基于EMQ的禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)

李紅巖，張嘉偉，任泓易，施元徽，王 浩，師 龍

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

禽蛋是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，極大的需求量使得越來越多的企業(yè)采用自動化生產(chǎn)方式進(jìn)行禽蛋生產(chǎn)。企業(yè)的流水線生產(chǎn)缺乏對禽蛋數(shù)量的監(jiān)測和管理，當(dāng)企業(yè)禽蛋供應(yīng)大于市場需求時，導(dǎo)致禽蛋大量堆積，且由于存儲時間有限，一旦禽蛋變質(zhì)將無法出售，致使企業(yè)遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

基于EMQ的禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)可以收集實時禽蛋產(chǎn)量數(shù)據(jù)和庫房禽蛋儲備數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，由云端處理后存儲在平臺上。企業(yè)用戶可通過電子設(shè)備查看每月、每季度、每年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和不同庫房的禽蛋存儲量，軟件也會提供基本的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計結(jié)果，便于企業(yè)隨時掌握禽蛋儲存情況，最大限度避免損失[1-2]。

1 系統(tǒng)總體組成

本課題設(shè)計的基于EMQ的禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)主要由禽蛋計數(shù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)組成。禽蛋計數(shù)系統(tǒng)通過VL53L0X模塊實現(xiàn)禽蛋的計數(shù)功能，將采集的數(shù)據(jù)通過串口通信的方式發(fā)送給STM32F1主控制器進(jìn)行計算，得到禽蛋數(shù)量。系統(tǒng)將主控制器處理后得到的結(jié)果通過串口通信模塊上傳到云端處理、儲存，通過上位機(jī)可隨時隨地查看上傳的數(shù)據(jù)[3-4]。禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 禽蛋運(yùn)輸裝置

2.1.1 裝置結(jié)構(gòu)

運(yùn)輸裝置由直流減速電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、皮帶組成。運(yùn)輸裝置通過直流減速電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動從而帶動皮帶移動，實現(xiàn)禽蛋運(yùn)輸[5]。禽蛋運(yùn)輸裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 禽蛋運(yùn)輸裝置結(jié)構(gòu)

2.1.2 驅(qū)動方式

運(yùn)輸履帶由直流減速電機(jī)JGY-370驅(qū)動，該電機(jī)扭矩大、功率高，通過該直流減速電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，能夠使傳送帶保持正常穩(wěn)定的運(yùn)行。并且該電機(jī)所需驅(qū)動電壓小，通過改變驅(qū)動電壓便可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使用便利[6]。直流電機(jī)實物如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)實物

2.2 禽蛋計數(shù)裝置

禽蛋計數(shù)裝置由多個VL53L0X激光測距模塊構(gòu)成。VL53L0X激光測距模塊應(yīng)用廣泛，具有激光測距、避障檢測、一維手勢識別等功能。該模塊對環(huán)境光的免疫性好，能提供精確的距離測量值。激光測量原理如圖4所示。

圖4 激光測量原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 禽蛋計數(shù)原理

VL53L0X激光測距模塊采用940 nm垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射激光，其精度達(dá)2 mm，激光碰到障礙物后反射回來，被VL53L0X接收元件接收。通過測量激光在空氣中的傳播時間，進(jìn)而得到距離，借助I2C通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控制器打印。

激光測距模塊放置于傳送皮帶上方，每間隔100 ms向傳送帶進(jìn)行一次激光發(fā)送、接收流程，傳送帶的運(yùn)動速度約為0.13 m/s。無禽蛋通過時，每個測距模塊返回的值為模塊到履帶表面的距離，當(dāng)有禽蛋通過時，測距模塊的測量值會發(fā)生變化。設(shè)備工作時，保證每個禽蛋至少有3組測量數(shù)據(jù)，通過對變化值的處理分析得出履帶上經(jīng)過禽蛋的個數(shù)[7]。其檢測原理及計數(shù)算法流程如圖5、圖6所示。

圖5 禽蛋檢測原理

圖6 計數(shù)算法流程

3.2 數(shù)據(jù)傳輸原理

本系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)采集、傳輸及控制部分進(jìn)行改造，將監(jiān)控系統(tǒng)與傳感器間的有線傳輸改造為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)主控模塊采用STM32單片機(jī)，各節(jié)點(diǎn)按要求布置。采集的數(shù)據(jù)均傳送給單片機(jī)處理，由無線收發(fā)模塊通過MQTT通信協(xié)議形成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼MQ云平臺，用戶通過上位機(jī)訪問EMQ平臺便可查看禽蛋的數(shù)量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)。當(dāng)工作向前推進(jìn)時，通過增加、減少節(jié)點(diǎn)，調(diào)整節(jié)點(diǎn)距離的方式滿足監(jiān)測要求，從而克服有線監(jiān)測系統(tǒng)在使用中的弊端，使監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測范圍、靈活性、可靠性等方面得到進(jìn)一步改善。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

3.3 禽蛋完整度檢測原理

采用OpenCV對傳送帶上的禽蛋進(jìn)行檢測。OpenCV將采集的圖像交由樹莓派進(jìn)行濾波、圖像輪廓識別等處理，再與數(shù)據(jù)庫中完好禽蛋的圖像進(jìn)行像素對比，若差值在設(shè)定范圍內(nèi)，則認(rèn)為該禽蛋完好，否則即為破損蛋。STM32接收樹莓派發(fā)送的判斷結(jié)果，將判斷結(jié)果經(jīng)收發(fā)模塊傳輸?shù)紼MQ云平臺[8-9]。

禽蛋完整度檢測效果如圖8所示。

圖8 禽蛋完整度檢測效果

4 系統(tǒng)總體測試

為驗證禽蛋計數(shù)的準(zhǔn)確性及禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)的實用性，通過對大量禽蛋進(jìn)行測量并建立數(shù)據(jù)庫對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存分類。系統(tǒng)利用Simhash算法，在進(jìn)行測量時把實際測量值與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值進(jìn)行快速比較，從而提高禽蛋計數(shù)的準(zhǔn)確率。

系統(tǒng)上電后，各部分正常工作，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面如圖9所示，系統(tǒng)運(yùn)行效果測試如圖10所示。

圖9 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行效果測試

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于EMQ的禽蛋監(jiān)測系統(tǒng)通過搭建模擬工廠生產(chǎn)線的禽蛋運(yùn)輸裝置，利用傳感器對禽蛋數(shù)目、禽蛋完好度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱罱ǖ腅MQ云平臺，實現(xiàn)對禽蛋信息的監(jiān)測。考慮到禽蛋計數(shù)的精確度問題，該方案使用多個測量模塊，大大提高了禽蛋計數(shù)的精確度。同時利用節(jié)點(diǎn)式數(shù)據(jù)采集、傳輸方式，可實現(xiàn)對多個地方數(shù)據(jù)的采集、匯總。該系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡單、計數(shù)方案可行，可用于大規(guī)模、大數(shù)量的禽蛋監(jiān)測[10]。