基于CPS的茶葉加工系統設計

劉福強 雷峻皓 張姣

1、銅仁職業技術學院 2、湖南城市學院 3、銅仁廣播電視大學

前言

隨著精準扶貧政策的成功實施，我國全面建成了小康社會。接下來要解決的是城鄉居民特別是農村居民的相對貧困問題。推進農業現代化、實現鄉村振興是解決農村相對貧困的必然選擇，而產業振興是鄉村振興的核心動力。在農業經濟中一直都占據著重要地位的茶產業的振興，對于實現農村產業振興，助推鄉村振興具有積極意義。

根據國家統計局發布的數據，2017~2020年間，我國已成為全球最大的種茶國和產茶國。但同時，占農作物種植面積1.83%的茶葉市場成交額僅占農產品市場成交額的1.51%，每公斤茶葉的平均出口單價僅5.19美元（約合人民幣34.50元），整體平均市場交易單價更低至10.68元，明顯偏低。且不同種類、不同品牌的茶葉價格從幾美元到上百萬美元/每公斤不等，差距巨大。

造成這種茶葉交易單價偏低、不同種類品牌的茶葉價格差距巨大的原因是多方面的，如茶葉產品質量普遍不高且參差不齊、茶葉產業集群化程度不高[1]、茶葉生產企業規模普遍不大、茶葉生產成本過高等。其中茶葉產品質量普遍不高且參差不齊是一個重要原因。而影響茶葉產品質量的眾多因素中，茶葉生產設備落后是一個重要原因。

近年來，各茶葉生產企業越來越重視提高茶葉生產加工過程的科技含量，不斷加大投入，對茶葉加工工藝和設備進行研究，學界也對此進行了大量的研究，并取得了不少的成果。比如湖北天池機械股份公司2017年研發了一種新型電磁殺青機[2],鐘應富等設計了一種6CRK-40X型行車式茶葉自動揉捻機組[3]，鄭鵬程等研制了一款新型鮮葉攤青機[4]，福建省農業機械化研究所研制出SPY-100型旋拋式搖青機[5],李劍勇等設計了一種新型傳動結構以解決傳統理條機傳動柄造成底座來回搖晃的問題[6]，王小勇等對理條機連桿式傳動結構進行了參數優化，提高了傳動性能和理條效果，降低了茶葉理條過程中的振動和噪音[7]，吳結明設計了一種理條機的鍋槽結構[8]，傅杰等設計了一種基于模糊算法、模糊PID控制技術及單片機的茶葉理條機雙模糊控制系統[9]，付磊提出一種基于BP神經網絡的PID溫度控制系統[10]，張士康提出了“智慧樹”概念[11]。

調研表明，企業和學界對茶葉加工機械（茶機）和工藝工程進行的研究更多側重于單一的工序工藝、設備，對于茶葉加工流程的研究相對較少，而對于茶葉加工全過程的系統研究和設計較為缺乏。

鑒于此，筆者采用基于CPS的系統架構，嘗試設計一種用于茶葉加工全過程控制的智能加工系統。

1 CPS概述

CPS（Cyber-Physical System，信息物理系統）的概念最早由美國科學基金會于2006年提出[12]。一般認為，CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統。它通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。其本質是由信息空間和物理空間的狀態感知、實時分析、科學決策和精準執行的數據自動流動閉環系統[13]。其組成可用下圖所示模型表示：

圖1 CPS的基本組成模型

2 基于CPS的茶葉加工系統設計

2.1 茶葉加工工藝流程

不同種類茶產品的加工工藝各有不同。本文以產量最大的茶產品綠茶的加工工藝為研究和分析對象。其基本工藝流程如下：

原材料入庫→萎凋→殺青→揉捻→干燥→篩選→茶產品檢測入庫

基于CPS的茶葉加工系統需要實現功能包括：對茶青原料、茶葉產品的信息管理，對萎凋和殺青過程的溫度、濕度、悶拋強度、冷卻方式與時間的信息管理，揉捻過程的揉捻方式和強度的信息管理，對干燥過程的翻炒頻率、溫度、時間等參數的實時監控與調整，對茶葉生產各種歷史數據的綜合分析和管理等。

2.2 基于CPS的茶葉加工系統設計

基于CPS的茶葉加工系統設計的基本思路是通過搭建無線傳感網絡，將各工藝環節予以聯通，使用無線感知模塊實時采集茶葉加工過程的工藝參數，由生產管理中心對工藝參數進行監控、分析、異常反饋與控制。

基于CPS的茶葉加工系統的架構圖如圖2所示。

圖2 基于CPS的茶葉加工系統架構圖

2.2.1 系統物理執行層設計

基于CPS的茶葉加工系統物理執行層需要執行各工藝子系統數據的實時采集任務和響應決策層給出的各種控制指令。本設計采用無線傳感網絡模型構建數據感知采集單元。

無線傳感網絡（WSN）是由眾多的節點組成的網絡模型，包括數據感知、數據收發匯聚、主干網絡管理等節點[14]。其模型如下：

圖3 無線傳感網絡模型

數據的感知模塊主要采用以下4類技術：數量感知采用RFID技術，溫濕度感知采用電子溫濕度傳感器，含水量、加水量的數量感知采用基于以太網的PLC數據采集技術，智能設備關鍵參數的在線采集技術。

指令執行模塊的構建是基于原有執行設備，并應用PLC、變頻器、觸摸屏等技術，對其進行自動化、智能化改造。

2.2.2 系統網絡傳輸層的設計

網絡傳輸層負責完成數據的在線傳輸，一般包括存儲媒介傳輸、總線傳輸和網絡傳輸等方式。根據各種在線傳輸的特點和茶葉加工現場環境較為復雜、網絡需要覆蓋的面積較大、數據的采集需求差異性較大的特點本系統中采用異構網絡實現數據的在線傳輸。

2.2.3 系統應用服務層設計

基于CPS的茶葉加工系統的應用服務層設計的主要任務是解決數據的接收、存儲與解析、數據庫的建立、數據（信息）的處理、平臺的架設等方面的問題。

在本系統中，采用通用TCP/IP協議實現對封裝后數據的接收和傳輸。數據的解析包括對封裝數據的結構（頭幀、尾幀、校驗位）判斷、數據解析和指定存儲區域（數據庫的不同區域）。

數據庫以源數據的類型進行區分。在系統數據庫的設計中，不同來源的數據以包含不同ParamID的字段來進行區分，每一種類型的數據都用兩張表格來進行記錄與維護：一張用于記錄該數據的實時數據，該表只保留最新接收的數據，表中原有數據被新數據覆蓋替換；另一張表用于記錄該數據的所有歷史數據，新的數據在原表中追加。為保證數據的真實可靠，數據庫數據真實性、完整性的維持不采用物理外鍵，而是用邏輯外鍵通過代碼來實現。

系統應用服務層的軟件設計采用可進行分布式信息處理、具有較強擴展性和多平臺兼容性的B/S架構（Browser/Server Architecture）。該架構包括了MPC（Model模型—界面—控制器）層、業務邏輯層和數據庫訪問層。

系統的算法服務平臺采用基于RPC架構算法設計。為提高系統的擴展性，將DH-Elman算法作為遠程服務來進行調用。RPC（遠程過程調用）是一種計算機進程通信方式[15]，它允許系統像調用本地服務一樣調用遠程服務，跨平臺性能良好。系統算法接口采用Java語言來實現DH-Elman神經網絡構建，支持多客戶端、多用戶的同時連接和使用，提高了系統跨平臺性能。

3 結語

本文基于CPS的茶葉加工系統設計，是基于茶葉加工生產過程控制的現實需求，通過信息系統和物理系統的深度融合，有效改變了茶葉加工企業的傳統生產模式，實現了生產過程控制的管理智能化、監督控制實時化，能夠實現企業資源的有效整合和靈活配置，提高了茶葉加工企業生產的柔性，且系統具有較好的兼容性和擴展性，為茶葉加工企業的技術升級和產品創新提供了一種可行的途徑。