賈 賽 ， 張 燕 ， 王長云

（新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

谷物水分含量是糧食回收貯藏的重要指標，但是在實際生產(chǎn)過程中，很少有農(nóng)戶運用專業(yè)的設(shè)備測量。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國糧食在儲藏、運輸和加工等環(huán)節(jié)，每年損失量約為700億斤[1]。也就是說，農(nóng)戶在糧食儲存環(huán)節(jié)中會產(chǎn)生嚴重損失；因為缺少技術(shù)指導或者沒有有效的檢測設(shè)備，農(nóng)戶無法快速發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化而導致的糧食發(fā)霉腐爛情況，從而造成嚴重的浪費。在“十四五”規(guī)劃[2]中，《糧食綠色倉儲提升行動方案（試行）》提出了建設(shè)一批高標準糧倉、改造提升倉房的氣密和保溫隔熱性能、推廣應用綠色儲糧技術(shù)、發(fā)展多參數(shù)多功能糧情測控系統(tǒng)、提升清理凈糧能力、推動糧倉分類分級等重點任務。由此可見檢測谷物水分含量設(shè)備的重要性[3]，高效的檢測設(shè)備可以幫助農(nóng)戶發(fā)現(xiàn)谷物水分含量過高的情況并及時處理，從而有效減少經(jīng)濟損失。

近年來，越來越多的人開始研究糧食水分的動態(tài)檢測技術(shù)[4]，不同的傳感器原理和相關(guān)的設(shè)備也不斷出現(xiàn)。單片機具有體積小、價格低廉等優(yōu)點，但也存在內(nèi)存小、無法大量計算、性能有限等缺點。如果采用高性能的單片機，數(shù)據(jù)處理速度可以提升，但這樣芯片的價格就比較貴，系統(tǒng)再加入數(shù)據(jù)存儲設(shè)備后，成本又會進一步提升。動態(tài)監(jiān)測方案在單片機性能較低的情況下也無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)據(jù)的分析處理和存儲這兩個問題更加不容易解決。如果可以將數(shù)據(jù)的分析和存儲過程全部放在云平臺進行，單片機只用來采集數(shù)據(jù)，那么單片機的性能就不需要太高，系統(tǒng)設(shè)計中也無需額外的存儲介質(zhì)。

1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)

基于阿里云的谷物水分檢測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等部分組成。硬件系統(tǒng)主要完成水分和溫度數(shù)據(jù)的采集工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示及谷物品種選擇等功能；軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的初步處理，通過云平臺、數(shù)據(jù)庫、釘釘推送等對動態(tài)采集的數(shù)據(jù)進行計算、存儲和顯示。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)總體方案要求，硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵模塊、通信模塊和顯示模塊[5]等組成，如圖2所示。其控制單元的核心板為ESP32單片機，主要外圍電路為溫度傳感器DS18B20、電容式水分傳感器、按鍵電路、顯示屏幕等。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 單片機選型

單片機是谷物水分測量控制系統(tǒng)的核心，常見的單片機有51單片機、STM32單片機[6]、AVR單片機等。51單片機和STM32單片機在嵌入式系統(tǒng)中使用廣泛，但它們還要額外的WIFI芯片[7]才能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。而ESP32不僅是一個WIFI芯片，同時該單片機也可以進行片上編程，完全可以滿足通信和控制傳感器的功能要求。ESP32單片機電路如圖3所示。

圖3 ESP32單片機電路

2.2 水分傳感器設(shè)計

在水分傳感器設(shè)計中，選擇精度較高、受外界干擾較小的電容式傳感器[8]。設(shè)計時，一方面通過硬件設(shè)計減小誤差，提高精確度；另一方面通過軟件進行誤差補償。本文設(shè)計了精確度為±2%RH以內(nèi)的電容式水分傳感器，如圖3右下方所示。

3 單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、誤差補償模塊、通信模塊等組成[9]。首先通過網(wǎng)絡(luò)初始化連接網(wǎng)絡(luò)，通過全局變量使能硬件管腳，然后處理傳感器數(shù)據(jù)，接著進行品種選擇，最后通過通信功能將補償之后的數(shù)據(jù)上傳到云端。具體流程如圖4所示。

圖4 程序流程

其中誤差補償模塊（數(shù)據(jù)采集及修正）完成電容式水分傳感器軟件優(yōu)化，主要通過程序設(shè)計了限幅和濾波兩個函數(shù)來減小誤差。

1）限幅通過函數(shù)map(x, y, a0)設(shè)置三個參數(shù)，分別對應初始濕度標定值、濕度最大標定量和傳感器讀取輸入量，參考程序如下。

2）濾波通過中位值升序排列取中間值，MedianAverage函數(shù)兩個參數(shù)分別為輸入值和輸入值個數(shù)，通過控制數(shù)據(jù)個數(shù)盡可能排除不良數(shù)據(jù)，減小誤差，參考程序如下。

4 通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)由阿里云、數(shù)據(jù)庫和上位機模塊組成。通過MQTT協(xié)議[10]將數(shù)據(jù)上傳到阿里云平臺上，最終完成數(shù)據(jù)的顯示、計算、儲存等功能。

4.1 通信協(xié)議

采用阿里云、硬件設(shè)備、IOT Studio雙向連接的MQTT協(xié)議，不同端之間可以進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而滿足設(shè)計要求。

4.2 阿里云

阿里云主要完成業(yè)務編排和釘釘機器人的功能。其中，業(yè)務編排借助API實行更簡單的數(shù)據(jù)處理，在不借助其他軟件的情況下完成阿里云平臺和設(shè)備的通信功能開發(fā)，如圖5所示。釘釘機器人[11]為了解決移動端數(shù)據(jù)讀取問題，實現(xiàn)推送和報警功能，釘釘推送如圖6所示。

圖5 業(yè)務編排

圖6 釘釘群消息

4.3 數(shù)據(jù)庫錄入系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫錄入的是標準的溫濕度值，可以通過業(yè)務編排將該數(shù)據(jù)回傳給單片機做下一次采集的補償計算。MySQL數(shù)據(jù)庫[12]錄入系統(tǒng)具體界面如圖7所示，包括左側(cè)的數(shù)據(jù)顯示表格和右側(cè)的增刪改查按鈕。

圖7 MySQL數(shù)據(jù)庫錄入系統(tǒng)

4.4 上位機

通過本文設(shè)計的QT上位機[13]可以將顯示功能和數(shù)據(jù)庫操作集成在一個軟件操作，上位機的第一個標簽頁是數(shù)據(jù)顯示中心，可以顯示和查詢歷史數(shù)據(jù)。由于糧食水分含量受溫度的影響比較大，為了消除溫度對糧食水分測量造成的誤差，設(shè)計成組網(wǎng)模式，多個設(shè)備進行檢測，提高檢測精度。組網(wǎng)模式頁面如圖8所示，頁面左上角為設(shè)備管理欄，當選擇“谷物水分檢測”這個項目時就可以顯示該項目下的設(shè)備名稱，之后單擊“B_Dev”設(shè)備就可以顯示篩選設(shè)備上線所有時間段的數(shù)據(jù)表或者趨勢圖。右上角顯示了A、B、C三個設(shè)備對應的實時溫濕度數(shù)據(jù)，下方兩個表格為設(shè)備對應的曲線圖，方便觀察走勢并進行分析。

圖8 組網(wǎng)模式

5 試驗及分析

5.1 試驗設(shè)備及材料

為了檢驗電容式水分傳感器的數(shù)據(jù)采集及阿里云平臺的數(shù)據(jù)顯示、存儲效果，對整個系統(tǒng)進行靜態(tài)試驗。試驗的材料和設(shè)備包括：新鮮的玉米種子（一盆），谷物水分檢測系統(tǒng)設(shè)備（1臺），數(shù)據(jù)線（1根），電腦（1臺），電烘箱（加熱臺）。具體如圖9所示。

圖9 單機模式

5.2 試驗內(nèi)容及方法

在單機模式下，將檢測設(shè)備探頭插入玉米堆中，上位機立即顯示采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時可以查詢詳細的數(shù)據(jù)。為了驗證該設(shè)備的實用性，在盡可能保證試驗可行性的情況下，本文進行了如下試驗。

設(shè)置A、B、C、D、E五組玉米堆，分別在常溫1（20 ℃）、常溫2（30 ℃）和烘干等三種試驗環(huán)境中，對每組進行3次測量，取平均值。如表1、表2所示。

表1 20 ℃溫度下試驗數(shù)據(jù) 單位：%

表2 30 ℃溫度下試驗數(shù)據(jù) 單位：%

5.3 試驗結(jié)果與分析

由表1和表2的試驗數(shù)據(jù)可知，在溫度相同的情況下，各組三次試驗的平均值與每一次測量值誤差在2%左右，驗證了該設(shè)計數(shù)據(jù)檢測的正確性，同時系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計可以減小誤差。

分析不同溫度下的試驗數(shù)據(jù)，五組數(shù)據(jù)的平均值顯示，高溫（30 ℃）比低溫（20 ℃）谷物含水率降低了0.42%，說明溫度變化會對谷物含水率產(chǎn)生一定的影響：溫度越高，谷物含水率越低。數(shù)據(jù)實時顯示曲線如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)顯示曲線

試驗驗證，該系統(tǒng)具有動態(tài)測量谷物含水率的基本功能，同時能云端存儲和顯示數(shù)據(jù)，方便、直觀，具有一定的實用性。

6 結(jié)論

課題組為了解決傳統(tǒng)單片機數(shù)據(jù)處理和存儲困難的問題，設(shè)計了一種基于ESP32和阿里云的電容式谷物水分檢測系統(tǒng)，并通過試驗分析驗證了該系統(tǒng)的實用性。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r快速檢測并顯示谷物溫度值和水分值，并且在云平臺中存儲數(shù)據(jù)，可以隨時查詢歷史數(shù)據(jù)。