張孝剛　劉鑫　文彪

摘要：采用新型溫濕度采集器對煙垛內溫濕度數(shù)據(jù)進行自動采集，通過無線傳輸、協(xié)議解析，建立溫度模型分析確定數(shù)據(jù)采集點，并通過無線組網(wǎng)方式建立一套完整的初煙實時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)平臺，形成一套集煙垛內溫濕度數(shù)據(jù)存儲、分析、預警等功能為一體的監(jiān)測預警系統(tǒng)。

關鍵詞：溫度場；初煙倉儲管理；溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)；無線采集；溫度模型 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP277 文章編號：1009-2374（2016）09-0059-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.028

煙葉在投入生產(chǎn)前有一段倉儲時期，期間內若管理不好，煙葉將會發(fā)生霉變、自燃等質變產(chǎn)生，無形受損變質，而引起的原因很多，但是溫度和濕度是重要的因素。初煙倉儲管理過程中，對垛內溫度、濕度的監(jiān)測和控制是一個重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的方法是采用金屬探頭進行對煙垛內的溫度、濕度進行采集、收集、記錄，周期一般比較長，大部分復烤廠一周一次到一月一次不等，有要求高的一天檢測記錄一次，但也無法做到實時、方便、快捷地對每個煙垛進行監(jiān)測和管理。而基于溫濕度采集器的初煙養(yǎng)護監(jiān)測系統(tǒng)平臺的研究就是針對這一情況而研發(fā)的一套監(jiān)測管理系統(tǒng)。

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是利用垛內無線傳輸自校驗溫度采集器主動采集上報溫度數(shù)據(jù)包穿透至垛外，現(xiàn)場中繼采集設備將數(shù)據(jù)包接收并發(fā)送至IE網(wǎng)關管理中心，與溫濕度監(jiān)測軟件建立連接，軟件界面顯示采集點位溫度數(shù)值、溫度曲線、超溫報警等功能，實現(xiàn)軟件、硬件組成煙垛溫濕度監(jiān)測網(wǎng)關系統(tǒng)平臺和綜合信息軟件平臺。

1 系統(tǒng)方案思路

（1）論證數(shù)據(jù)采集點位置；（2）溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的構成。主要由溫濕度傳感及解碼模塊、無線收發(fā)射模塊、數(shù)字報警模塊、ITU軟件等組成。溫濕傳感模塊主要實現(xiàn)對外界溫濕度信息進行采集編解碼，無線收發(fā)射模塊與中繼收發(fā)器進行數(shù)據(jù)交換并將數(shù)據(jù)信息傳輸至IE智能網(wǎng)關至監(jiān)測平臺，ITU軟件溫度數(shù)據(jù)超過設定值，數(shù)字報警模塊下發(fā)報警指令，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)構成總體框圖

2 方案論證

2.1 溫濕度采集點確立的論證過程及設備、材料

2.1.1 論證步驟：步驟一：準備3堆垛標準存儲煙包；步驟二：采用普通熱敏電阻溫度探頭的測試實驗確定溫度場；步驟三：根據(jù)溫度場確定溫濕度采集點的數(shù)量和位置；步驟四：采用新型溫濕度采集器搭建系統(tǒng)平臺監(jiān)測。

2.1.2 實驗的設備及材料：貨場煙垛3垛（現(xiàn)場垛號0292、0293、0402），熱敏電阻測溫探頭1500只（每個都編號，便于測試分析），測溫儀器3個，電腦3臺，服務器1臺，新型溫濕度采集器若干，網(wǎng)關2套，中繼收發(fā)器若干，其他材料電線、電纜若干。

2.2 溫度場模型建立

2.2.1 各測試點探頭唯一編碼。

2.2.2 規(guī)范化堆碼煙包：為了數(shù)據(jù)的真實性和可分析性，現(xiàn)場選取3個煙垛進行試驗，每包煙包的規(guī)格大約是長×寬×高=950mm×600mm×250mm，煙垛支撐平臺為4000mm×8000mm，每個煙垛堆碼均為600包煙包，為確保實測數(shù)據(jù)的準確性，需對煙包各層的堆碼進行唯一

編碼。

2.3 煙垛內模擬溫度測試點分布

測試裝置由熱敏電阻及導線構成，600包煙分別安置于單個煙包中心部位。

2.4 結果及分析

數(shù)據(jù)采集分為兩次：第一次為煙垛密封完好以后進行；第二次為第一次測試結束60天后。以0293為例：

60天前0293煙垛層間 60天后0293號煙垛內

溫度曲線圖 層間平均溫度曲線圖

圖2

結論分析：

2.4.1 由于受氣候溫度影響，外表溫度高于內部溫度，光照射面溫度高于背光溫度，除表層煙包受天氣氣溫影響的因素，內部煙包較高溫區(qū)主要分布于3～9層，受陽光照射層溫度偏高。

2.4.2 從數(shù)據(jù)分析來看，上層受陽光直射處溫度明顯高于未照射處，當煙包擺放1～2周后，煙垛內溫度趨于一致（除上層煙包受陽光照射溫度高外），根據(jù)總數(shù)據(jù)得出，溫度采集器放置于第6層、第9層的中心位置較佳。

原因有：（1）從第二次測量出的數(shù)據(jù)顯示，6層平均溫度相對較低，且位于煙垛中心部位，其層中煙包是最不受控制；（2）9層是受外界影響溫度轉變層，其層溫度相差（除外圍煙包溫度）較大，相差3.8℃。

2.4.3 每垛煙中，煙包的堆放成金字塔形分布，最底層到最頂層煙包數(shù)量隔層逐層遞減，每層除去邊上煙包（邊上煙包受外界環(huán)境因素影響最大）外，內部的煙包一般都是分布在從第二層開始到第九層，共8層，每包煙包的規(guī)格大約是長×寬×高=950mm×600mm×250mm，煙垛支撐平臺為4000mm×8000mm，也就是說內部煙包的擺放是在從第2層開始到第9層之間的大約長6m、寬2m、高2m的一個空間區(qū)域范圍內。

3 新型溫濕度采集器設計

采用高精度唯一ID自校驗溫濕度采集器對煙垛內各個設定點進行溫濕度監(jiān)測，分別放置煙垛內的溫度偏高核心區(qū)域，通過無線收發(fā)方式（2.450MHz）將帶有ID及溫、濕度的數(shù)據(jù)包經(jīng)Zigbee網(wǎng)絡傳輸至智能網(wǎng)關。采集器為一種防護等級IP68的密封自校驗溫、溫濕度傳感器，采溫面為不銹鋼片，加裝了二維識別碼，其余為抗摔耐壓塑料。內置集成式自校驗溫度傳感器由變送器、Zigbee信號發(fā)送器、高能電池、專用天線等集成。

4 新型溫濕度采集器系統(tǒng)軟件結構設計

4.1 采集模式設計

結合復烤企業(yè)現(xiàn)場測試流程及管理，設計出倉儲管理溫濕度監(jiān)測平臺模式如圖3所示：

圖3 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理模式

4.2 軟件設計

自動完成煙垛中的溫、濕度數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)主動上載與物聯(lián)網(wǎng)對接，在監(jiān)控中心內通過物聯(lián)網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡相結合，利用計算機軟件技術對采集器上報的溫、濕度數(shù)據(jù)進行存儲、監(jiān)測、顯示、預警。

4.3 趨勢曲線

將被監(jiān)視點的多個數(shù)據(jù)記錄以曲線圖或文本的形式顯示，并存檔于數(shù)據(jù)庫內，其數(shù)據(jù)庫可被辦公應用軟件兼容。

4.3.1 在軟件界面上點擊每個煙堆垛后出現(xiàn)溫、濕度曲線界面，可以實時監(jiān)控每天的溫、濕度變化，也可以查詢歷史溫度、濕度數(shù)據(jù)。

4.3.2 用戶可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)針對當前溫、濕度變化趨勢，排除外界溫度影響后如溫度、濕度趨勢是逐漸增長的，可斷定垛內霉變發(fā)生，應立即進行翻垛處理防止霉變。

4.4 庫存變動記錄

以文本的形式，顯示庫存使用與需求情況。

4.4.1 文本存檔于數(shù)據(jù)庫內，其數(shù)據(jù)庫可被辦公應用軟件兼容。

4.4.2 可以在軟件界面上表述出來，例如煙葉的入庫時間、品級、保管負責人等信息等。

4.4.3 確保用戶能夠及時準確地掌握庫存的真實數(shù)據(jù)，合理保持和控制企業(yè)庫存，有利于提高倉庫管理的工作效率。

4.5 ITU監(jiān)測軟件設計

實現(xiàn)功能包括數(shù)據(jù)包驗證、解析、下發(fā)指令、ID分組、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)值顯示、曲線及報表生成、預警判別等功能。

界面設計：軟件界面采取金字塔設計方式，由一級區(qū)域界面、二級區(qū)域界面、數(shù)據(jù)顯示界面、數(shù)據(jù)分析界面等組成。

圖4

一級區(qū)域界面：顯示整個堆場監(jiān)測的區(qū)域點；二級區(qū)域界面：顯示一級區(qū)域點煙垛及編號分布情況；數(shù)據(jù)顯示界面：顯示單垛監(jiān)測點的實時溫濕度值；數(shù)據(jù)分析界面：被監(jiān)視點的數(shù)據(jù)生成K線圖并保存、顯示，可實時監(jiān)控監(jiān)測點溫濕度值及能耗值的變化。用戶可根據(jù)溫度、濕度值的變化趨勢來斷定垛內霉變的發(fā)生，及時進行翻垛處理措施防止霉變。

5 實驗結果綜合分析

（1）根據(jù)溫度場實驗得出每個煙垛的溫濕度采集器不少于5個，均分布于每垛第5至第6層之間，或者放置不少于6個，每垛第4層和第7層，每層3個；（2）最終形成的初煙倉儲管理溫濕度采集系統(tǒng)平臺的結構模式如下：管理PC→數(shù)據(jù)服務器→TCP→數(shù)據(jù)網(wǎng)關→Zigbee→溫濕度采集器。

6 研究結論

6.1 初煙養(yǎng)護溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究成功的意義

初煙養(yǎng)護溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究的成功是無線信號采集傳輸在煙草行業(yè)生產(chǎn)實踐中的重大應用，這是目前國內外初煙養(yǎng)護監(jiān)測技術上的首次突破，代替?zhèn)鹘y(tǒng)行業(yè)人工監(jiān)測，實現(xiàn)自動化管理，在設備成本、人力投入方面大大降低，更能方便、快捷、實時地反映初煙煙堆內部溫濕度的變化情況，方便管理人員監(jiān)測和管理，并對出現(xiàn)的情況做出相應的應對之策。

6.2 系統(tǒng)的先進性及創(chuàng)新點

6.2.1 研發(fā)成功了自校驗溫濕度采集器，引入了Zigbee無線信號傳輸技術，替代有線布網(wǎng)方式，增強了組網(wǎng)的多樣性、靈活性及可擴展性。

6.2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐抨犂碚搼?，使得自校驗溫度采集器具有自動休眠功能，既解決了網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量大而引起網(wǎng)絡堵塞問題，又解決了自校驗溫、濕度采集器長時間工作的功耗問題。

6.2.3 實時監(jiān)測超限預警，使管理者能及時、準確地鎖定庫區(qū)內溫度、濕度異常的煙垛位置，便于及時

處理。

6.2.4 大容量數(shù)據(jù)處理和存儲能力，多種趨勢分析方式，不僅可實時掌握煙垛狀態(tài)，而且可提前預測煙垛內溫濕度走勢；進行高效、準確的數(shù)據(jù)采集，提高作業(yè)效率及管理能力。

6.2.5 大容量數(shù)據(jù)處理和存儲能力，多種趨勢分析方式不僅可實時掌握煙垛狀態(tài)，而且可提前預測煙垛內溫濕度走勢。

6.2.6 高效、準確的數(shù)據(jù)采集，提高作業(yè)效率及管理能力。

參考文獻

[1] 魏星.網(wǎng)絡化軟件無線電的實現(xiàn)[D].中國人民解放軍信息工程大學，2002.

[2] 袁曉斌.基于XML的無線電異構監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換處理[D].四川大學，2003.

[3] 趙景宏，李英凡，許純信.2.4gZigbee技術簡介[J].電力系統(tǒng)通信，2006，（27）.

[4] 孫桂芝，何野.無線組網(wǎng)技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5] 王子宇.微波技術基礎[M].北京：北京大學出版社，2013.

[6] 安文.無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[7] 孫桂芝，何野.無線組網(wǎng)技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：張孝剛，男，云南彌勒人，云南煙葉復烤有限責任公司工程師，研究方向：技術管理。

（責任編輯：蔣建華）