基于物聯(lián)網的新疆南疆棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

呂玉林，花元濤，王天賜，王清華

（塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

棉花是我國重要的農產品及紡織工業(yè)原料，在全球棉花生產、貿易與消費中占有非常重要的地位［1］。2019年，新疆棉花種植面積為2.54×106hm2，總產量為 5.0×106t，產量在全國占比高達84.94%［2］，是當?shù)剞r戶的主要經濟作物。新疆地區(qū)光照時間長、晝夜溫差大，具有獨天得厚的自然資源，因此為棉花的生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件，在種植方式上機械化參與程度和科學種植理論持續(xù)提高，使得當?shù)孛藁ǚN植面積及產量基本處在穩(wěn)中有增的局勢。棉纖維內部為中空構造，其內部空腔占整個纖維橫截面積的10%左右，并且棉纖維在生長過程中形成了天然的團狀回轉結構，從而造成棉花具有易燃、易潮濕的特性［3］。棉花倉庫中棉花是以高密度棉包形式進行存儲，一個標準的棉包長1.4 m，寬0.53 m，高0.7 m，重(227±10)kg，棉包堆積使棉包內部在長時間的熱量聚集后發(fā)生陰燃的可能性大大增加，加之在機采棉倉儲過程中，棉花自身水雜條件對其安全存儲也具有極大的影響。因此新疆南疆作為我國主要的優(yōu)質棉生產基地，在此建立從生產、運輸?shù)絺}儲、配送的完善區(qū)域性物流體系，對保證棉花生產和市場供應將具有重大意義。

國內外學者在倉庫智能監(jiān)測技術領域均有研究。目前國外大部分相關研究主要集中在通過利用現(xiàn)代互聯(lián)網技術對不同農作物倉儲環(huán)境因子的精準監(jiān)測，同時對倉庫內部環(huán)境進行實時有效地調控，進而保證不同作物儲藏的最佳適宜倉儲條件［4］。國內農業(yè)智能化持續(xù)發(fā)展，眾多學者將物聯(lián)網技術應用在倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)方面，余明艷等［5］利用物聯(lián)網設計了農業(yè)園區(qū)預警監(jiān)控系統(tǒng)；劉博等［6］利用物聯(lián)網建立了蔬菜大棚監(jiān)控平臺；王家敏等［7］利用物聯(lián)網構建了冷鏈物流制冷監(jiān)控平臺。隨著物聯(lián)網技術的普及利用，物聯(lián)網技術針對棉花產業(yè)的研究也不斷涌現(xiàn)，萬少安等［8］基于物聯(lián)網技術對棉包存儲環(huán)境的溫濕度進行了相關研究；路紋紋等［9］以物聯(lián)網技術為基礎設計出了棉花水分測試儀；連素梅等［10］就包裝材料及存儲環(huán)境對棉纖維質量的影響進行了相關試驗等。綜上所述，國內物聯(lián)網在倉儲物流領域的研究勢頭較為可觀，且在棉花產業(yè)領域也有深入研究。但目前主要是基于物聯(lián)網倉儲系統(tǒng)圍繞作物生長過程和物流過程的監(jiān)測及保鮮等問題來進行研究，針對新疆南疆地區(qū)棉花倉儲過程中防潮、防火等問題研究存在不足。

基于目前研究現(xiàn)狀，本研究通過對新疆南疆棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計，旨在解決棉花倉儲監(jiān)測數(shù)據(jù)分散及智能化程度不高的問題，實現(xiàn)對棉花倉庫內溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境因子進行實時精準監(jiān)測，還能準確地針對各種突發(fā)情況迅速采取相應自動通風、滅火等措施。

1 棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1 功能設計

棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)是基于物聯(lián)網技術與云平臺技術對棉花倉儲開展的研究設計［11］，主要通過各分部式傳感器實時采集倉儲環(huán)境數(shù)據(jù)解決棉花堆垛的防火、防潮問題，并結合云平臺技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)與管理人員之間的互聯(lián)互通。

通過對多地調研分析發(fā)現(xiàn)，新疆南疆棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)應滿足以下條件：1）能夠實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)無線傳輸；2）倉庫環(huán)境和棉花倉儲信息能夠精確采集；3）系統(tǒng)運行穩(wěn)定；4）能夠自動進行通風或滅火；5）系統(tǒng)成本低廉，具有實用性。

1.2 系統(tǒng)整體結構

在節(jié)點鏈接布局上為了實現(xiàn)傳感器節(jié)點在棉花存儲倉庫內大范圍部署［12］，同時節(jié)約成本以及兼顧系統(tǒng)部署的靈活性，傳感器節(jié)點之間距離應選取最佳鏈接距離［13］，在鏈接方式上若采用有線方式連接不僅在線材上的成本過高，而且極大地增加了傳感器結點的部署難度［14-15］。綜合倉庫部署的距離和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性等問題，本研究采用Lora無線傳輸方案［16］。系統(tǒng)主要分為三個部分［17］，分別是感知層、網絡層、應用層，系統(tǒng)架構如圖1所示，整體網絡架構采用星型拓撲結構［18］。

圖1 新疆南疆棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構

感知層主要是棉花堆溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅饕约氨O(jiān)控裝置等傳感器設備組成的數(shù)據(jù)采集單元［19］，將數(shù)據(jù)通過Lora節(jié)點發(fā)送到Lora網關，此時STM32控制器會將數(shù)據(jù)進行一次初步過濾，并根據(jù)預先設定閾值判斷是否啟動通風扇或消防設備等先行設備。進行數(shù)據(jù)過濾后將數(shù)據(jù)上傳至因特網所在的網絡層，網絡層采用ESP8266或GPRS作為網絡層硬件傳輸設備，并在整個數(shù)據(jù)中轉過程中采用MQTT通信協(xié)議。數(shù)據(jù)通過網絡層上傳至服務器，此時服務器作為整個信息展示平臺的后端，電腦網頁或手機App可以登錄此服務器實時查看數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點結構圖如圖2所示，傳感器節(jié)點是感知層的核心結構［20］，此部分主要包含供電模塊、棉花堆溫濕度傳感器［21］、空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、視頻監(jiān)控裝置和Lora無線通信模塊［22］。

圖2 傳感器節(jié)點結構圖

2.1.1 Lora無線傳輸模塊

Lora無線傳輸模塊主要負責將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)送到Lora網關［23］。本系統(tǒng)采用YL-800T Lora無線傳輸模塊，YL-800T是一款體積小、微功率、低功耗、高性能、遠距離的無線數(shù)傳模塊，內部自動擴頻計算和前導CRC糾錯處理，不改變用戶的任何數(shù)據(jù)和協(xié)議［24］，采用半雙工通訊，實現(xiàn)串口無線收發(fā)代替有線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.1.2 棉花堆垛溫濕度測量儀的設計

棉花倉庫最重要的就是棉花本身溫濕度的管理，棉花堆溫濕度測量儀主要負責實時收集棉花堆內部的溫濕度數(shù)據(jù)［25］。根據(jù)實地調研棉花堆垛分為籽棉堆垛和皮包棉堆垛，其中皮棉堆垛每垛占地面積為150 m2，垛高為8 m；籽棉堆垛每垛占地面積為 100 m2，垛高為6 m［26］。

由于需要實時測量棉花堆內部的溫濕度數(shù)據(jù)，而目前市面上流行的主要為空氣溫濕度傳感器，在測量棉花堆內部時，無法深入棉花堆內部進行測量。因此本研究棉花堆溫濕度測量儀參照糧堆溫度監(jiān)測桿進行設計，以目前典型棉花堆垛體積為例，將5～7組DHT11溫濕度傳感器分布于一個長5 m鏤空的中空金屬桿內，棉花堆溫濕度測量儀設計如圖3所示。DHT11傳感器采用單總線通信，由STM32單片機對棉花堆溫濕度測量儀內部傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過多點定位結合卡爾曼濾波算法，來實現(xiàn)對體積為320 m3以內棉花堆垛內部溫濕度數(shù)據(jù)采集?？柭鼮V波算法為：

圖3 棉花堆垛溫濕度測量儀

式（1）～（5）中，代表先驗狀態(tài)估計值，通過上一時刻最優(yōu)估計值預測到當前時刻的結果；-1和代表后驗狀態(tài)估計值；代表后驗狀態(tài)估計平均值；A代表狀態(tài)轉移矩陣；B代表控制矩陣（將輸入轉化為狀態(tài)）；uk-1代表輸入控制量；代表先驗估計協(xié)方差，通過使它的跡最?。ǚ讲詈妥钚。┦沟谜`差最小，以此求出卡爾曼增益；Pk代表后驗估計協(xié)方差，更新后作為下一次迭代的輸入；K代表卡爾曼增益，是觀測和預測的加權系數(shù)；Q代表過程噪聲協(xié)方差；R代表測量噪聲協(xié)方差；Z代表實際觀測值；H代表測量矩陣。

2.1.3 傳感器節(jié)點設計

每個傳感器節(jié)點都需要搭載一組傳感器，為了提高傳感器結點的監(jiān)測效率，以及保證其可靠性［27］。本研究將系統(tǒng)所需的各類傳感器集成到PCB板上，以實現(xiàn)各傳感器節(jié)點的集成化，其實物如圖4所示，傳感器節(jié)點PCB如圖5所示。DHT11溫度傳感器、TH10S-B空氣濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯热坎捎霉I(yè)級。其中TH10S-B空氣濕度傳感器具有精度高，測量范圍廣等特點。MQ-2、CO2濃度傳感器常用于工廠的氣體泄漏監(jiān)測，適宜于煙霧、CO2等的探測?；鹧?zhèn)鞲衅骶捎媚壳笆忻嬷髁鞯膫鞲衅黝愋?，用以采集穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。

圖4 倉庫控制節(jié)點實物圖

圖5 傳感器節(jié)點PCB

信息采集節(jié)點主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和上傳功能。一方面對數(shù)據(jù)進行初步濾波并實現(xiàn)自動化采集數(shù)據(jù)，另一方面根據(jù)自主封裝的Lora穩(wěn)定通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)進行封裝（數(shù)據(jù)幀包含數(shù)值狀態(tài)，節(jié)點電源信息，發(fā)送時間等）并上傳給終端節(jié)點。

感知層信息采集節(jié)點數(shù)據(jù)處理具體流程如圖6所示。信息采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集方式已進行軟件預設，采集方式主要圍繞兩種事件展開，第一種為日常數(shù)據(jù)采集事件，利用棉花堆溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和光照傳感器并配合監(jiān)控裝置進行常規(guī)倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集。第二種為緊急報警事件，緊急事件檢測包含火災監(jiān)測，防潮監(jiān)測等。針對火災監(jiān)測主要利用火焰?zhèn)鞲衅骱虲O2濃度傳感器采集數(shù)據(jù)進行實時預警。CO2濃度傳感器監(jiān)測閾值設定為4 000 ppm，當環(huán)境CO2濃度高于設定閾值立即發(fā)出緊急預警同時啟動消防設備，并將采集速度提升至20次/min進行實時監(jiān)測CO2濃度變化情況。防潮監(jiān)測主要是利用部署于棉花堆垛內部的棉花堆溫濕度傳感器進行監(jiān)測，在回潮率高于10%時進行預警，并自動打開通風扇。

圖6 信息采集節(jié)點程序設計

2.1.4 組網方式

本研究棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)中Lora數(shù)據(jù)通信采用獨立組網方式［28］，組網結構如圖7所示。系統(tǒng)主要采用輪詢的方式，由Lora網關作為中心節(jié)點按設定時序不斷向各個分節(jié)點發(fā)出查詢信號，當分節(jié)點接收到來自中主節(jié)點的查詢信號時［29］，就會向Lora網關發(fā)送數(shù)據(jù)。當受到環(huán)境變化或某一傳感器分節(jié)點損壞造成信道擁堵［30］，Lora網關作為中心節(jié)點會調節(jié)輪詢方案，排除無用通信降低信道利用率。該組網方式能夠保證數(shù)據(jù)準確上傳，并且可以保證各分節(jié)點上傳數(shù)據(jù)不會發(fā)生沖突。

圖7 組網結構

2.1.5 STM32控制器設計

STM32控制器采用STM32ZET6作為主控芯片［31］，該款MCU計算能力強、功耗低、性能強勁、適用性好。控制器作為所有傳感器和其他先行設備的總控制節(jié)點，現(xiàn)場部署的各項設備都需要經過控制器的處理。首先各個傳感器分節(jié)點通過Lora網關將數(shù)據(jù)進行匯總然后將數(shù)據(jù)上傳至STM32控制器，由STM32控制器采用低通濾波算法，對數(shù)據(jù)進行過濾篩選處理［32］。將篩選后的數(shù)據(jù)通過控制ESP8266無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端。STM32控制器也可通過根據(jù)傳感器分節(jié)點采集的數(shù)據(jù)判斷是否到達設定數(shù)據(jù)閾值，從而自動調節(jié)包括通風扇和消防設備等下行設備。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)服務器搭建

棉花倉庫智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)服務器作為整套系統(tǒng)的核心部分，其結構如圖8所示。負責鏈接軟硬件之間數(shù)據(jù)交換［33］。棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)服務器由MQTT代理服務器、Tomcat服務器、Servlet接口和Mysql數(shù)據(jù)庫組成［34］。MQTT 代理服務器接收ESP8266無線傳輸模塊發(fā)送的MQTT數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)解析后經由Servlet接口將數(shù)據(jù)存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫中，同時通過Tomcat服務器作為前端各類展示頁面的后端驅動引擎，提供實時數(shù)據(jù)更新。棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)服務器是此系統(tǒng)的云上控制端，服務器部署于linux平臺，通過訪問此系統(tǒng)指定域名可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時獲取和設備遠程控制。

圖8 服務器架構

3.2 數(shù)據(jù)庫的存儲與發(fā)送

由于棉花倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)服務器不僅需要進行數(shù)據(jù)傳輸，還需要大量的存儲空間進行數(shù)據(jù)存儲［35］。棉花倉庫環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)不需要事務化處理，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且并發(fā)量較小，非常適合Mysql數(shù)據(jù)庫。根據(jù)環(huán)境信息將存儲數(shù)據(jù)分為檢測時間、節(jié)點ID、數(shù)據(jù)量、異常情況（是否）建立sql數(shù)據(jù)表將不同數(shù)據(jù)進行分類存放。Servlet接口可根據(jù)需求提取sql數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，為前端各類信息展示頁面提供展示數(shù)據(jù)。

3.3 棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)展示頁面設計

棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)頁面可對棉花倉庫各類信息的顯示以及其他下行設備進行控制，根據(jù)不同環(huán)境的使用要求，本系統(tǒng)開發(fā)兩套實用信息展示軟件，分別為網頁大屏信息展示端和手機App。其設計邏輯包含賬戶登錄、信息展示以及設備控制，棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)展示頁面設計框架如圖9所示。

圖9 棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)展示頁面設計框架

3.3.1 數(shù)據(jù)可視化網頁

數(shù)據(jù)可視化網頁界面如圖10所示。數(shù)據(jù)可視化網頁采用JS語言編寫，結合Echarts可視化技術和Vue框架聯(lián)合開發(fā)［36］。用戶通過指定網址直接訪問棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)服務器，棉花倉庫數(shù)據(jù)可視化網頁將后臺數(shù)據(jù)庫的信息進行解析渲染繪制成各類直觀的柱狀圖、曲線圖、表格等。在主界面中可實時查看棉花倉庫存儲統(tǒng)計、棉花種類分析、節(jié)點分布、倉庫溫度變化、棉花堆垛溫度信息、倉庫消防情況等，相應的二級頁面可以實現(xiàn)對對應下行設備的控制［37］。

圖10 數(shù)據(jù)可視化網頁界面

3.3.2 棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)App設計

棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)App界面如圖11所示。棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)App部署于智能手機，實現(xiàn)便攜式棉花倉庫信息管理［38］。軟件采用Android Studio開發(fā)工具進行開發(fā)，編程語言采用Java結合HTML等語言聯(lián)合開發(fā)。該軟件系統(tǒng)開發(fā)邏輯與數(shù)據(jù)可視化網頁相同，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)展示和設備控制功能。

圖11 棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)App界面

4 試驗機結果分析

棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)在阿克蘇地區(qū)沙雅縣紅星棉花倉庫進行實地測試，測試內容主要包含棉花堆垛溫濕度測量儀采集精確度、丟包率、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性測試等。

4.1 傳感器采集精確度

確定兩塊存儲棉花品類和數(shù)量相同的倉庫作為棉花堆垛溫濕度測量儀隨機布局實驗區(qū)域，實驗區(qū)域為兩組獨立棉包集群，每個集群有300個獨立棉包，分為10個棉花堆垛，每個堆垛為30個棉包。分別設置為測量儀節(jié)點測試區(qū)域和人工對照區(qū)域。實驗在兩塊實驗倉庫相同位置布置5個傳感器節(jié)點和人工測試點位，測量儀設置為數(shù)據(jù)采樣頻次為3次/d，連續(xù)采樣7 d，同時人工組在相同時間進行溫度采樣，進行為期一周的棉花倉庫數(shù)據(jù)采集，取每一時間段采集數(shù)據(jù)平均值作為一次測量結果，結果如表1所示。

表1 棉花倉庫溫度數(shù)據(jù)

通過3次/d數(shù)據(jù)采集為期一周的測試，將21組將人工采集濕度數(shù)據(jù)和傳感器采集濕度數(shù)據(jù)通過Matlab繪制折線圖，如圖12所示。人工采集濕度數(shù)據(jù)和傳感器采集濕度數(shù)據(jù)基本一致，表明該系統(tǒng)傳感器精度與實際誤差較小，滿足設計要求。

圖12 濕度數(shù)據(jù)折線圖

4.2 丟包率測試

丟包率是影響系統(tǒng)無線傳輸穩(wěn)定性的重要因素，因此丟包率測試環(huán)節(jié)是非常重要的，取4個傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，在服務器端檢測接收數(shù)據(jù)，設定采集周期為20 min，連續(xù)24 h進行驗證。結果如表2所示，整體系統(tǒng)丟包率控制在0.87%，處于正常數(shù)據(jù)傳輸范圍，可以保證系統(tǒng)有效運行。

表2 丟包率測試數(shù)據(jù)

4.3 系統(tǒng)運行測試

試驗區(qū)域仍設定為阿克蘇某棉花倉庫一個獨立棉包集群，每個集群有300個獨立棉包，分為10個棉花堆垛，每個堆垛為30個棉包。以集群內部每一個棉花堆垛為節(jié)點部署單位，分別部署10個傳感器分節(jié)點，每個分節(jié)點按星型結構在棉花堆垛內部部署5組棉花堆垛溫濕度測量儀，其余每個節(jié)點附帶有光敏傳感器，二氧化碳傳感器以及Lora通信模組。各個環(huán)境信息采集分節(jié)點會將數(shù)據(jù)實時上傳至總控制節(jié)點，并由總控制節(jié)點打包為MQTT協(xié)議包上傳至云端服務器，移動終端或PC終端通過訪問云端服務器IP地址進行實時數(shù)據(jù)獲取。

2021年7月18日5：00—7：00進行數(shù)據(jù)采集測試，大棚溫度22.4℃，濕度是55.3%，CO2濃度為63%，對倉庫內溫度、濕度、CO2濃度進行測試。圖13為棉花倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)采集情況表，從圖中可以看出倉庫內溫濕度變化較為平穩(wěn)，整體符合環(huán)境變化趨勢，CO2氣體傳感器對環(huán)境變化較為敏感，CO2濃度變化存在波動但仍圍繞63%數(shù)值上下波動，符合環(huán)境變化趨勢。

圖13 棉花倉庫環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結論

1）棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設計了棉花倉庫信息采集節(jié)點，通過系統(tǒng)測試與試驗，實現(xiàn)了倉庫內空氣溫濕度、CO2濃度，火災情況和棉花堆垛內部溫濕度的數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能，并完成各個分節(jié)點與總結點的互聯(lián)互通。

2）棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設計了完善的棉花倉庫云端信息展示系統(tǒng)，將傳統(tǒng)倉庫自動化設備與互聯(lián)網相結合，實現(xiàn)對棉花倉庫的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測以及遠程操控。

3）棉花倉庫監(jiān)控系統(tǒng)通過對棉花倉庫智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計為棉花安全存儲提供技術參考，同時棉花倉儲環(huán)境信息為相關專業(yè)機構進行相關科學研究提供一定的數(shù)據(jù)支撐。