperature， and also the appearance quality of flue-cured tobacco leaves in the curing barn with real-time temperature and humidity monitoring system was better than the traditional curing barn， indicating that the system could enhance the stability and safety of baking， and improve the quality of tobacco leaves.

Key words： flue-curing barn； temperature； humility； internet of things； tobacco quality

煙葉是一種經(jīng)濟(jì)作物，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣決定著煙農(nóng)收益，而烘烤環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化與煙葉生理生化變化關(guān)系密切，通過(guò)影響酶活性改變煙葉的品質(zhì)和質(zhì)量[1-3]。傳統(tǒng)烘烤是通過(guò)人工不定時(shí)對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制密集烤房溫濕度變化的目的，其難以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的及時(shí)準(zhǔn)確控制[4]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，目前無(wú)線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上運(yùn)用的已經(jīng)較多[5-11]，在煙葉生產(chǎn)上也有一定的應(yīng)用。謝守勇等[12]通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等方式對(duì)烤房溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳送，為智能化烘烤提供了基礎(chǔ)；劉志壯等[13]利用RS485總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以上位機(jī)和下位機(jī)對(duì)烘烤過(guò)程中的溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及調(diào)控，解決了不同地域和時(shí)間的煙葉烘烤的需要；王桂梅等[14]通過(guò)對(duì)密集烤房的控制儀進(jìn)行改造，控制助燃風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)等，達(dá)到對(duì)溫濕度的調(diào)控，提高了煙葉烘烤質(zhì)量；劉軍等[15]通過(guò)在原有烤房的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加了智能溫度控制系統(tǒng)，能在根據(jù)原有工藝實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)烘烤工藝的精準(zhǔn)控制。這些烘烤應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)均能達(dá)到智能控制的目的，但存在安裝復(fù)雜、造價(jià)維護(hù)較貴等問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)中不能很好地推廣。

本研究以上述技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了以單片機(jī)、電源模塊和GPRS遠(yuǎn)程通信模塊組成的設(shè)備，在無(wú)需改造烤房的情況下，采用串聯(lián)式安裝方式，實(shí)現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)”和“大數(shù)據(jù)”的管理模式，使“云計(jì)算”和煙葉烘烤完美結(jié)合，提高了對(duì)烘烤溫濕度控制的精度和烘烤質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試煙葉品種為K326。試驗(yàn)田土壤肥力中等，田間管理按優(yōu)質(zhì)煙葉栽培生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行，選取正常落黃、成熟度一致中部葉（10～12葉位）為試驗(yàn)材料。烤房為氣流上升式烤房，烤房規(guī)格為8.0 m×2.7 m，裝煙3層。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備介紹

1.2.1 設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造及安裝 本系統(tǒng)由單片機(jī)STM800L、電源模塊和GPRS遠(yuǎn)程通信模塊3個(gè)部分組成（設(shè)備引自西南大學(xué)）。其中，單片機(jī)和烤房控制儀同步采集干濕球溫度計(jì)的溫濕度數(shù)據(jù)，再通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送回信息平臺(tái)，供用戶實(shí)時(shí)查詢烘烤的干濕球溫度變化，及時(shí)調(diào)整烘烤工藝；電源模塊和密集烤房控制器的電源接在一起，為單片機(jī)和GPRS模塊運(yùn)行供電（圖1）。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器采用串聯(lián)式安裝方式（圖2），兼容國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家的控制儀，無(wú)需更換控制儀或改造烤房，即插即用，安裝簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng)、無(wú)人值守、信號(hào)強(qiáng)大、傳輸穩(wěn)定、安裝和維護(hù)都很簡(jiǎn)單。

1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 煙葉烘烤物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)將每座烤房的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸回服務(wù)器，用“物聯(lián)網(wǎng)”和“大數(shù)據(jù)”的管理模式取代了傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)了“云計(jì)算”和煙葉烘烤的完美結(jié)合。傳回的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在后臺(tái)服務(wù)器，用戶可用手機(jī)和電腦實(shí)時(shí)查詢，反饋到后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)低于或高于設(shè)定溫濕度值，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)短信的方式在5 min以內(nèi)通知到用戶，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)于2017年在云南省曲靖市羅平縣羊者窩烘烤工廠進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：T1，傳統(tǒng)的密集烤房；T2，安裝物聯(lián)網(wǎng)的密集烤房。2種裝煙方式的烤房按標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行裝煙，其裝煙量均為3 000 kg，每個(gè)處理的烤房分別裝煙3座作為3個(gè)重復(fù)，烘烤工藝均按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三段式烘烤工藝進(jìn)行烘烤[16]。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

烘烤過(guò)程中烤房?jī)?nèi)溫濕度的變化情況，物聯(lián)網(wǎng)烤房通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，而傳統(tǒng)的密集烤房通過(guò)密集烤房控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，每處理的三座烤房結(jié)果取平均值。根據(jù)國(guó)家烤煙分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB 2635—1992，由專業(yè)分級(jí)技術(shù)資質(zhì)人員對(duì)烤煙顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度等外觀品質(zhì)因素進(jìn)行打分，結(jié)果取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同烤房烘烤溫濕度狀況

物聯(lián)網(wǎng)烤房遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)溫濕度是每隔5 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)至后臺(tái)，后臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)與設(shè)定值自動(dòng)比較，與設(shè)定值差別較大時(shí)，通過(guò)手機(jī)短信的方式及時(shí)反饋到農(nóng)戶手機(jī)以便及時(shí)調(diào)整工藝。為研究安裝物聯(lián)網(wǎng)密集烤房的溫濕度情況，對(duì)煙葉烘烤過(guò)程變黃期、定色期以及干筋期的溫濕度狀況進(jìn)行分析（圖4～6）。結(jié)果表明，在變黃期，傳統(tǒng)密集烤房的干球溫度呈現(xiàn)忽高忽低的趨勢(shì)，變化不穩(wěn)定，而采用“物聯(lián)網(wǎng)”的烤房，其干球溫度變化較為穩(wěn)定，升溫穩(wěn)溫準(zhǔn)確而持續(xù)；2個(gè)處理的濕溫變化較為一致。在定色期，T1處理干溫呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的趨勢(shì)，出現(xiàn)了降溫現(xiàn)象且降溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（85～90 h），而T2處理烤房變化較為穩(wěn)定，也出現(xiàn)了降溫現(xiàn)象但持續(xù)時(shí)間較短（95～97 h）；2個(gè)處理的濕溫變化較為一致。在干筋期，與T2處理烤房相比，T1干溫出現(xiàn)了2次降溫現(xiàn)象且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（139～143 h、151～157 h），2個(gè)處理濕溫的變化較為一致。綜合而言，T1處理的烤房在整體烘烤過(guò)程中，干溫變化較不穩(wěn)定，在某時(shí)刻容易出現(xiàn)降溫且時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)的問(wèn)題，極易造成煙葉出現(xiàn)掛灰等雜色問(wèn)題影響烘烤質(zhì)量，安裝物聯(lián)網(wǎng)的烤房對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于對(duì)溫度準(zhǔn)確控制，確保烘烤的安全性。

2.2 不同烤房烘烤后煙葉外觀質(zhì)量對(duì)比

由表1可知，不同處理的烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量存在差別。與T1處理烤房相比，T2處理烤房烤后煙葉的顏色以桔黃-檸檬黃為主，煙葉組織結(jié)構(gòu)疏松，油分多且色度強(qiáng)；2個(gè)處理烤后煙葉的成熟度、身份無(wú)差異。T2處理烤房在烘烤過(guò)程中其干球溫度變化較為平穩(wěn)，煙葉失水與變黃較為協(xié)調(diào)，煙葉的外觀質(zhì)量較優(yōu)，說(shuō)明安裝物聯(lián)網(wǎng)的烤房對(duì)烤后煙葉外觀質(zhì)量的形成具有一定的促進(jìn)作用。

3 討論與結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在原有烤房的基礎(chǔ)上，通過(guò)串聯(lián)的方式與烤房?jī)?nèi)的溫濕度傳感器連接，無(wú)需其他配套設(shè)備。在開始烘烤后通過(guò)GPRS模塊每隔5 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可通過(guò)掃描二維碼或登錄http網(wǎng)址使用手機(jī)和電腦實(shí)時(shí)查詢，下載數(shù)據(jù)，反饋到后臺(tái)的數(shù)據(jù)再與密集烤房設(shè)定溫濕度值進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，超過(guò)或低于設(shè)定值時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)短信的方式在5 min以內(nèi)通知到用戶，方便了烘烤操作人員對(duì)烘烤情況及時(shí)控制。物聯(lián)網(wǎng)在煙葉烘烤中的應(yīng)用極大地方便了烘烤人員的管理，對(duì)提升烘烤操作具有一定的改善作用[17]。

本研究通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，安裝物聯(lián)網(wǎng)的烤房在烘烤變黃期、定色期及干筋期干球溫度變化較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)大幅度、長(zhǎng)時(shí)間降溫及升溫的現(xiàn)象，這與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)控制有關(guān)；在此監(jiān)測(cè)下，烤后煙葉的外觀質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)的密集烤房，這與烘烤環(huán)境的穩(wěn)定關(guān)系密切。綜合說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)在煙葉烘烤中的應(yīng)用提高了煙葉的烘烤質(zhì)量，增加了烘烤的安全性。

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