基于OneNet云平臺的光催化果蔬保鮮監控系統設計

劉俊波，張雅蓉，李紹康，龔　濤，熊佳弘，李　普，季　邦,4*

基于OneNet云平臺的光催化果蔬保鮮監控系統設計

劉俊波1，張雅蓉1，李紹康2，龔濤1，熊佳弘1，李普3，季邦1,4*

(1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學信息與智能科學技術學院，湖南 長沙 410128；3.湖南機電職業技術學院，湖南 長沙 410151；4.湖南省智能農機裝備重點實驗室，湖南 長沙 410128)

由于果蔬具有季節性、地域性等特點，合理應用保鮮庫能夠有效減少果蔬貯藏過程中的損失。為降低果蔬保鮮庫運行成本，保持果蔬儲藏的最佳環境，結合光催化技術、遠程監測與控制技術、OneNet物聯網云平臺技術設計了一種光催化果蔬保鮮監控系統，重點完成了保鮮庫環境信息采集以及設備控制的軟硬件設計，并對果蔬保鮮庫的各項氣體參數變化進行遠程動態實時監控。采用OneNet云平臺的開源EDP協議進行溫濕度、乙烯濃度、二氧化碳濃度和氧氣濃度等數據的傳輸和控制命令的下達，應用上位機對光催化裝置進行遠程控制并對指定環境參數進行調節，達到對保鮮庫內關鍵環境因子實時遠程監控的目的，有利于延長果蔬保鮮期，實現保鮮效果的最優化。

光催化降解；OneNet云平臺；果蔬保鮮；遠程監控系統

我國是物流大國也是農副產品大國，隨著人們生活水平的提高，新鮮果蔬在物流領域所占比重的增加，對果品的新鮮度也提出了新的要求，果蔬貯藏和運輸環境的監測與控制對果蔬的品質和貨架期有著極為重要的影響[1-3]。在光化學氧化基礎上發展起來的光催化技術具有操作簡單、對污染物沒有選擇性、反應條件溫和、反應速率快等優點，在能源、環境治理、藥物化學等領域深受歡迎，成為近年來的研究熱點[4-6]。通過利用光催化降解污染物的特性，探索將光催化技術應用于呼吸躍變型果蔬保鮮，以凈化貯藏環境，延長果蔬貨架期。

農業物聯網是采用無線傳感技術和設計協議，將農業系統中的各種環境監控設備通過物聯網進行連接，從而實現對農業環境信息的監測、控制和管理。其優點在于可實現遠距離的監控，并具有實效性，能更好地為管理服務，提高管理水平和效率[7-9]。物聯網云平臺為網絡層和應用層提供了一套完整強大的云端服務，開發者可以依靠它迅速連接智能硬件及開發終端應用，當前國內比較熱門的物聯網設備云平臺有OneNET、機智云、Yeelink等。本系統選用的OneNET物聯網云平臺，具有多種開源通訊協議可供挑選，成熟穩定，數據信息傳遞更加準確及時，終端界面UI可定制開發，官方技術文檔詳盡齊全，對I0T開發者比較友好等優點。

目前，大多數果蔬保鮮庫各類氣體的測量通常采用人工定點巡檢和有線的系統環境監控，這兩種環境監測控制方法不但存在操作繁瑣、自動化智能化，效率低下等問題，而且使系統布線復雜繁瑣、不易拓展、維護管理成本高。為了實現復雜儲藏環境下的果蔬保鮮，并滿足智能化監測果蔬儲藏環境和自動化調節氣體指標的需求，結合光催化技術、遠程監測與控制技術、OneNet物聯網云平臺技術設計了一種光催化果蔬保鮮監控系統。

1　總體方案構思與設計

總體方案設計方案如圖1所示，采用Cortex-M3為處理器核心，基于第三方物聯網設備云平臺OneNET的開源EDP傳輸協議，通過應用物聯網的設計概念，采用分層架構(感知層、網絡層、應用層)的思想，建立一種集果蔬儲藏室環境數據采集、終端數據可視化、人機交互控制、高效氣體催化、智能果蔬保質保鮮多項功能為一體的果蔬保鮮遠程監控系統。

圖1　系統總體設計方案圖

2　系統的軟硬件設計

2.1　硬件設計

智能光催化果蔬保鮮遠程監控系統在硬件選擇時綜合考慮功耗、成本和實用性等實際因素，選用STM32F103C8T6為主控芯片的核心開發板，輔以各種環境氣體參數傳感器，結合無線WiFi模塊ESP8266，實現實時數據上傳與接收下達命令的智能硬件端系統設計。系統接入電源后，各個環境氣體參數傳感器開始工作，實時采集果蔬儲藏室內環境指標對應的數值，并通過無線WiFi模塊ESP8266聯網并傳送到設備云平臺OneNET。云平臺經過數據分析下達控制命令，單片機通過ESP8266接收命令并解析，控制光催化裝置的開啟和關閉，當儲藏室的某項參數超過警戒值時，會自動觸發裝置的開關，從而實現果蔬保鮮系統的自動化數據采集和智能化遠程監控。

2.2　軟件設計

2.2.1下位機軟件設計

下位機系統程序設計邏輯如圖2所示，軟件整合了多個傳感器的驅動程序和例程，最終組合進main主程序中。各類傳感器采集數據的通訊協議涵蓋了IIC、UART、ADC。在主程序中編寫了一個主循環，用于所有硬件引腳初始化和各個模塊初始化之后，每隔3秒循環讀取傳感器采集到的各項數據和繼電器開關的狀態，并通過EDP協議上傳到OneNET云平臺，同時接收云平臺是否下發控制命令，有則解析命令對光催化裝置進行指定控制。

圖2　下位機系統程序設計邏輯圖

2.2.2上位機軟件設計

上位機軟件設計如圖3所示，分為Web終端和手機APP終端，以滿足用戶不同使用場景(桌面辦公或移動辦公)的需求。為實現感知數據的一致性和實時性，上位機的設計依賴于強大的OneNET云平臺服務，直接對接平臺API接口。前端界面采用組件化思想，搭建出簡潔美觀、人性化的頁面布局，后臺上位服務端程序采用模塊化編程思想，拆分為數據監測和遠程控制兩大部分并拓展實用功能，實現需求定制化，開發出一套完整的數據可視化人機交互式上位機。

圖3　上位機軟件設計圖

3　感知層的設計

3.1　感知層設計方案概述

感知層是整個物聯網系統的數據來源基礎，它解決了數據的獲取問題。感知層包括各種傳感器設備和控制設備等智能硬件，通過在設備上運行的下位機程序，獲取感知數據，為進一步上傳和處理數據提供了可靠的硬件基礎和精確的數據支撐。感知層的設計主要通過對果蔬保鮮機理(物理因素、化學因素、生物學因素)的仔細探究，得出與果蔬保鮮儲藏息息相關的各項環境參數，并利用感知層傳感器設備對果蔬儲藏密閉環境進行實時監測。

3.2　環境參數感知系統

3.2.1溫濕度監測模塊

系統中的溫濕度監測模塊使用的SHT20傳感器屬于新一代Sensirion溫度和濕度傳感器，可將信號變換、濕度監測、溫度監測、模數轉化幾個功能集成到一個芯片上，同時采集溫度和濕度2個環境參數指標，與DHT11溫濕度模塊相比，雖然成本更高，但穩定性和精確性優越，相對濕度檢測量程為0至100%，溫度檢測量程為-40℃至+125℃。

3.2.2乙烯濃度監測模塊

系統中的乙烯濃度監測模塊使用MQ-2傳感器，該傳感器采用雙路信號輸出(0～5V模擬電壓信號輸出及TTL電平信號輸出)，能夠檢測大多數可燃性氣體，具有成本低、使用壽命長等優點。當乙烯(C2H4)濃度檢測模塊放置空間中含有可燃氣體如乙烯時，該模塊的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，模塊采集的模擬電壓信號通過STM32的模擬通道ADC轉化為數字電壓信號，然后通過標定的電壓范圍可得出匹配的乙烯濃度。

3.2.3氧氣濃度監測模塊

系統中的氧氣濃度監測模塊采用重慶潔豪電子商務有限公司生產的40XV CiTiceL型號氧氣傳感器，該裝置為電化學氣敏傳感器裝置，故使用壽命有限。氧氣探頭需要配合氧氣信號處理板才能正常采集氧氣濃度數據，信號處理板采集到的模擬電壓信號經過單片機12bit精度的ADC通道轉換為數字電壓信號。通常空氣中的實際氧氣濃度約為20.9%，通過氧氣濃度檢測模塊檢測到的實際氧氣濃度與輸出模擬電壓數值呈線性比例關系，因此通過線性關系方程可算出氧氣的實際濃度。

3.2.4二氧化碳濃度監測模塊

系統中的二氧化碳濃度監測模塊使用CCS811空氣質量傳感器，該模塊為一款超低功耗數字氣體傳感器，集成了MOX(金屬氧化物)氣體傳感器，可通過集成的微控制器單元檢測二氧化碳濃度和VOC(揮發性有機化合物)，用于室內空氣質量監測。 MCU由ADC(模數轉換器)和IIC接口組成，它基于ams獨特的微型熱板技術，為低功耗的氣體傳感器提供了高度可靠的解決方案。

4　網絡層設計方案概述

網絡層是架設于物聯網系統的中間橋梁，用于感知層和應用層的互聯互通，將感知層收集的數據經過網絡層的指定協議和網絡承載媒介(有線或無線)轉發到應用層，或將應用層下達的命令數據傳達到感知層，從而實現短距離或長距離的雙向數據通信。本系統網絡層的設計基于OneNET云平臺，采用官方開源EDP協議，使用ESP8266通過WiFi接入互聯網，連接云平臺服務器，將數據上傳到云平臺和接收控制命令。

OneNET云平臺支持的通信協議有EDP、MQTT、HTTP等。EDP (Enhanced Device Protocol，增強設備協議)是基于TCP/IP的長連接協議。在MQTT協議基礎上自主研發的開源通訊協議EDP，可以實現兩個設備的數據轉發，即點與點的通信。它采用數據加密傳輸，安全可靠，并支持多種數據點類型。開發時需到GitHub上下載EDP協議的開源SDK，整合進Keil5的Project工程中，根據EDP協議封裝數據包上傳數據，并解析響應數據包格式，提取控制命令類型。

系統通過ESP8266模塊(直接插入開發板的8孔引腳座即UART2)接入無線網絡，通過api-key和設備ID進行鑒權，然后與OneNET云平臺服務器建立通信，采用EDP協議進行數據的收發傳遞，采集監測數據和繼電器開關狀態統一通過UART2再經過ESP8266發送到云平臺，接收命令數據也是先經過UART2接收再觸發單片機相關操作。

5　應用層的設計與開發

5.1　應用層設計方案概述

應用層屬于上層終端應用的范疇，是處理、展示、分析來自感知層數據的平臺，是物聯網系統的最終環節，體現了感知數據的真正價值，分為硬件應用和軟件應用2部分。其中硬件應用部分為多路繼電器開關控制智能光催化裝置(上位機開關遠程控制和警戒值觸發自動控制)，軟件應用部分為Web終端遠程在線監控和手機APP終端移動在線監控。

5.2　智能光催化裝置

智能光催化裝置集降溫、干燥、加濕、光催化降解乙烯功能于一體，在整個系統中對果蔬保鮮效果起著決定性作用，實現對果蔬保鮮儲藏室的環境指標條件的高靈敏調節。在密閉的果蔬儲藏室空間內，智能光催化果蔬保鮮裝置配合環境監測下位機和遠程監控上位機工作，三者協同合作、優勢互補，結合多種技術實現對果蔬儲藏環境的綜合治理，發揮延長果蔬保鮮周期、抑制果蔬腐爛的最大功效。

5.3　遠程監控系統上位機設計

5.3.1Web終端整體功能設計

Web終端采用B/S(Brower/Server，瀏覽器/服務器)架構設計模式，其終端模塊功能設計如圖4所示，通過自主定制開發的界面和后臺服務端程序，對接第三方云平臺OneNET的數據接口API，構建一個集數據監測、遠程控制、歷史數據查詢等功能于一體的Web上位機。

圖4　Web終端模塊功能設計圖

5.3.2Web終端前端界面設計

Web終端前端UI頁面主要使用HTML+CSS調樣式和布局，同時使用JavaScript語言進行腳本編寫。采用當下比較主流的前端開源組件框架LayUI，搭建智能光催化果蔬保鮮遠程監控系統Web頁面布局，然后使用HTML+CSS調節具體網頁視圖，編寫JavaScript用于提交表單、各個處理函數、監聽事件等腳本。系統的Web上位機由用戶登錄頁面、系統首頁、果蔬儲藏環境監測、催化裝置遠程控制、歷史監測數據查詢、管理員信息共6個頁面組成。

登錄界面是管理員跳轉果蔬保鮮監測和遠程控制管理主頁的必經頁面，管理員通過驗證姓名和密碼進入主頁面。管理員個人信息存入后臺程序的user.properties鍵值對屬性文件中，密碼經過MD5不可逆算法加密，就算知道密文密碼，也無法逆向解密得到明文密碼。

果蔬儲藏環境監測頁面如圖5所示，主要是由多個儀表盤和折線圖表組件構成，每個環境參數組件需要綁定對應的數據流，實時顯示各個傳感器采集的數據，實現數據的可視化和動態化監控。簡潔直觀、人性化的界面可以讓管理員及時掌控當前密閉果蔬儲藏室的各項環境參數，以便對果蔬保鮮參數及時做出調節。若設備實時在線狀態顯示為OFF關閉狀態，則儀表盤的指針和動態圖表的折線會停留在設備離線前最后一次上傳采集數據時的狀態。

圖5　果蔬儲藏環境監測界面

催化裝置遠程控制頁面如圖6所示，主要由四個智能光催化裝置遠程控制開關(降溫、干燥、加濕、光催化乙烯)和各個開關對應的功能說明文字組成，4個開關組件也需要和環境參數組件一樣綁定對應的數據流，才可以上傳繼電器開關的實時狀態，對頁面顯示的開關狀態進行校驗。該頁面會實時顯示開關當前的狀態，只要設備在線，即可點擊開關按鈕下達命令對多路繼電器開關進行手動遠程控制，從而控制智能光催化裝置的指定開關；若為警戒值觸發自動控制，則開關狀態會自行切換。

圖6　催化裝置遠程控制界面

歷史監測數據查詢頁面包含了多個傳感器數據點的集合，不僅可以在線查看數據表格，點擊左上方的導出為Excel文檔按鈕，還可以導出Excel表格文檔離線下載查看，以便對果蔬儲藏環境數據進行分析。

6　結論

針對當前果蔬儲藏室保鮮人工監控調節方式存在的繁瑣復雜、自動化智能化不足、無法實時遠程觀測和操控、工作效率低下等問題，基于物聯網系統的設計理念，結合光催化技術、遠程監測與控制技術、并融合OneNet第三方物聯網云平臺的果蔬保鮮遠程監控上位機與下位機系統設計了一款智能光催化果蔬保鮮遠程監控系統。該系統在感知層搭建環境數據采集監測系統，在網絡層應用OneNET設備云平臺及EDP協議傳輸，在應用層構建Web終端/手機APP終端雙重監控的信息查詢監控平臺，通過果蔬儲藏環境參數的自動化遠程監測和智能化控制光催化裝置的保鮮調節，實現了果蔬的長時間保質保鮮儲藏，有利于保證果蔬在長時間物流運輸中和銷售存儲時的品質，對果蔬行業的發展有著重要意義。

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Photocatalytic fruit and vegetable preservation monitoring system based on OneNet cloud platform

LIU Junbo1, ZHANG Yarong1, LI Shaokang2, GONG Tao1, XIONG Jiahong1, LI Pu3, JI Bang1,4*

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China; 2. College of Information and Intelligence, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China; 3. Hunan Mechanical Electrical Polytechnic, Changsha,Hunan 410151, China; 4. Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery Equipment, Changsha ,Hunan 410128, China)

Because fruits and vegetables have seasonal and regional characteristics, the preservation warehouse can effectively reduce the loss in the process of fruit and vegetable storage.The purpose of this paper is to reduce the operating costs of fruit and vegetable preservation warehouses and maintain the optimal environment for fruit and vegetable storage. A photocatalytic fruit and vegetable preservation monitoring system was designed by combining photocatalytic technology, remote monitoring and control technology, and OneNet Internet of Things cloud platform technology. Focus on the completion of the preservation of environmental information collection and equipment control of the software and hardware design, and the fruit and vegetable preservation warehouse gas parameters changes for remote dynamic real-time monitoring, the use of OneNet cloud platform of the open source EDP protocol for temperature and humidity, ethylene concentration, carbon dioxide concentration and oxygen concentration and other data transmission and control commands issued, the host computer of the photocatalytic device remote control and then the specified environmental parameters to adjust, to achieve the purpose of real-time remote monitoring of key environmental factors in the preservation library, Thus extending the freshness period of fruits and vegetables and optimizing the preservation effect. The study provides a certain reference for the design of the monitoring system of fruit and vegetable preservation warehouse.

photocatalytic degradation; OneNet cloud platform; fruit and vegetable preservation; remote monitoring system

S23

A

2096–8736(2022)03–0027–07

湖南省大學生創新訓練計劃項目(S202110537051)； 湖南省農機裝備創新研發項目(湘財農指2021—47號)； 湖南省重點實驗室開放基金項目。

劉俊波(2002—)，男，湖南岳陽人，大學本科，主要研究方向為農業機械設計。

通信作者：季邦(1990—)，男，湖南岳陽人，博士，講師，主要從事果蔬采后保鮮設備研究。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立