基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材烘干機(jī)智能監(jiān)控方法

摘" 要：針對中藥材烘干設(shè)備自動(dòng)化、智能化、信息化程度低，中藥材烘干質(zhì)量差的問題，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控烘干系統(tǒng)，以三菱PLC-FX3U為控制核心，在Tlink物聯(lián)網(wǎng)云平臺建立云組態(tài)，通過DTU數(shù)據(jù)透傳把傳感器實(shí)時(shí)采集的溫度等參數(shù)，發(fā)送到云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。云組態(tài)通過4G DTU TP301V4.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與PLC-FX3U連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)云組態(tài)與三菱FX3U的MODBUS RTU通信。通過PC端和APP操作云組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)輸皮帶電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和加熱模塊等設(shè)備。采用EPS8266模塊與DHT11溫濕度傳感器，通過MQTT傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)云平臺對設(shè)備環(huán)境溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測。搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材烘干機(jī)平臺，測試平臺運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定和可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，為后續(xù)中藥材智能烘干機(jī)研究提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；中藥材；烘干設(shè)備；PLC；智能監(jiān)控

中圖分類號：TP273" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號：2096-9902（2025）06-0022-05

Abstract： In view of the problems of low automation， intelligence and informatization of traditional Chinese medicinal herbs drying equipment and poor drying quality of traditional Chinese medicinal herbs， an intelligent monitoring and drying system based on the Internet of Things is designed. With Mitsubishi PLC-FX3U as the control core， the Tlink Internet of Things cloud platform establishes cloud configuration， and through DTU data transparent transmission， sensors collect temperature and other parameters in real time and send them to the cloud platform for data visualization. Cloud configuration connects with PLC-FX3U through the 4G DTU TP301V4.2 IoT gateway for data interaction， realizing cloud configuration communication with Mitsubishi FX3U's MODBUS RTU. Remotely monitor equipment such as transportation belt motors， blowers and heating modules through PC and APP operation cloud configuration. The esp8266 module and DHT11 temperature and humidity sensor are used to remotely monitor the temperature and humidity of the equipment environment through the MQTT transmission protocol. A Chinese medicinal herb dryer platform based on the Internet of Things was built. The test platform operation results show that the system is running normally， stable and reliable， can realize remote monitoring of equipment， and provide a research foundation for subsequent research on intelligent Chinese medicinal herb dryers.

近年來，國家大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，智能化農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展迅猛。隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等高科技技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力。智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展不僅提高農(nóng)民收入、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)推動(dòng)農(nóng)業(yè)朝著產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)[1]。中草藥是我們中華民族的瑰寶，也是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。中草藥的藥效受其烘干質(zhì)量的影響[2]，國內(nèi)現(xiàn)有的中草藥烘干機(jī)還處于半自動(dòng)化的程度，針對中草藥烘干設(shè)備自動(dòng)化、智能化、信息化程度低的問題，為保證中草藥烘干質(zhì)量，急需智能化的中草藥烘干設(shè)備。

1" 中藥材烘干機(jī)智能控制系統(tǒng)

1.1" 烘干機(jī)結(jié)構(gòu)

中藥材烘干機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括運(yùn)輸模塊、加熱模塊、鼓風(fēng)模塊、視頻監(jiān)控模塊、智能控制模塊。使用Solid works三維軟件對設(shè)備進(jìn)行建模，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。運(yùn)輸模塊通過3層運(yùn)輸帶將中藥材輸入烘干機(jī)內(nèi)部完成烘干；加熱模塊加熱烘干機(jī)內(nèi)部達(dá)到藥材所需烘干溫度；鼓風(fēng)模塊使烘干機(jī)內(nèi)部的熱風(fēng)從下往上流動(dòng)為中藥材烘干提供穩(wěn)定的熱風(fēng)；視頻監(jiān)控模塊使操作者實(shí)時(shí)觀測藥材烘干的效果，保證藥材的烘干質(zhì)量；智能控制模塊通過三菱PLC-FX3U、DTU、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、云組態(tài)和傳感器對整個(gè)烘干機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2" 云組態(tài)控制系統(tǒng)

云組態(tài)控制系統(tǒng)由監(jiān)控層、傳輸層和設(shè)備層組成[3]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。監(jiān)控層由云組態(tài)、APP和小程序組成，云平臺服務(wù)器與設(shè)備層通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層對設(shè)備層的遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。三菱PLC-FX3U-48MR控制現(xiàn)場設(shè)備和采集數(shù)據(jù)通過DTU透傳云平臺服務(wù)器。ESP8266采集濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)，通過MQTT服務(wù)器上傳到監(jiān)控層[4-5]，這種傳輸方式不需要公網(wǎng)IP，ESP8266只要連網(wǎng)數(shù)據(jù)就能穩(wěn)定上傳。螢石CS-C6c攝像頭連接云平臺的專用接口，實(shí)現(xiàn)烘干機(jī)內(nèi)部實(shí)時(shí)視頻觀測，監(jiān)控烘干效果。

該系統(tǒng)以FX3U為控制核心，云平臺為主站，F(xiàn)X3U為MODBUS從站，F(xiàn)X3U控制運(yùn)輸模塊、加熱模塊、鼓風(fēng)模塊完成藥材烘干，并實(shí)時(shí)與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2" 硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)楹娓蓹C(jī)內(nèi)部濕度大溫度高和場地灰塵大，所選設(shè)備必須有更高的防護(hù)性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，如圖3所示。

PLC：三菱PLC-FX3U-48MR/ES，是具有容量大、速度快、性能高和功能全特點(diǎn)的可編程邏輯控制器，24點(diǎn)輸入，24點(diǎn)輸出。自帶兩路輸入電位器，8 000步存儲容量，可以連接多種擴(kuò)展模塊，特殊功能模塊。支持RS232、RS422、RS485串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。

PLC擴(kuò)展模塊：FX3U實(shí)現(xiàn)MODBUS RTU通信需要配置FX3U-485-DB模塊，該模塊插在FX3U的左側(cè)RS485的通信接口上，占用CH1通道；FX3U-385ADP-MB模塊，接在FX3U-485-BD模塊的左側(cè)接口，占用CH2通道，兩模塊實(shí)現(xiàn)FX3U的MODBUS通信，與各種支持MODBUS RTU協(xié)議的變頻器、傳感器等設(shè)備通信。FX3U-4AD高精度模擬量輸入模塊，該模塊通過排線與PLC右側(cè)通信接口連接，可進(jìn)行4通道電壓輸入（DC：-10～10 V）或電流輸入（DC：-20～20 mA、4～20 mA）。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)DTU：拓普瑞TP301V4.2 4G DTU無線傳輸模塊，工作溫度-30～80℃，支持3大運(yùn)營商APN或VPDN專網(wǎng)，具有RS232、RS485和TTL 3種標(biāo)準(zhǔn)端子接口，支持TCP、MODBUS RTU、MQTT協(xié)議等。

溫濕度傳感器：TP100鉑熱電阻溫度傳感器將溫度變量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號，具有耐高溫、防水防油、防腐防酸的性能，用于工業(yè)過程溫度測量和控制，測量溫度范圍-200～550 ℃，精度0.1 ℃。TP100溫度變送器模塊，溫度范圍-50～200 ℃，輸出4～20 mA電流。

3" 軟件設(shè)計(jì)

3.1" 控制程序流程

中藥材烘干機(jī)控制過程按照烘干工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制流程圖[6]如圖4所示。設(shè)備通電后，PLC程序初始化，程序進(jìn)行自檢，如有故障系統(tǒng)完成斷電操作，無故障其他設(shè)備通電開機(jī)。首先，視頻監(jiān)控設(shè)備開機(jī)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控中藥材的烘干過程和烘干效果。對于不同的中藥材需要不同的烘干溫度閾值[7]，溫度傳感器測量的溫度值能控制加熱模塊，保持烘干機(jī)內(nèi)部特定的溫度。通過監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測藥材烘干效果，控制藥材運(yùn)輸帶和鼓風(fēng)機(jī)烘干藥材。中藥材達(dá)到烘干要求和質(zhì)量，被輸出烘干機(jī)。

3.2" FX3U進(jìn)行MODBUS RTU通信配置

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)DTU與三菱PLC-FX3U通過RS485串口進(jìn)行MODBUS RTU通信。FX3U為MODBUS RTU從站，與DTU通信的云平臺作為主站，實(shí)現(xiàn)對PLC寄存器的遠(yuǎn)程讀寫功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。FX3U作為MODBUS從站實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議通信，需要GX Works2軟件進(jìn)行編程，用到MODBUS通信指令M8411，通道CH2的通信配置指令D8420、D8421等，如圖5所示。該程序，MOV H1081 D8420配置FX3U的MODBUS協(xié)議串口參數(shù)為波特率是9 600、數(shù)據(jù)位是8、停止位是1、校驗(yàn)位為無；MOV H11 D8421配置FX3U為MODBUS RTU從站；MOV H1 D843配置從站號為1；D8435通信計(jì)數(shù)器通信技術(shù)日志；D8436通信日志存儲位置。

3.3" DTU通信配置

DTU通信配置包括兩部分，第一配置與FX3U通信的參數(shù)；第二配置與Tlink云平臺通信配置。選擇工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)拓普瑞TP301，通過USB端口進(jìn)行DTU通信配置，需要配置與FX3U MODBUS RTU一樣的串口參數(shù)，波特率是9600、數(shù)據(jù)位是8、停止位是1、校驗(yàn)位為無；Tlink云平臺添加設(shè)置對應(yīng)的設(shè)備添加多個(gè)傳感器，平臺會(huì)生成相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)，DTU按照平臺設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置，服務(wù)器地址為mbrtu.tlink.io，服務(wù)器端口為8651、登陸包（序列號）為55T0T101P3B65X86[8]。配置界面和連接成功界面，如圖6所示。

3.4" 云平臺設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制各模塊，對云平臺設(shè)置的設(shè)備添加傳感器，運(yùn)輸帶、加熱模塊、鼓風(fēng)機(jī)和溫度測量傳感器，對每個(gè)傳感器進(jìn)行讀/寫功能設(shè)置。FX3U內(nèi)部寄存器地址、MODBUS地址和云平臺的偏置和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對應(yīng)，從站地址1，輸入X、輸出Y是位軟元件選擇功能碼01讀寫，D是字軟元件選擇功能碼03讀寫，選擇采樣周期30 s，完成云平臺傳感器參數(shù)配置，見表1。

云組態(tài)設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供很多云組態(tài)場景，同時(shí)可以按照需求自定義設(shè)計(jì)云組態(tài)。云組態(tài)包含功能：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)在線分析、數(shù)據(jù)下載和預(yù)警報(bào)警等。設(shè)計(jì)云組態(tài)時(shí)每個(gè)功能需關(guān)聯(lián)對應(yīng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的組態(tài)功能，自定義設(shè)計(jì)云組態(tài)界面，如圖7所示。

3.5" 溫度采集程序設(shè)計(jì)

FX3U通過4AD模擬量輸入模塊和PT100溫度變送器，采集PT100溫度傳感器測量的溫度值，該傳感器安裝在設(shè)備內(nèi)部，實(shí)時(shí)監(jiān)控烘干溫度上傳云平臺，使用GX works2編寫溫度采集PLC程序。環(huán)境溫度使用ESP8266模塊，連接DHT11溫濕度傳感器，使用Arduino軟件編寫溫濕度采集程序，采用MQTT通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到云平臺。溫度采集程序，如圖8所示。

4" 遠(yuǎn)程監(jiān)控測試

監(jiān)控系統(tǒng)測試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性的關(guān)鍵，使用搭建的物聯(lián)網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試，對平臺設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。遠(yuǎn)程監(jiān)控制測試，通過PC端云組態(tài)和手機(jī)端APP，啟停每個(gè)模塊，查看下載溫度濕度曲線。通過設(shè)置溫度閾值[9]，實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)控制加熱模塊，獲得最佳的烘干溫度，如圖9所示。

5" 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)平臺測試，驗(yàn)證了基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材烘干機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能控制，可以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)了多種設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備層、傳輸層和監(jiān)控層通過DTU數(shù)據(jù)透傳完成數(shù)據(jù)交互，傳感器參數(shù)的可視化。

該系統(tǒng)加入了視頻監(jiān)控，在今后的研究中，可以加入人工智能機(jī)器視覺，通過CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)處理拍攝的中藥材烘干效果圖，智能控制烘干機(jī)的每個(gè)模塊，對不同的中藥材實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量烘干，完全實(shí)現(xiàn)智能化。

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基金項(xiàng)目：新疆自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（2022D01B64）；伊犁州教育規(guī)劃項(xiàng)目（YLJYKT2022-244）；伊犁州職業(yè)教育集團(tuán)聯(lián)合會(huì)師資項(xiàng)目（YZLSZYB19）；伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級項(xiàng)目（yzyxm2023002）

第一作者簡介：溫浩興（1989-），男，碩士，助理講師。研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

*通信作者：于振江（1970-），男，教授。研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。