CN112914141B

CN112914141B - 基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统

Info

Publication number: CN112914141B
Application number: CN202110090186.4A
Authority: CN
Inventors: 陈振国; 孙光伟; 程研; 刘竞; 黄金国; 刘小伟; 孙敬国; 李建平; 冯吉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Tobacco Research Institute of Hubei Province
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Tobacco Research Institute of Hubei Province
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: CN112914141A

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，主要应用于密集烤房，涉及烟叶烘烤技术领域。该采集系统包括云服务端、烘烤状态传感采集模块和智能采集器。智能采集器将由烘烤状态传感采集模块采集到的烘烤数据，利用MQTT协议实时传至云服务端，经过云服务端的修正模型对数据进行处理，再由模拟模型进行模拟仿真，生成工艺修正参数传至智能采集器，再由智能采集器将工艺修正参数转换为指令，传至控制器。此外，本发明还解决由于网络不稳定等问题导致的实时通讯以及数据处理滞后性高，造成的烟叶最终品质下降，甚至烤坏烟等问题。同时可以兼容已广泛应用的控制器，功能扩展性强、布设成本低、易于推广落地，提升烟草产业的整体经济效益。

Description

基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统

技术领域

本发明涉及烟叶烘烤技术领域，尤其涉及一种基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统。

背景技术

烟叶烘烤是烟叶生产过程中最重要的环节，决定了烟叶最终品质的好坏。烟叶烘烤过程中环境的动态变化与烟叶生理生化变化关系密切，烟叶的变黄程度、失水程度是判断烟叶当前烘烤阶段完成度的重要观测指标，烘烤环境的温度、湿度以及阶段时间是影响烟叶最终品质的重要因素。

目前广泛使用的烟叶烘烤生产方式是采用密集烤房进行烘烤。采集到的烤房实际数据与提前预设在控制器内部的烘烤工艺曲线进行对比判断，通过控制变频器、排湿风门、燃烧器等使烘烤环境达到最佳。烟叶的变黄程度、失水程度等重要观测指标仍是以人眼为基础、凭借烟农的经验进行判断。烘烤过程采集到的数据大多是在偏远山区等网络环境不稳定下使用HTTP协议进行传输，没有稳定、实时的反馈烘烤工艺参数。同时目前应用广泛的控制器，当有较小的业务需求增加时，会面临大量更新换代的问题，性价比低，功能扩展性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，以解决现有技术中由于网络不稳定等问题导致的实时通讯以及数据处理滞后性高，造成的烟叶最终品质下降，甚至烤坏烟等问题；同时可以兼容已经广泛应用的控制器，功能扩展性强、布设成本低、易于推广落地，提升烟草产业的整体经济效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，包括云服务端和智能采集终端，所述智能采集终端与云服务端通过无线网络通讯连接；

所述云服务端包括云服务器、数据存储模块和数据预警模块，所述云服务器内置MQTT服务器、烟叶烘烤修正模型和烟叶模拟烘烤模型，所述数据存储模块提供物联网数据存储服务，所述数据预警模块提供烘烤数据预警服务；

所述智能采集终端包括烘烤状态传感采集模块和智能采集器；

所述智能采集器包括主控单元、与所述主控单元连接的通讯模块、MQTT客户端、指令转换模块和电源电路，所述智能采集器与云服务器通过通讯模块无线连接，所述MQTT客户端与MQTT服务器之间使用MQTT协议进行通讯；所述主控单元还与控制器连接，所述控制器用于调节烤房内的烘烤环境；

所述烘烤状态传感采集模块用于采集烤房内烟叶的实时烘烤数据，所述智能采集器用于将所述实时烘烤数据上传给云服务器，所述云服务器通过内置的烟叶烘烤修正模型和烟叶模拟烘烤模型对所述实时烘烤数据进行处理，得到烟叶烘烤的工艺修正参数，所述云服务器再将所述工艺修正参数下达至智能采集器，所述智能采集器通过指令转换模块将所述工艺修正参数转换为控制器执行的指令，并将所述指令发送给控制器，所述控制器根据所述指令调节烤房内烘烤环境。

具体地，所述烘烤状态传感采集模块包括温湿度采集模块、烟叶失水量采集模块和烟叶图像采集模块；

所述温湿度采集模块包括温度传感器、湿度传感器，用于采集烟叶烘烤过程中烤房内的温度、湿度数据；

所述烟叶失水量采集模块包括称重传感器，用于采集烟叶烘烤过程中的重量，进而计算得出烟叶的失水率；

所述烟叶图像采集模块包括摄像头和投光灯，所述摄像头用于拍摄烟叶烘烤过程中的图像，从而获知烟叶变黄的程度；所述投光灯用于为摄像头的拍摄提供照明。定时开启所述投光灯并对光源亮度调整，亮度调节合适后用所述摄像头拍摄烟叶烘烤过程中的图像。

所述烘烤状态传感采集模块在烟叶烘烤过程中周期性工作，采集烘烤状态的相关关键数据传至所述智能采集器。

进一步地，所述烟叶烘烤修正模型对所述实时烘烤数据进行预处理，并将预处理后的烘烤数据作为烟叶烘烤修正模型的输入，一次修正后输出当前烘烤所处的状态数据至所述烟叶模拟烘烤模型进行模拟；所述当前烘烤所处的状态数据包括当前烤房内的温度、湿度、烟叶的失水率和图像数据。

进一步地，所述烟叶模拟烘烤模型对所述当前烘烤所处的状态数据进行模拟仿真，分析仿真结果，并对仿真结果进行二次修正，生成工艺修正参数；所述工艺修正参数包括修正的温湿度参数和温湿度扰动。

具体地，所述通讯模块通过无线网络通讯与互联网建立数据通道，所述无线网络通讯方式包括WiFi、GPRS、NB-IoT、LoRa中的一种或多种；所述MQTT客户端与MQTT服务器通过所述通讯模块无线网络通讯连接。

具体地，所述MQTT客户端将所述烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据通过发布主题的方式上传至所述MQTT服务器，并通过订阅所述MQTT服务器的主题，接收所述烟叶模拟烘烤模型生成的工艺修正参数；所述MQTT服务器通过订阅所述MQTT客户端的主题，接收烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据，同时传至所述烟叶烘烤修正模型，并且将所述烟叶模拟烘烤模型生成的工艺修正参数通过发布主题传至所述MQTT客户端，完成数据的上传与下达。

具体地，所述数据预警服务通过WEB网页、APP或者小程序的形式对烟叶烘烤过程中的温度、湿度、烟叶变黄程度、失水率进行监测，并对每个监测数据分别设置不同的层级阈值，当某个监测数据超出其对应的阈值后，发出相应的预警提示。所述物联网数据存储服务，将烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据，持久化到数据库或文件系统中。

具体地，所述主控单元为具有多个IO接口的工业级单片机。

具体地，所述电源电路采用直流供电，具有防过流、防过压和防反接保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用MQTT协议消息开销小、对网络容忍性高的特点，解决在网络环境不稳定的烘烤情况下，仍能稳定正常与云服务端进行数据交互，解决实时数据处理滞后性高，造成的烟叶最终品质下降，甚至烤坏烟等问题；

(2)本发明的采集系统可以兼容市面上应用广泛的控制器，兼容性强，同时可以小型化、模块化的应用在每一个密集烤房内，可以大量产用；

(3)本发明的采集系统面对业务需求的增加时，无需更换控制器，通过智能采集器即可实现功能扩展，大大减少了由于频繁更新换代带来的成本问题，布设成本低、经济效益高；

(4)本发明的云服务端内置烟叶烘烤修正模型对实时数据进行修正，以及烟叶模拟烘烤模型对真实烘烤环境进行模拟，由修正后模拟仿真再修正的策略，得出更加符合当前烘烤环境的工艺参数，能够有效保障和提高烘烤烟叶的烤后品质，真正实现烟叶烘烤的精准化；

(5)本发明通过云服务技术与物联网技术的结合，将烟叶烘烤数据由原先的本地存储转变为云存储，使得可以以WEB网页、APP、小程序等形式在线监控烟叶烘烤过程的关键状态和参数，并将其数字化、信息化，通过云服务器将数据集中形成大数据应用的基础，一方面有利于降低系统布设与实施的成本，另一方面有利于提高模型的准确率，真正实现烟叶烘烤的智能化；

(6)本发明的采集系统的多级别阈值预警，除常见的温湿度外，增加了烟叶变黄程度、失水量等直接反映烟叶烘烤状况的关键参数，能更准确地监控烟叶烘烤过程的极端、意外情况并及时调整、记录、警报，防止烟叶烤坏造成损失；

(7)本发明借助物联网技术实现了烟叶烘烤过程的信息化，有助于解决现存的粗放管理、烤烟经验化等问题。

附图说明

图1为本发明实施例中基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统的架构示意框图；

图2为本发明实施例中智能采集终端的内部模块连接示意框图；

图3为本发明实施例中对烘烤数据修正后仿真再修正的策略示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，包括云服务端和智能采集终端，所述智能采集终端与云服务端通过无线网络通讯连接；

所述云服务端包括云服务器、数据存储模块和数据预警模块，所述云服务器可自行搭建或租用商业化云服务器(如Alibaba Cloud ECS、Tencent Cloud等)，所述云服务器内置MQTT服务器、烟叶烘烤修正模型和烟叶模拟烘烤模型，所述数据存储模块提供物联网数据存储服务，所述数据预警模块提供烘烤数据预警服务；

如图2所示，所述智能采集器包括主控单元、与所述主控单元连接的通讯模块、MQTT客户端、指令转换模块和电源电路，所述智能采集器与云服务器通过通讯模块无线连接，所述MQTT客户端与MQTT服务器之间使用MQTT协议进行通讯；所述主控单元还与控制器连接，所述控制器用于调节烤房内的烘烤环境；

所述温湿度采集模块包括DBS18B20温度传感器、HF3223湿度传感器，用于采集烟叶烘烤过程中烤房内的温度、湿度数据；

所述烟叶失水量采集模块包括型拉压力称重传感器，量程可选用50kg，称重精度为1％～5％，工作温度范围为-20℃～80℃，用于采集烟叶烘烤过程中的重量，进而计算得出烟叶的失水率；

所述烟叶图像采集模块包括两个RS485串行口协议的PTC02-200型广角摄像头和某直射型投光灯，使用RS485串行通信总线，定时开启所述投光灯并对光源亮度调整，亮度调节合适后用所述摄像头拍摄烟叶烘烤过程中的图像。

所述烘烤状态传感采集模块在烟叶烘烤过程中以20分钟/次地周期性工作，采集烘烤状态的相关关键数据传至所述智能采集器。

具体地，所述MQTT客户端，内置在智能采集器中，根据云服务器的固定IP以及MQTT服务器的端口，建立传输通道的连接，将烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据通过发布UPLOAD主题上传至所述MQTT服务器，并且通过订阅所述MQTT服务器的BACK主题，接收所述烟叶模拟烘烤模型生成的工艺修正参数；所述MQTT服务器，通过订阅所述MQTT客户端的UPLOAD主题，接收烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据，同时传至所述烟叶烘烤修正模型，并且将所述烟叶模拟烘烤模型生成的工艺修正参数通过发布BACK主题传至所述MQTT客户端。

上述传输的数据均以JSON的数据格式进行加密传输，每次完成数据传输后返回传输状态码以及信息描述。基于MQTT协议的部分自定义数据通讯协议实施例之一如下:

{

"collector_number":"F628C3F9007C33",(编号)

"temperature":"31.2",(温度)

"humidity":"54.2",(湿度)

"id":"200106225800-L5-C",(ID)

"uptime":"2020-12-1011:37:00"(时间)

}

如图3所示，进一步地，所述烟叶烘烤修正模型首先对烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据进行预处理：需对环境温湿度、烟叶失水率数据进行缺失值、异常值处理；并对烘烤烟叶图像通过合适的算法做去噪处理后，通过图像处理算法提取图像颜色空间的特征值，最后对数据进行标准化；经过数据预处理后作为模型的输入，输出当前烘烤所处的状态数据至所述烟叶模拟烘烤模型进行模拟，所述当前烘烤所处的状态数据包括当前温度、湿度、失水率、图像数据；

进一步地，所述烟叶模拟烘烤模型对所述当前烘烤所处的状态数据进行模拟仿真，分析仿真结果，并对仿真结果进行二次修正，生成工艺修正参数通过所述MQTT服务器下达至所述智能采集器；所述工艺修正参数包括修正的温湿度参数和温湿度扰动；所述物联网数据存储服务，将烘烤状态传感采集模块采集到的烟叶实时烘烤数据，持久化到数据库或文件系统中。

具体地，主要对烟叶烘烤全过程中的关键烘烤参数以10分钟/次的频率周期性地采集与监视，关键烘烤参数包括烤房的环境温度、湿度，烘烤烟叶的变黄程度、失水量等；在烘烤过程中烤房终端所采集到的关键烘烤参数，将根据采样周期，同步地与先期实验测定的不同阶段对应上限、下限阈值进行比较；当超过阈值时，系统将自动判定超限类型并生成相应反调节控制指令，下达到烟叶烘烤智能控制器执行以防止烟叶烤坏，同时系统将记录警报信息保存至数据库表中，并通过云服务器发送消息提醒到烘烤师的移动终端上。

所述主控单元使用极低成本的8bit基于8051内核STC系列MCU，通过RS485通信连接RS485串口摄像头，还扩展了一个24bit ADC转换器，用于连接失水重量传感器，通过标定不同的参数，可以对应多种量程和规格的重量传感器，省去了价格昂贵的变送器；连接可PWM调光的投光灯，并控制其定时开启同时对光源亮度，亮度调节合适后用所述摄像头拍摄烟叶烘烤过程中的图像；使用GPIO用软件时序操作温湿度传感器，没有扩展另外的接口，降低了成本；通过串口与所述通讯模块连接，可以是WiFi、4G、NB-IoT、LoRa任何一种，不同的通信模块，只是串口驱动不同，可以灵活设置；通过协议层接口与MQTT客户端进行连接，实现MQTT协议的通信；通过串口与指令转换模块连接，将烟叶模拟烘烤模型的工艺修正参数，转换为所述控制器执行的指令。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，包括云服务端和智能采集终端，所述智能采集终端与云服务端通过无线网络通讯连接；

所述烘烤状态传感采集模块用于采集烤房内烟叶的实时烘烤数据，所述智能采集器用于将所述实时烘烤数据上传给云服务器，所述云服务器通过内置的烟叶烘烤修正模型和烟叶模拟烘烤模型对所述实时烘烤数据进行处理，得到烟叶烘烤的工艺修正参数，所述云服务器再将所述工艺修正参数下达至智能采集器，所述智能采集器通过指令转换模块将所述工艺修正参数转换为控制器执行的指令，并将所述指令发送给控制器，所述控制器根据所述指令调节烤房内烘烤环境；

所述烟叶烘烤修正模型对所述实时烘烤数据进行预处理，并将预处理后的烘烤数据作为烟叶烘烤修正模型的输入，一次修正后输出当前烘烤所处的状态数据至所述烟叶模拟烘烤模型进行模拟；所述当前烘烤所处的状态数据包括当前烤房内的温度、湿度、烟叶的失水率和图像数据；

所述烟叶模拟烘烤模型对所述当前烘烤所处的状态数据进行模拟仿真，分析仿真结果，并对仿真结果进行二次修正，生成工艺修正参数；所述工艺修正参数包括修正的温湿度参数和温湿度扰动。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述烘烤状态传感采集模块包括温湿度采集模块、烟叶失水量采集模块和烟叶图像采集模块；

所述烟叶图像采集模块包括摄像头和投光灯，所述摄像头用于拍摄烟叶烘烤过程中的图像，从而获知烟叶变黄的程度；所述投光灯用于为摄像头的拍摄提供照明。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述通讯模块通过无线网络通讯与互联网建立数据通道，所述无线网络通讯方式包括WiFi、GPRS、NB-IoT、LoRa中的一种或多种；所述MQTT客户端与MQTT服务器通过所述通讯模块无线网络通讯连接。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述MQTT客户端将所述实时烘烤数据通过发布主题的方式上传至所述MQTT服务器，并通过订阅所述MQTT服务器的主题，接收所述工艺修正参数，完成数据的上传与下达。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述数据预警服务通过WEB网页、APP或者小程序的形式对烟叶烘烤过程中的温度、湿度、烟叶变黄程度、失水率进行监测，并对每个监测数据分别设置不同的层级阈值，当某个监测数据超出其对应的阈值后，发出相应的预警提示。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述主控单元为具有多个IO接口的工业级单片机。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的智能烟叶烘烤采集系统，其特征在于，所述电源电路采用直流供电，具有防过流、防过压和防反接保护。