白萬(wàn)明，黃一蘭，許錫祥，段江平*，柯旗炎，張瀛，靖軍領(lǐng)，黃珊，趙云飛，黃隆，胡波，何明興，張發(fā)漢

(1.福建省煙草公司三明市公司，福建 三明 365000；2.福建奧托康能源科技有限公司，福建 三明 365000)

烤煙煙葉成熟采摘后必須經(jīng)過(guò)烘烤加工才能制成工業(yè)用煙，煙葉烘烤過(guò)程成為制約煙葉質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)方式是利用干濕球玻璃溫度計(jì)采集數(shù)據(jù)，需人工長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作規(guī)程復(fù)雜，煙農(nóng)對(duì)基本的烘烤技術(shù)掌握不熟悉，主要表現(xiàn)為控火能力差，烘烤轉(zhuǎn)火時(shí)間把握不準(zhǔn)，排濕過(guò)早或過(guò)晚等，導(dǎo)致煙葉質(zhì)量水平低，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟大小和時(shí)間把握不準(zhǔn)，造成排濕過(guò)快出現(xiàn)青筋煙，或造成烤房?jī)?nèi)溫濕度分布不均勻，煙葉干燥程度差異明顯，增加了烘烤難度[2]。煙葉烘烤過(guò)程的自動(dòng)化、智能化將是未來(lái)煙葉烘烤研究及發(fā)展的方向?；ヂ?lián)網(wǎng)+烤煙作為烤煙技術(shù)的新興研發(fā)領(lǐng)域，將互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于烤煙生產(chǎn)的工藝監(jiān)測(cè)中，還處于探索階段。三明市煙草公司聯(lián)合福建奧托康能源科技有限公司(福建奧托節(jié)能科技有限公司)自2016年就開(kāi)始積極探索互聯(lián)網(wǎng)+智能化烤煙，完成了從軟件到硬件的開(kāi)發(fā)研制，并形成了包括1個(gè)發(fā)明專(zhuān)利和4個(gè)實(shí)用新型專(zhuān)利的5個(gè)授權(quán)專(zhuān)利技術(shù)成果，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。2018—2019年雙方持續(xù)投入資金和人力，致力于將上述技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化，已經(jīng)形成了一種互聯(lián)網(wǎng)+智能化烤煙的解決方案，通過(guò)硬件改造和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使傳統(tǒng)密集燃煤烤房升級(jí)為基于平臺(tái)的在線智能化烤房。通過(guò)對(duì)烤房的溫濕度、煙葉狀態(tài)變化的在線監(jiān)測(cè)和智能化控制，依托福建省煙草公司三明市公司科技項(xiàng)目“密集烤房物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”，已經(jīng)完成智能烤煙控制器硬件開(kāi)發(fā)及物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)烤煙網(wǎng)站及手機(jī)烤煙APP的軟件開(kāi)發(fā)建設(shè)，初步實(shí)現(xiàn)了烤煙數(shù)據(jù)智能化監(jiān)測(cè)、促進(jìn)烘烤過(guò)程精細(xì)化、可視化管控，同時(shí)形成烤煙生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，從而可以指導(dǎo)烤煙控制過(guò)程的工藝曲線改進(jìn)，為煙葉烘烤質(zhì)量的大幅度提升提供先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)。

1 材料與方法

為進(jìn)一步提高煙葉烘烤智能自動(dòng)化水平，改造升級(jí)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)，改進(jìn)完善系統(tǒng)，進(jìn)行示范性推廣，同時(shí)培訓(xùn)煙技員、煙農(nóng)。本研究通過(guò)做好烤煙現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析比對(duì)、技術(shù)改造，積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為未來(lái)的大面積推廣應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

1.1 常規(guī)密集烤房的改造升級(jí)及物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備組成

本次試驗(yàn)選定明溪和沙縣的烤房群，對(duì)20座生物質(zhì)顆粒燃料機(jī)烤房進(jìn)行升級(jí)改造(圖1)。密集烤房物聯(lián)網(wǎng)烤煙控制系統(tǒng)硬件設(shè)備組成：4G網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭20套；智能數(shù)據(jù)采集終端20套；烤房群服務(wù)器2套，可服務(wù)不超過(guò)100座烤房；UPS(4KVAH)2套；網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2套。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智慧烤煙系統(tǒng)烤房群服務(wù)器及4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

1.2 物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)軟件組成及功能簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)軟件組成：云服務(wù)空間1套，后臺(tái)管理平臺(tái)及通訊軟件1套，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件1套，智慧烤煙APP應(yīng)用軟件1套。

管理后臺(tái)包括設(shè)備管理、參數(shù)設(shè)定、菜單管理和用戶管理等功能模塊(圖2)。

圖2 管理后臺(tái)功能模塊組成

數(shù)據(jù)庫(kù)管理包括報(bào)警記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、烘烤圖片數(shù)據(jù)庫(kù)、烘烤曲線數(shù)據(jù)庫(kù)和在線監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等(圖3)。

圖3 管理后臺(tái)功能模塊組成

智慧烤煙手機(jī)APP應(yīng)用軟件界面，支持安卓和蘋(píng)果兩大操作系統(tǒng)，智能手機(jī)兼容性好。只要手機(jī)能夠訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)就可以登錄智能烤煙云平臺(tái)，查看相關(guān)烤房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 手機(jī)應(yīng)用軟件界面圖示

物聯(lián)網(wǎng)智慧烤煙系統(tǒng)手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)控烤房?jī)?nèi)煙葉變化情況，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看煙葉變黃、失水狀態(tài)。截圖摘錄如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)控烤房?jī)?nèi)煙葉變化情況

1.3 物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)構(gòu)架

1.4 物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)平臺(tái)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化的接口技術(shù)整合各烤煙設(shè)備中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)集中存儲(chǔ)、管控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；利用云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)讓煙葉生產(chǎn)管理人員、煙技員或煙農(nóng)在手機(jī)上監(jiān)視烤煙生產(chǎn)過(guò)程；提供曲線、趨勢(shì)預(yù)警、接口監(jiān)測(cè)管理等多種形式的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理工具。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)的烤房與普通密集烤房進(jìn)行烘烤對(duì)比試驗(yàn)，2019年5—7月，項(xiàng)目組在沙縣夏茂和明溪胡坊通過(guò)對(duì)20座密集烤房部署物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)，對(duì)兩地27 hm2煙葉進(jìn)行智能化烘烤示范應(yīng)用，烤后干煙40 500 kg，與普通密集烤房進(jìn)行烘烤對(duì)比試驗(yàn)。

2.1 對(duì)比分析

2.1.1 烤后煙葉外觀質(zhì)量

烘烤試驗(yàn)表明，物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房具有升溫平穩(wěn)、控溫精準(zhǔn)、不掉溫的優(yōu)點(diǎn)，能使煙葉充分變黃、凋萎、發(fā)軟，內(nèi)含物轉(zhuǎn)化充分，采用物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)的烤房與普通密集烤房烘烤的煙葉相比，烤后的煙葉油分足、色澤亮，正反面煙葉顏色均勻、色差小，下、低等煙比例明顯減少，總體烤后煙葉外觀質(zhì)量好于普通密集烤房(表1)。

表1 物聯(lián)網(wǎng)烤房與普通密集烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量對(duì)比

2.1.2 烤房自動(dòng)化程度

從物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房與普通密集烤房自動(dòng)化程度對(duì)比看，采用物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房可實(shí)現(xiàn)一鍵烤煙，省去煙農(nóng)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的時(shí)間，大大降低烤煙的勞動(dòng)強(qiáng)度，形成烤煙溫濕度參數(shù)和圖片的自動(dòng)采集存儲(chǔ)，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)對(duì)比分析(表2)。

表2 物聯(lián)網(wǎng)烤房與普通密集烤房自動(dòng)化程度對(duì)比

2.1.3 烘烤用工成本

兩種烤煙房的用工數(shù)量及成本如表3，物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房每烤用工為1.0個(gè)，烘烤用工成本150元；普通密集烤房，每烤用工為2.5個(gè)，烘烤用工成本為375元。物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房每烤用工節(jié)約225元。

表3 物聯(lián)網(wǎng)烤房與普通密集烤房用工成本對(duì)比

2.1.4 烤后煙葉上等煙、均價(jià)

從物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房與普通密集烤房烤后煙葉上等煙比例和均價(jià)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房上等煙比例為72.6%，比普通密集式烤房高出5.3百分點(diǎn)；物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房干煙均價(jià)為35.5元·kg-1，比普通密集式烤房提高3.2元·kg-1(表4)。按照每烤460 kg干煙計(jì)算，每烤煙葉可增收1 472元。

表4 物聯(lián)網(wǎng)烤房與普通密集烤房烤后煙葉效益對(duì)比

2.1.5 綜合效益提升

從物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房與普通密集烤房綜合效益對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于普通密集烤房，物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)烤房每烤煙葉用工成本降低225元，煙葉效益提升1 472元，綜合效益提升1 697元。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)烤房?jī)?nèi)溫濕度及煙葉變化狀態(tài)

通過(guò)隨機(jī)抽取2018—2019年明溪胡坊、沙縣夏茂各兩烤次物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煙葉烘烤溫濕度變化情況，繪制曲線圖(圖7～10)。通過(guò)曲線圖可以發(fā)現(xiàn)煙葉烘烤過(guò)程中存在的問(wèn)題，為今后煙葉烘烤提供指導(dǎo)意見(jiàn)和改進(jìn)措施。通過(guò)曲線圖可看出：2018年明溪胡坊0017第1烤次煙葉烘烤中存在干筋期濕球溫度過(guò)低，干球溫度54 ℃以后濕球溫度基本在40 ℃以下，易造成烤后煙葉顏色偏淡，香氣揮發(fā)；2019年明溪胡坊0017第1烤變黃期部分節(jié)點(diǎn)存在升溫過(guò)急，濕球溫度不穩(wěn)定的情況，易造成煙葉烤青、掛灰；2019年沙縣夏茂1109第3烤次煙葉烘烤定色期、干筋前期濕球溫度存在明顯異常，定色期濕球溫度偏高，易造成烤后煙葉蒸片、掛灰，干筋前期濕球溫度偏低，易造成烤后煙葉色淡；2019年沙縣夏茂116第3烤次煙葉烘烤存在變黃期溫度忽高忽低、掉溫等異常情況，易造成煙葉烤青、掛灰，第3烤為中部葉，變黃期烘烤時(shí)間偏短，煙葉變黃程度不夠，淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化不充分，易造成煙葉烤青、光滑、僵硬。通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)烘烤過(guò)程中存在的常見(jiàn)問(wèn)題，為來(lái)年煙葉烘烤提供有針對(duì)性的指導(dǎo)意見(jiàn)。

圖7 2018年明溪0017第1烤次烘烤監(jiān)測(cè)曲線

圖8 2019年明溪0017第1烤次烘烤監(jiān)測(cè)曲線

圖9 2019年夏茂1109第3烤次烘烤監(jiān)測(cè)曲線

圖10 2019年夏茂1116第3烤次烘烤監(jiān)測(cè)曲線

2.3 完善物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙烘烤工藝曲線

通過(guò)開(kāi)展密集烤房物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步完善云平臺(tái)在線智能化烤煙系統(tǒng)的烘烤工藝，在煙葉烘烤過(guò)程的變黃凋萎期、干葉定色期、干筋期，通過(guò)云平臺(tái)對(duì)視頻信號(hào)的監(jiān)測(cè)，結(jié)合煙葉的外觀色澤狀態(tài)和烤煙房溫濕度數(shù)據(jù)，應(yīng)用烤煙系統(tǒng)服務(wù)器云計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控。當(dāng)烤煙系統(tǒng)服務(wù)器與智能化烤房之間的網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)故障時(shí)，烘烤工藝由智能烘烤控制裝置按照預(yù)設(shè)工藝曲線執(zhí)行，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤過(guò)程中溫濕度、煙葉變化狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和可視化、大數(shù)據(jù)分析比對(duì)等功能，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化完善不同品種、部位煙葉的烘烤工藝曲線。

對(duì)比翠碧1號(hào)烘烤工藝技術(shù)，采用本研究的物聯(lián)網(wǎng)烤房在烘烤的過(guò)程中可以清晰地看到烘烤過(guò)程中各個(gè)階段煙葉葉片外觀特征變化情況(圖11)。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的分析，有助于進(jìn)一步優(yōu)化烘烤曲線，亦可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整烘烤工藝。

圖11 翠碧1號(hào)煙葉智能烘烤監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)的烤房?jī)?yōu)勢(shì)明顯，煙葉烘烤的自動(dòng)化水平顯著提升，大大解放了生產(chǎn)力，有效降低煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)輕松烤煙。智能烤煙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了烘烤工藝的精準(zhǔn)控制，電烤房全程自動(dòng)控制供熱，根據(jù)控制儀上的烘烤工藝曲線進(jìn)行精準(zhǔn)烘烤，操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)一鍵式全自動(dòng)烘烤。采用智能烤煙系統(tǒng)后烤煙的綜合效益提升，物聯(lián)網(wǎng)烤房提升綜合效益1 697元。物聯(lián)網(wǎng)智能烤煙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP在線監(jiān)控，隨時(shí)隨地查看煙葉的烘烤情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)烘烤出現(xiàn)的問(wèn)題，減少烤壞煙現(xiàn)象的發(fā)生。一人可同時(shí)看管多座烤房，有效節(jié)省人工費(fèi)用，有利于實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化烘烤?？竞鬅熑~質(zhì)量較好，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)烤后煙葉油分足、色澤亮、正反面煙葉顏色均勻、色差小。

本研究收集了烤煙歷史數(shù)據(jù)和煙葉狀態(tài)數(shù)據(jù)，可形成煙葉烘烤大數(shù)據(jù)，為后續(xù)煙葉烘烤工藝優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提供數(shù)據(jù)支撐?？蓪⒖痉繉?shí)時(shí)溫濕度與對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)煙葉狀態(tài)圖片作為數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP和后臺(tái)電腦上，進(jìn)而建立真正的烘烤大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并以圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)將煙葉實(shí)時(shí)圖片與該品種煙葉的分時(shí)標(biāo)準(zhǔn)色度自動(dòng)對(duì)比，以自適應(yīng)學(xué)習(xí)和模糊控制算法等人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)改善烘烤工藝曲線并自動(dòng)調(diào)整溫濕度設(shè)置，實(shí)現(xiàn)真正的閉環(huán)控制自動(dòng)化烘烤。

自動(dòng)化、智能化烘烤設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)“規(guī)?；N植、集約化經(jīng)營(yíng)、專(zhuān)業(yè)化分工、信息化管理”的有效途徑[3]，是未來(lái)煙葉烘烤的發(fā)展方向。本項(xiàng)目目前完成數(shù)據(jù)的采集和烘烤可視化，智能化控制、互聯(lián)網(wǎng)烤煙大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品的成本控制是后續(xù)工作需要繼續(xù)研究的方向。智能化控制方面，研發(fā)精準(zhǔn)控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)基于對(duì)烘烤煙葉的狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)烤煙。煙葉烘烤作業(yè)受許多因素影響，如氣候變化、編煙與裝煙稀密程度、烤房保溫性能、通風(fēng)排濕能力、燃料質(zhì)量及燒火技術(shù)、火管散熱狀況和爐灶升溫、穩(wěn)溫性能及煙葉烘烤特性等[4]，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)烤煙大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)研發(fā)大數(shù)據(jù)智能分析、大數(shù)據(jù)對(duì)改善烘烤工藝的應(yīng)用。