基于EMQ的禽蛋監測系統

李紅巖，張嘉偉，任泓易，施元徽，王 浩，師 龍

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

禽蛋是人們日常生活中的必需品，極大的需求量使得越來越多的企業采用自動化生產方式進行禽蛋生產。企業的流水線生產缺乏對禽蛋數量的監測和管理，當企業禽蛋供應大于市場需求時，導致禽蛋大量堆積，且由于存儲時間有限，一旦禽蛋變質將無法出售，致使企業遭受巨大的經濟損失。

基于EMQ的禽蛋監測系統可以收集實時禽蛋產量數據和庫房禽蛋儲備數據，并將這些數據傳輸到云端，由云端處理后存儲在平臺上。企業用戶可通過電子設備查看每月、每季度、每年的生產數據和不同庫房的禽蛋存儲量，軟件也會提供基本的數據分析和統計結果，便于企業隨時掌握禽蛋儲存情況，最大限度避免損失[1-2]。

1 系統總體組成

本課題設計的基于EMQ的禽蛋監測系統主要由禽蛋計數系統與數據傳輸處理系統組成。禽蛋計數系統通過VL53L0X模塊實現禽蛋的計數功能，將采集的數據通過串口通信的方式發送給STM32F1主控制器進行計算，得到禽蛋數量。系統將主控制器處理后得到的結果通過串口通信模塊上傳到云端處理、儲存，通過上位機可隨時隨地查看上傳的數據[3-4]。禽蛋監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 禽蛋監測系統總體結構

2 系統硬件設計

2.1 禽蛋運輸裝置

2.1.1 裝置結構

運輸裝置由直流減速電機、轉軸、聯軸器、皮帶組成。運輸裝置通過直流減速電機帶動轉軸轉動從而帶動皮帶移動，實現禽蛋運輸[5]。禽蛋運輸裝置結構如圖2所示。

圖2 禽蛋運輸裝置結構

2.1.2 驅動方式

運輸履帶由直流減速電機JGY-370驅動，該電機扭矩大、功率高，通過該直流減速電機帶動轉軸轉動，能夠使傳送帶保持正常穩定的運行。并且該電機所需驅動電壓小，通過改變驅動電壓便可改變電機轉速，使用便利[6]。直流電機實物如圖3所示。

圖3 直流電機實物

2.2 禽蛋計數裝置

禽蛋計數裝置由多個VL53L0X激光測距模塊構成。VL53L0X激光測距模塊應用廣泛，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 系統軟件設計

3.1 禽蛋計數原理

VL53L0X激光測距模塊采用940 nm垂直腔面發射激光器發射激光，其精度達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，進而得到距離，借助I2C通信將數據傳輸到STM32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向傳送帶進行一次激光發送、接收流程，傳送帶的運動速度約為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，當有禽蛋通過時，測距模塊的測量值會發生變化。設備工作時，保證每個禽蛋至少有3組測量數據，通過對變化值的處理分析得出履帶上經過禽蛋的個數[7]。其檢測原理及計數算法流程如圖5、圖6所示。

圖5 禽蛋檢測原理

圖6 計數算法流程

3.2 數據傳輸原理

本系統針對數據采集、傳輸及控制部分進行改造，將監控系統與傳感器間的有線傳輸改造為ZigBee無線網絡傳輸。系統主控模塊采用STM32單片機，各節點按要求布置。采集的數據均傳送給單片機處理，由無線收發模塊通過MQTT通信協議形成無線傳輸網絡，將數據傳輸到EMQ云平臺，用戶通過上位機訪問EMQ平臺便可查看禽蛋的數量、質量等數據。當工作向前推進時，通過增加、減少節點，調整節點距離的方式滿足監測要求，從而克服有線監測系統在使用中的弊端，使監測系統在監測范圍、靈活性、可靠性等方面得到進一步改善。數據傳輸結構如圖7所示。

圖7 數據傳輸結構

3.3 禽蛋完整度檢測原理

采用OpenCV對傳送帶上的禽蛋進行檢測。OpenCV將采集的圖像交由樹莓派進行濾波、圖像輪廓識別等處理，再與數據庫中完好禽蛋的圖像進行像素對比，若差值在設定范圍內，則認為該禽蛋完好，否則即為破損蛋。STM32接收樹莓派發送的判斷結果，將判斷結果經收發模塊傳輸到EMQ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 系統總體測試

為驗證禽蛋計數的準確性及禽蛋監測系統的實用性，通過對大量禽蛋進行測量并建立數據庫對測量數據進行儲存分類。系統利用Simhash算法，在進行測量時把實際測量值與數據庫中的數值進行快速比較，從而提高禽蛋計數的準確率。

系統上電后，各部分正常工作，上位機數據顯示界面如圖9所示，系統運行效果測試如圖10所示。

圖9 上位機數據顯示界面

圖10 系統運行效果測試

5 結 語

本文設計的基于EMQ的禽蛋監測系統通過搭建模擬工廠生產線的禽蛋運輸裝置，利用傳感器對禽蛋數目、禽蛋完好度等數據進行采集，利用無線網絡將數據傳輸到搭建的EMQ云平臺，實現對禽蛋信息的監測。考慮到禽蛋計數的精確度問題，該方案使用多個測量模塊，大大提高了禽蛋計數的精確度。同時利用節點式數據采集、傳輸方式，可實現對多個地方數據的采集、匯總。該系統裝置結構簡單、計數方案可行，可用于大規模、大數量的禽蛋監測[10]。