基于物聯網的溫濕度實時監測系統在煙葉烘烤中的應用

張保全 張波 張瑞亞 馬留軍 鄭登峰 曹廷茂 劉瓊 吳飛躍

摘 要：為進一步優化傳統密集烘烤技術，增加烘烤安全性、穩定性、方便性，筆者引入基于物聯網設計的一種溫濕度實時監測系統，采用串聯方式將其安裝于烤房中，實時監測烘烤過程中的溫濕度并將數據傳送至后臺，用戶可根據其與設定值的對比對烘烤過程進行精準調控。試驗通過對安裝物聯網溫濕度實時監測系統的密集烤房與傳統密集烤房烘烤過程中溫濕度的變化和烤后煙葉外觀質量進行對比分析，結果表明，安裝物聯網溫濕度實時監測系統的烤房干濕球溫度變化的穩定性及烤后煙葉外觀質量均優于傳統烤房，說明該系統對提高烘烤的穩定性和安全性以及改善煙葉質量具有促進作用。

關鍵詞：烤房；溫度；濕度；物聯網；煙葉質量

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.10.015

Abstract： To further optimize the traditional bulk curing technology and increase the safety， stability and convenience of baking， a real-time temperature and humidity monitoring system based on the internet of things were introduced， and installed in a roasting room by series method. The system could monitor the temperature and humidity in the tobacco leaf baking process in real time and send the data to the background， which users could accurately control the baking process according to the comparison with the set values. The contrastive experiment was conducted to compare the internet of things barn and traditional bulk curing barn， and the contrastive indices included the changes of temperature and humidity during the curing process and appearance quality of tobacco leaves after roasting. The results showed that the stability of drying and wetting bulb temperature， and also the appearance quality of flue-cured tobacco leaves in the curing barn with real-time temperature and humidity monitoring system was better than the traditional curing barn， indicating that the system could enhance the stability and safety of baking， and improve the quality of tobacco leaves.

Key words： flue-curing barn； temperature； humility； internet of things； tobacco quality

煙葉是一種經濟作物，其質量優劣決定著煙農收益，而烘烤環境的動態變化與煙葉生理生化變化關系密切，通過影響酶活性改變煙葉的品質和質量[1-3]。傳統烘烤是通過人工不定時對控制器進行調節，以達到控制密集烤房溫濕度變化的目的，其難以實現對溫濕度的及時準確控制[4]。隨著通信技術的發展，目前無線通信技術在農業生產上運用的已經較多[5-11]，在煙葉生產上也有一定的應用。謝守勇等[12]通過GPRS網絡，利用點對點等方式對烤房溫濕度數據實現遠程傳送，為智能化烘烤提供了基礎；劉志壯等[13]利用RS485總線網絡設計，以上位機和下位機對烘烤過程中的溫濕度進行遠程監控及調控，解決了不同地域和時間的煙葉烘烤的需要；王桂梅等[14]通過對密集烤房的控制儀進行改造，控制助燃風機和循環風機等，達到對溫濕度的調控，提高了煙葉烘烤質量；劉軍等[15]通過在原有烤房的基礎上進行改造，增加了智能溫度控制系統，能在根據原有工藝實時調整，實現對烘烤工藝的精準控制。這些烘烤應用的無線技術均能達到智能控制的目的，但存在安裝復雜、造價維護較貴等問題，在實際生產中不能很好地推廣。

本研究以上述技術為基礎構建了以單片機、電源模塊和GPRS遠程通信模塊組成的設備，在無需改造烤房的情況下，采用串聯式安裝方式，實現了“物聯網”和“大數據”的管理模式，使“云計算”和煙葉烘烤完美結合，提高了對烘烤溫濕度控制的精度和烘烤質量，降低了勞動強度。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試煙葉品種為K326。試驗田土壤肥力中等，田間管理按優質煙葉栽培生產技術進行，選取正常落黃、成熟度一致中部葉（10～12葉位）為試驗材料?？痉繛闅饬魃仙娇痉?，烤房規格為8.0 m×2.7 m，裝煙3層。

1.2 物聯網設備介紹

1.2.1 設備內部構造及安裝 本系統由單片機STM800L、電源模塊和GPRS遠程通信模塊3個部分組成（設備引自西南大學）。其中，單片機和烤房控制儀同步采集干濕球溫度計的溫濕度數據，再通過GPRS模塊將數據遠程發送回信息平臺，供用戶實時查詢烘烤的干濕球溫度變化，及時調整烘烤工藝；電源模塊和密集烤房控制器的電源接在一起，為單片機和GPRS模塊運行供電（圖1）。

本系統的數據采集器采用串聯式安裝方式（圖2），兼容國內大多數廠家的控制儀，無需更換控制儀或改造烤房，即插即用，安裝簡單、兼容性強、無人值守、信號強大、傳輸穩定、安裝和維護都很簡單。

1.2.2 物聯網設備的系統結構 煙葉烘烤物聯網管理系統將每座烤房的溫濕度數據通過GPRS網絡遠程傳輸回服務器，用“物聯網”和“大數據”的管理模式取代了傳統模式，實現了“云計算”和煙葉烘烤的完美結合。傳回的數據存儲在后臺服務器，用戶可用手機和電腦實時查詢，反饋到后臺實時數據低于或高于設定溫濕度值，后臺系統會通過短信的方式在5 min以內通知到用戶，系統結構如圖3所示。

1.3 試驗處理

試驗于2017年在云南省曲靖市羅平縣羊者窩烘烤工廠進行。試驗設2個處理：T1，傳統的密集烤房；T2，安裝物聯網的密集烤房。2種裝煙方式的烤房按標準方式進行裝煙，其裝煙量均為3 000 kg，每個處理的烤房分別裝煙3座作為3個重復，烘烤工藝均按照行業標準三段式烘烤工藝進行烘烤[16]。

1.4 測定項目及方法

烘烤過程中烤房內溫濕度的變化情況，物聯網烤房通過后臺數據進行監測和記錄，而傳統的密集烤房通過密集烤房控制器進行監測和記錄，每處理的三座烤房結果取平均值。根據國家烤煙分級標準GB 2635—1992，由專業分級技術資質人員對烤煙顏色、成熟度、葉片結構、身份、油分、色度等外觀品質因素進行打分，結果取平均值。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5軟件對數據進行統計和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同烤房烘烤溫濕度狀況

物聯網烤房遠程監測溫濕度是每隔5 min發送1次數據至后臺，后臺根據數據與設定值自動比較，與設定值差別較大時，通過手機短信的方式及時反饋到農戶手機以便及時調整工藝。為研究安裝物聯網密集烤房的溫濕度情況，對煙葉烘烤過程變黃期、定色期以及干筋期的溫濕度狀況進行分析（圖4～6）。結果表明，在變黃期，傳統密集烤房的干球溫度呈現忽高忽低的趨勢，變化不穩定，而采用“物聯網”的烤房，其干球溫度變化較為穩定，升溫穩溫準確而持續；2個處理的濕溫變化較為一致。在定色期，T1處理干溫呈現出極不穩定的趨勢，出現了降溫現象且降溫持續時間較長（85～90 h），而T2處理烤房變化較為穩定，也出現了降溫現象但持續時間較短（95～97 h）；2個處理的濕溫變化較為一致。在干筋期，與T2處理烤房相比，T1干溫出現了2次降溫現象且持續時間較長（139～143 h、151～157 h），2個處理濕溫的變化較為一致。綜合而言，T1處理的烤房在整體烘烤過程中，干溫變化較不穩定，在某時刻容易出現降溫且時間持續較長的問題，極易造成煙葉出現掛灰等雜色問題影響烘烤質量，安裝物聯網的烤房對溫濕度進行實時監測，有利于對溫度準確控制，確保烘烤的安全性。

2.2 不同烤房烘烤后煙葉外觀質量對比

由表1可知，不同處理的烤房烤后煙葉外觀質量存在差別。與T1處理烤房相比，T2處理烤房烤后煙葉的顏色以桔黃-檸檬黃為主，煙葉組織結構疏松，油分多且色度強；2個處理烤后煙葉的成熟度、身份無差異。T2處理烤房在烘烤過程中其干球溫度變化較為平穩，煙葉失水與變黃較為協調，煙葉的外觀質量較優，說明安裝物聯網的烤房對烤后煙葉外觀質量的形成具有一定的促進作用。

3 討論與結論

物聯網設備在原有烤房的基礎上，通過串聯的方式與烤房內的溫濕度傳感器連接，無需其他配套設備。在開始烘烤后通過GPRS模塊每隔5 min發送1次數據至后臺數據庫，并將數據存儲在數據庫，用戶可通過掃描二維碼或登錄http網址使用手機和電腦實時查詢，下載數據，反饋到后臺的數據再與密集烤房設定溫濕度值進行簡單對比，超過或低于設定值時，后臺系統會通過短信的方式在5 min以內通知到用戶，方便了烘烤操作人員對烘烤情況及時控制。物聯網在煙葉烘烤中的應用極大地方便了烘烤人員的管理，對提升烘烤操作具有一定的改善作用[17]。

本研究通過試驗對比分析，安裝物聯網的烤房在烘烤變黃期、定色期及干筋期干球溫度變化較為穩定，未出現大幅度、長時間降溫及升溫的現象，這與實時監測及時控制有關；在此監測下，烤后煙葉的外觀質量優于傳統的密集烤房，這與烘烤環境的穩定關系密切。綜合說明物聯網在煙葉烘烤中的應用提高了煙葉的烘烤質量，增加了烘烤的安全性。

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