基于Three.js 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的糧庫3D 可視化智能系統(tǒng)

黃 澈，張 萌，王 杰，徐 祥，周鹿揚(yáng)

（安徽省農(nóng)村綜合經(jīng)濟(jì)信息中心，安徽 合肥 230001）

0 引 言

糧食生產(chǎn)與國計(jì)民生息息相關(guān)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有極其重要的地位[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國糧食總產(chǎn)量為68 285.1 萬噸，2015 年以來，連續(xù)七年保持在65 000 萬噸以上。與此同時(shí)，中國糧食存儲(chǔ)能力也逐步提升，2021 年全國標(biāo)準(zhǔn)糧食倉房容量達(dá)68 000 萬噸。目前，部分地區(qū)糧食儲(chǔ)存仍存在以下問題：

（1）技術(shù)手段落后，方法傳統(tǒng)，糧情控制不夠智能化[2]；

（2）由于氣候因素的不確定性、多變性，和人為不可抗因素，使溫度、濕度、糧食含水量、氣體等要素在糧庫儲(chǔ)藏糧食過程中獲取不及時(shí)，造成糧食出現(xiàn)發(fā)熱、霉變、蟲害現(xiàn)象[3]，甚至糧堆過熱導(dǎo)致火災(zāi)等安全事故；

（3）在干旱、洪澇等特殊情況下，無法精準(zhǔn)互聯(lián)互通儲(chǔ)糧信息[4]；

（4）糧情可視化程度低，無法直觀觀察糧情[5]。

因此，需不斷加強(qiáng)糧庫安全存儲(chǔ)能力，尤其是糧食存儲(chǔ)信息化、智能化方面。

隨著傳感器和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)達(dá)國家糧庫監(jiān)控系統(tǒng)在不斷發(fā)展成熟。從早期以單片機(jī)和熱敏電阻為主的測(cè)溫系統(tǒng)，到現(xiàn)在以ARM 嵌入式處理器為核心，集合網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器、圖像處理、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)、糧情分析、通風(fēng)控制、智能出入庫、自動(dòng)報(bào)警、水分檢測(cè)、異常氣體檢測(cè)等功能，達(dá)到全面監(jiān)控和應(yīng)急處理突發(fā)災(zāi)害的目的，使其保存在綠色健康的儲(chǔ)存環(huán)境中，保證了糧食品質(zhì)，延長了儲(chǔ)存周期[6]。

目前，國內(nèi)糧庫正在使用的糧情檢測(cè)方式有多種，常見以RS 485 有線網(wǎng)絡(luò)通信方式和RS 485 轉(zhuǎn)無線通信模塊為主[7]，但上述方式都存在控制節(jié)點(diǎn)少、信號(hào)傳輸難、功能單一、設(shè)備落后、可擴(kuò)展性差、人工成本高、無庫存管理功能、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不能進(jìn)行智能化控制等問題，缺少科學(xué)的綜合分析、信息化管理和智能化控制。

針對(duì)目前中國糧食存儲(chǔ)過程中出現(xiàn)的一系列問題，同時(shí)隨著3D 虛擬技術(shù)的發(fā)展，提出了一種基于Three.js 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的模擬糧庫實(shí)景3D 可視化智能檢測(cè)和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備如下功能：

（1）檢測(cè)糧倉內(nèi)部相關(guān)要素；

（2）展示倉外天氣預(yù)報(bào)、倉內(nèi)氣象要素以及糧情、庫存等；

（3）可智能控制糧庫降溫通風(fēng)等設(shè)備。

該系統(tǒng)的建立，以期為糧食安全儲(chǔ)藏帶來幫助。

1 系統(tǒng)方案分析

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

考慮到糧庫糧倉類型、占地空間、儲(chǔ)糧情況、地理位置、當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩?，設(shè)計(jì)了一套基于Three.js 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的糧庫3D 可視化智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)和3D 可視化平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)研究要素進(jìn)行檢測(cè)和采集，將要素?cái)?shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，同時(shí)對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)閾值打開或關(guān)閉對(duì)應(yīng)糧倉的通風(fēng)、降溫或其他相關(guān)設(shè)備。根據(jù)環(huán)境因素，物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)及網(wǎng)關(guān)之間采用無線方式通信。3D 可視化平臺(tái)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在基于Three.js 等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)真實(shí)糧庫場景設(shè)計(jì)了一種具有三維效果的虛擬糧庫，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D 可視化展示，解決糧食儲(chǔ)存問題。系統(tǒng)分層模型如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)分層模型

1.2 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架

糧庫3D 可視化智能檢測(cè)控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包含基礎(chǔ)設(shè)施層、開發(fā)基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)支持層、技術(shù)支持層、應(yīng)用服務(wù)層[8]。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集、分析、傳輸、存儲(chǔ)入庫，到可視化展示全流程一體化?；A(chǔ)設(shè)施層包含數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)設(shè)備、控制設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取系統(tǒng)需求的要素?cái)?shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，開發(fā)基礎(chǔ)層完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)展示等操作。數(shù)據(jù)支撐層提供了糧庫儲(chǔ)糧數(shù)量和種類、實(shí)時(shí)天氣、報(bào)警數(shù)據(jù)、倉內(nèi)氣象要素?cái)?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫。技術(shù)支持層為從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)展示開發(fā)提供了技術(shù)保障。應(yīng)用服務(wù)層是在完成前幾層的基礎(chǔ)上，為用戶提供系統(tǒng)的模塊化服務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 平臺(tái)開發(fā)語言及工具

物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)軟件程序使用Keil5 開發(fā)工具，軟件程序開發(fā)采用C 語言；硬件系統(tǒng)的電路原理圖通過Altium Designer 繪制；3D 可視化平臺(tái)后端通過搭建Java開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；頁面展示區(qū)采用Visual Studio Code 開發(fā)環(huán)境；數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫管理和操作數(shù)據(jù)；虛擬糧庫3D 模型采用3Dmax 軟件建模。

1.4 平臺(tái)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 無線通信和網(wǎng)關(guān)技術(shù)

依據(jù)糧庫場地環(huán)境等現(xiàn)有實(shí)況，考慮到有線信號(hào)傳輸方式存在智能化程度不高、難以實(shí)現(xiàn)智能化管理等缺點(diǎn)，同時(shí)，相對(duì)于藍(lán)牙和ZigBee 等其他無線傳輸技術(shù)，LoRa 模塊具有傳輸距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大、安全穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，且具有線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，因此其靈敏度比傳統(tǒng)FSK 調(diào)制方式高，能夠并行接收多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的容量，因此選擇LoRa 通信[9]。將無線傳輸模塊嵌入在傳感器采集模塊和網(wǎng)關(guān)模塊[10]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。本系統(tǒng)采用包含SX1278 芯片的E32-433T30D 射頻模塊，由于數(shù)據(jù)傳輸頻次少，網(wǎng)關(guān)使用星型輪詢通信方式。根據(jù)TCP/IP 通信協(xié)議將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)打包成待發(fā)的數(shù)據(jù)幀，再將數(shù)據(jù)幀維護(hù)成先進(jìn)先出的隊(duì)列緩存，之后通過串口發(fā)送至無線傳輸模塊，最后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸至服務(wù)器[11]。

1.4.2 Three.js 技術(shù)

考慮到平面化平臺(tái)的缺點(diǎn)，3D 糧庫可視化平臺(tái)以3D技術(shù)為主，平面技術(shù)為輔，實(shí)現(xiàn)虛擬可交互的3D 可視化糧庫。本系統(tǒng)引入了Three.js 引擎[12]，該引擎可提供豐富的JavaScript API，構(gòu)建高效率、輕量級(jí)、開源的WebGL 開發(fā)環(huán)境。該引擎開發(fā)過程為：創(chuàng)建三維場景，設(shè)置攝像機(jī)，設(shè)置光源，設(shè)置渲染，加載gltf 文件，設(shè)置模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，將頁面渲染到canvas 畫布中[13]，得到3D 視圖效果。本系統(tǒng)為了在可視化頁面中展示糧庫3D 模型對(duì)象，借助實(shí)際糧庫的園區(qū)大小、糧倉數(shù)量和相關(guān)設(shè)備，依據(jù)交互事件，通過3Dmax 軟件逐級(jí)繪制糧庫3D 模型，并引入項(xiàng)目。然后在基于Vue 框架中引入Three.js 引擎以及相關(guān)配置，運(yùn)用該技術(shù)加載3Dmax 創(chuàng)建好的gltf 格式糧庫模型。最后發(fā)送請(qǐng)求給后臺(tái)服務(wù)器，獲取每個(gè)糧庫的數(shù)據(jù)，通過遞歸遍歷模型中的每一個(gè)對(duì)象，給每個(gè)對(duì)象添加事件，實(shí)現(xiàn)交互。3D 頁面整體采用模塊化開發(fā)模式。利用Three.js 引擎構(gòu)造出糧庫糧情數(shù)字化、實(shí)時(shí)性、智能化、多元化、可交互的3D 可視化平臺(tái)。

1.4.3 Vue.js+SpringBoot 框架

3D 糧庫可視化平臺(tái)以B/S 為基礎(chǔ)，前端采用Vue.js 框架+Three.js 引擎+EChars 插件，通過Ajax 向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，獲取數(shù)據(jù)。后端采用SpringBoot 框架，通過Control 層實(shí)現(xiàn)與界面的交互和請(qǐng)求，Service 層進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，Dao 層對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作訪問。平臺(tái)采用Reads+MySQL 技術(shù)和小型輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升程序運(yùn)行和前后端數(shù)據(jù)交互的效率[14]。本系統(tǒng)使用Vue.js 和SpringBoot 框架，極大程度簡化了系統(tǒng)的開發(fā)和后期的維護(hù)。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)智能檢測(cè)和控制子系統(tǒng)包含硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩部分，系統(tǒng)硬件部分包含STM32 及其最小系統(tǒng)模塊（電源電路、晶振電路、RC 復(fù)位電路、時(shí)鐘電路）、JTAG 接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 糧庫數(shù)據(jù)采集

傳感器的布置根據(jù)國家糧情測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和糧倉設(shè)計(jì)規(guī)范要求，規(guī)定了傳感器安裝布置方法。倉內(nèi)傳感器的布置為：水平方向距離不大于5 m，垂直方向距離小于等于3 m，距倉底以及倉壁的距離分別小于等于0.3 m、0.5 m。

STM32 是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的高度集成的微處理器，在本系統(tǒng)中，選用STM32F103VBT6 芯片作為控制MCU。采用AM2301 溫濕度檢測(cè)復(fù)合傳感器、MH-Z19B二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器、MQ-2 煙霧火焰檢測(cè)傳感器、HSTL-102STR 水分測(cè)量傳感器，采集糧倉內(nèi)的溫度、濕度、CO2、煙霧以及糧堆里的糧食含水量等數(shù)據(jù)。

AM2301 濕敏電容數(shù)字溫濕度傳感器是一款復(fù)合型多用傳感器，其內(nèi)部包含了已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度和濕度復(fù)合模塊。其電容式感濕元件和NTC 測(cè)溫元件分別連接到單片機(jī)。單片機(jī)接收40 bit 數(shù)據(jù)，包含16 bit 濕度數(shù)據(jù)、16 bit溫度數(shù)據(jù)以及8 bit 校驗(yàn)和數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度為負(fù)值時(shí)，溫度高8 位數(shù)據(jù)的最高位為1。推導(dǎo)公式：

得到溫度T=-23.1 ℃。16位濕度數(shù)據(jù)(0000000110010110)B，得到公式：

得到的濕度值為40.6%RH。校驗(yàn)和用于檢驗(yàn)傳送溫濕度數(shù)據(jù)是否正確。

HSTL-102STR 水分測(cè)量傳感器與STM32 單片機(jī)通過RS 485連接，采用Modbus通信協(xié)議。兩極之間糧食水分不同，引起兩極之間介電常數(shù)產(chǎn)生變化，進(jìn)而電容值改變。MHZ19B 紅外傳感器通過串口與單片機(jī)連接，采用非色散紅外原理檢測(cè)空氣中的CO2濃度。

當(dāng)空氣中出現(xiàn)煙霧氣體時(shí)，MQ-2 煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的煙霧濃度改變，煙霧濃度的增加導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。阻值R與煙霧氣體濃度C的關(guān)系式為：

式中：C越大，R越小，其特性類似可變電阻[15]；常數(shù)n與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，常數(shù)m隨氣體濃度而變。

2.1.2 設(shè)備控制模塊

設(shè)備控制模塊用來調(diào)節(jié)倉內(nèi)的氣象要素，使其處于適宜范圍。糧食在儲(chǔ)存過程中易受降水、濕度、高溫、寒潮等因素影響，通常會(huì)通過環(huán)流熏蒸、谷物冷卻、機(jī)械通風(fēng)調(diào)節(jié)等操作，使倉內(nèi)全年濕度保持在75%RH（平均）以內(nèi)，年平均溫度保持在15 ～20 ℃，CO2濃度在20%左右。結(jié)合糧食儲(chǔ)存特性，要做到低溫儲(chǔ)糧，須在冬季抓住氣溫最低的季節(jié)，將平均糧溫降至5 ℃以下，為全年安全儲(chǔ)糧定下基調(diào)。春秋季節(jié)將糧溫控制在20 ℃以下，夏季溫度最高，要將糧食溫度控制在20 ～25 ℃。系統(tǒng)在不同的季節(jié)設(shè)置不同的閾值，根據(jù)季節(jié)將糧溫控制在安全溫度區(qū)間?？刂颇K流程如圖4所示。

圖4 控制模塊流程

2.1.3 軟件程序結(jié)構(gòu)

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，將軟件下載到單片機(jī)內(nèi)部，程序包含主程序和執(zhí)行程序。本系統(tǒng)主程序調(diào)用了4 個(gè)執(zhí)行子程序，分別是傳感器檢測(cè)程序、設(shè)備執(zhí)行程序、串行口通信程序和系統(tǒng)報(bào)警程序。

傳感器檢測(cè)程序：讀取各傳感器數(shù)據(jù)并處理，由于糧溫變化緩慢，系統(tǒng)設(shè)置每天對(duì)檢測(cè)要素檢測(cè)一次并上傳。

設(shè)備執(zhí)行程序：單片機(jī)接收命令，設(shè)備打開或關(guān)閉。

串行口通信程序：與服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，完成與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)報(bào)警程序：對(duì)糧倉內(nèi)的異常進(jìn)行報(bào)警。

2.2 3D 可視化平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 3D 可視化平臺(tái)結(jié)構(gòu)

糧庫3D 可視化平臺(tái)主要包含3D 可視化模塊和平面模塊。3D 可視化模塊包含糧庫3D 虛擬糧庫模塊和煙霧報(bào)警模塊。平面模塊包含實(shí)時(shí)天氣子模塊、糧庫內(nèi)氣候要素子模塊、糧庫儲(chǔ)糧數(shù)量子模塊、糧庫傳感器數(shù)據(jù)子模塊。

2.2.2 3D 可視化糧庫平臺(tái)功能

3D 可視化模塊以虛擬方式直觀顯示各糧倉（平房倉、淺圓倉、立筒倉）的數(shù)量，可交互顯示各糧倉的糧情，包含氣象要素、糧倉編號(hào)、糧倉儲(chǔ)糧數(shù)量、糧食品種以及糧倉自身面積、容積、寬高等重要信息，且具有增刪改查糧庫儲(chǔ)糧數(shù)量的功能。在出現(xiàn)煙霧或者發(fā)生火災(zāi)時(shí)，3D 可視化模塊能模擬火災(zāi)場景，且能定位發(fā)生火災(zāi)的糧倉，以便管理人員實(shí)時(shí)救災(zāi)。

實(shí)時(shí)天氣子模塊由七天預(yù)報(bào)和12 小時(shí)預(yù)報(bào)組成，展示了未來一周的天氣情況和未來12 小時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，顯示糧倉外的各項(xiàng)氣候要素值，包含溫度、濕度、風(fēng)速、壓強(qiáng)等，用戶可通過未來天氣狀況制定相關(guān)工作安排。數(shù)據(jù)來源于氣象部門提供的離糧庫最近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，參考性較大。

糧庫內(nèi)氣候要素子模塊由各糧庫溫度、濕度、CO2濃度、糧食含水量曲線圖（包含最高值、最低值和均值）組成；用戶可通過曲線圖查看當(dāng)前各糧庫的氣候要素極限情況。糧庫糧溫變化緩慢，數(shù)據(jù)每天更新一次。

糧庫儲(chǔ)糧數(shù)量子模塊由單個(gè)糧庫總體儲(chǔ)存數(shù)量柱狀圖、糧庫總體儲(chǔ)糧數(shù)量占比餅圖、單個(gè)糧庫儲(chǔ)糧種類及數(shù)量柱狀圖組成；糧食儲(chǔ)糧的數(shù)量以及種類是否清晰是實(shí)現(xiàn)糧庫信息化的基礎(chǔ)，糧庫儲(chǔ)量數(shù)量子模塊可有效解決糧食儲(chǔ)糧數(shù)量以及種類不清晰等問題。

糧庫傳感器數(shù)據(jù)子模塊將每個(gè)糧庫內(nèi)的傳感器數(shù)值直觀展現(xiàn)出來，由于糧庫內(nèi)不同層次的糧堆溫濕度不同，需要掌握糧堆的發(fā)熱點(diǎn)及潮濕點(diǎn)。本模塊根據(jù)溫度的高低，用不同的顏色和大小標(biāo)記來區(qū)分，比如溫濕度越高，標(biāo)點(diǎn)越大，顏色越深，通過輪播形式展示每一個(gè)糧庫以及每一層數(shù)據(jù)，用戶可直觀看到每個(gè)傳感器的溫度，快速找到發(fā)熱點(diǎn)。當(dāng)有傳感器發(fā)生故障時(shí)，也能根據(jù)設(shè)計(jì)的坐標(biāo)清晰排除傳感器的故障點(diǎn)。3D 可視化糧庫平臺(tái)界面如圖5、圖6、圖7 所示。

圖5 3D 可視化糧庫平臺(tái)（左）

圖6 3D 可視化糧庫平臺(tái)（中）

圖7 3D 可視化糧庫平臺(tái)（右）

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)在解決糧庫儲(chǔ)存糧食的問題方面，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無線傳輸數(shù)據(jù)方式解決了有線傳輸布線復(fù)雜的問題；

（2）氣象預(yù)報(bào)模塊可實(shí)時(shí)獲取氣象預(yù)報(bào)；

（3）傳感器數(shù)據(jù)直觀可視，可及時(shí)找到糧堆發(fā)熱點(diǎn)及傳感器故障坐標(biāo)；

（4）通過3D 虛擬糧庫能夠直觀、便捷獲取每個(gè)糧庫的糧情信息；

（5）擴(kuò)展性強(qiáng)，為后期開發(fā)預(yù)留了空間。

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)展示、用戶交互，形成了一體化閉環(huán)結(jié)構(gòu)，加快了糧食儲(chǔ)藏向信息化、智能化方向邁進(jìn)的步伐，具有較大推廣價(jià)值。

注：本文通訊作者為周鹿揚(yáng)。