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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；3.湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151；4.湖南省智能農(nóng)機裝備重點實驗室，湖南 長沙 410128)

由于果蔬具有季節(jié)性、地域性等特點，合理應(yīng)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(huán)境，結(jié)合光催化技術(shù)、遠程監(jiān)測與控制技術(shù)、OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)設(shè)計了一種光催化果蔬保鮮監(jiān)控系統(tǒng)，重點完成了保鮮庫環(huán)境信息采集以及設(shè)備控制的軟硬件設(shè)計，并對果蔬保鮮庫的各項氣體參數(shù)變化進行遠程動態(tài)實時監(jiān)控。采用OneNet云平臺的開源EDP協(xié)議進行溫濕度、乙烯濃度、二氧化碳濃度和氧氣濃度等數(shù)據(jù)的傳輸和控制命令的下達，應(yīng)用上位機對光催化裝置進行遠程控制并對指定環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)，達到對保鮮庫內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境因子實時遠程監(jiān)控的目的，有利于延長果蔬保鮮期，實現(xiàn)保鮮效果的最優(yōu)化。

光催化降解；OneNet云平臺；果蔬保鮮；遠程監(jiān)控系統(tǒng)

我國是物流大國也是農(nóng)副產(chǎn)品大國，隨著人們生活水平的提高，新鮮果蔬在物流領(lǐng)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(huán)境的監(jiān)測與控制對果蔬的品質(zhì)和貨架期有著極為重要的影響[1-3]。在光化學(xué)氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光催化技術(shù)具有操作簡單、對污染物沒有選擇性、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速率快等優(yōu)點，在能源、環(huán)境治理、藥物化學(xué)等領(lǐng)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(shù)應(yīng)用于呼吸躍變型果蔬保鮮，以凈化貯藏環(huán)境，延長果蔬貨架期。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是采用無線傳感技術(shù)和設(shè)計協(xié)議，將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的各種環(huán)境監(jiān)控設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)進行連接，從而實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的監(jiān)測、控制和管理。其優(yōu)點在于可實現(xiàn)遠距離的監(jiān)控，并具有實效性，能更好地為管理服務(wù)，提高管理水平和效率[7-9]。物聯(lián)網(wǎng)云平臺為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了一套完整強大的云端服務(wù)，開發(fā)者可以依靠它迅速連接智能硬件及開發(fā)終端應(yīng)用，當前國內(nèi)比較熱門的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云平臺有OneNET、機智云、Yeelink等。本系統(tǒng)選用的OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，具有多種開源通訊協(xié)議可供挑選，成熟穩(wěn)定，數(shù)據(jù)信息傳遞更加準確及時，終端界面UI可定制開發(fā)，官方技術(shù)文檔詳盡齊全，對I0T開發(fā)者比較友好等優(yōu)點。

目前，大多數(shù)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(tǒng)環(huán)境監(jiān)控，這兩種環(huán)境監(jiān)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(tǒng)布線復(fù)雜繁瑣、不易拓展、維護管理成本高。為了實現(xiàn)復(fù)雜儲藏環(huán)境下的果蔬保鮮，并滿足智能化監(jiān)測果蔬儲藏環(huán)境和自動化調(diào)節(jié)氣體指標的需求，結(jié)合光催化技術(shù)、遠程監(jiān)測與控制技術(shù)、OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)設(shè)計了一種光催化果蔬保鮮監(jiān)控系統(tǒng)。

1　總體方案構(gòu)思與設(shè)計

總體方案設(shè)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(lián)網(wǎng)設(shè)備云平臺OneNET的開源EDP傳輸協(xié)議，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計概念，采用分層架構(gòu)(感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)的思想，建立一種集果蔬儲藏室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、終端數(shù)據(jù)可視化、人機交互控制、高效氣體催化、智能果蔬保質(zhì)保鮮多項功能為一體的果蔬保鮮遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖

2　系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1　硬件設(shè)計

智能光催化果蔬保鮮遠程監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)板，輔以各種環(huán)境氣體參數(shù)傳感器，結(jié)合無線WiFi模塊ESP8266，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)上傳與接收下達命令的智能硬件端系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)接入電源后，各個環(huán)境氣體參數(shù)傳感器開始工作，實時采集果蔬儲藏室內(nèi)環(huán)境指標對應(yīng)的數(shù)值，并通過無線WiFi模塊ESP8266聯(lián)網(wǎng)并傳送到設(shè)備云平臺OneNET。云平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)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(guān)閉，當儲藏室的某項參數(shù)超過警戒值時，會自動觸發(fā)裝置的開關(guān)，從而實現(xiàn)果蔬保鮮系統(tǒng)的自動化數(shù)據(jù)采集和智能化遠程監(jiān)控。

2.2　軟件設(shè)計

2.2.1下位機軟件設(shè)計

下位機系統(tǒng)程序設(shè)計邏輯如圖2所示，軟件整合了多個傳感器的驅(qū)動程序和例程，最終組合進main主程序中。各類傳感器采集數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議涵蓋了IIC、UART、ADC。在主程序中編寫了一個主循環(huán)，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(huán)讀取傳感器采集到的各項數(shù)據(jù)和繼電器開關(guān)的狀態(tài)，并通過EDP協(xié)議上傳到OneNET云平臺，同時接收云平臺是否下發(fā)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(tǒng)程序設(shè)計邏輯圖

2.2.2上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)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(xiàn)感知數(shù)據(jù)的一致性和實時性，上位機的設(shè)計依賴于強大的OneNET云平臺服務(wù)，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(wù)端程序采用模塊化編程思想，拆分為數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠程控制兩大部分并拓展實用功能，實現(xiàn)需求定制化，開發(fā)出一套完整的數(shù)據(jù)可視化人機交互式上位機。

圖3　上位機軟件設(shè)計圖

3　感知層的設(shè)計

3.1　感知層設(shè)計方案概述

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

3.2　環(huán)境參數(shù)感知系統(tǒng)

3.2.1溫濕度監(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的溫濕度監(jiān)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(jiān)測、溫度監(jiān)測、模數(shù)轉(zhuǎn)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(huán)境參數(shù)指標，與DHT11溫濕度模塊相比，雖然成本更高，但穩(wěn)定性和精確性優(yōu)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(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的乙烯濃度監(jiān)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(shù)可燃性氣體，具有成本低、使用壽命長等優(yōu)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(dǎo)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(zhuǎn)化為數(shù)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(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的氧氣濃度監(jiān)測模塊采用重慶潔豪電子商務(wù)有限公司生產(chǎn)的40XV CiTiceL型號氧氣傳感器，該裝置為電化學(xué)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(shù)據(jù)，信號處理板采集到的模擬電壓信號經(jīng)過單片機12bit精度的ADC通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號。通?？諝庵械膶嶋H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(shù)值呈線性比例關(guān)系，因此通過線性關(guān)系方程可算出氧氣的實際濃度。

3.2.4二氧化碳濃度監(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的二氧化碳濃度監(jiān)測模塊使用CCS811空氣質(zhì)量傳感器，該模塊為一款超低功耗數(shù)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(fā)性有機化合物)，用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。 MCU由ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和IIC接口組成，它基于ams獨特的微型熱板技術(shù)，為低功耗的氣體傳感器提供了高度可靠的解決方案。

4　網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計方案概述

網(wǎng)絡(luò)層是架設(shè)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中間橋梁，用于感知層和應(yīng)用層的互聯(lián)互通，將感知層收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層的指定協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)承載媒介(有線或無線)轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用層，或?qū)?yīng)用層下達的命令數(shù)據(jù)傳達到感知層，從而實現(xiàn)短距離或長距離的雙向數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計基于OneNET云平臺，采用官方開源EDP協(xié)議，使用ESP8266通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，連接云平臺服務(wù)器，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺和接收控制命令。

OneNET云平臺支持的通信協(xié)議有EDP、MQTT、HTTP等。EDP (Enhanced Device Protocol，增強設(shè)備協(xié)議)是基于TCP/IP的長連接協(xié)議。在MQTT協(xié)議基礎(chǔ)上自主研發(fā)的開源通訊協(xié)議EDP，可以實現(xiàn)兩個設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，即點與點的通信。它采用數(shù)據(jù)加密傳輸，安全可靠，并支持多種數(shù)據(jù)點類型。開發(fā)時需到GitHub上下載EDP協(xié)議的開源SDK，整合進Keil5的Project工程中，根據(jù)EDP協(xié)議封裝數(shù)據(jù)包上傳數(shù)據(jù)，并解析響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式，提取控制命令類型。

系統(tǒng)通過ESP8266模塊(直接插入開發(fā)板的8孔引腳座即UART2)接入無線網(wǎng)絡(luò)，通過api-key和設(shè)備ID進行鑒權(quán)，然后與OneNET云平臺服務(wù)器建立通信，采用EDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的收發(fā)傳遞，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)和繼電器開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)一通過UART2再經(jīng)過ESP8266發(fā)送到云平臺，接收命令數(shù)據(jù)也是先經(jīng)過UART2接收再觸發(fā)單片機相關(guān)操作。

5　應(yīng)用層的設(shè)計與開發(fā)

5.1　應(yīng)用層設(shè)計方案概述

應(yīng)用層屬于上層終端應(yīng)用的范疇，是處理、展示、分析來自感知層數(shù)據(jù)的平臺，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了感知數(shù)據(jù)的真正價值，分為硬件應(yīng)用和軟件應(yīng)用2部分。其中硬件應(yīng)用部分為多路繼電器開關(guān)控制智能光催化裝置(上位機開關(guān)遠程控制和警戒值觸發(fā)自動控制)，軟件應(yīng)用部分為Web終端遠程在線監(jiān)控和手機APP終端移動在線監(jiān)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(tǒng)中對果蔬保鮮效果起著決定性作用，實現(xiàn)對果蔬保鮮儲藏室的環(huán)境指標條件的高靈敏調(diào)節(jié)。在密閉的果蔬儲藏室空間內(nèi)，智能光催化果蔬保鮮裝置配合環(huán)境監(jiān)測下位機和遠程監(jiān)控上位機工作，三者協(xié)同合作、優(yōu)勢互補，結(jié)合多種技術(shù)實現(xiàn)對果蔬儲藏環(huán)境的綜合治理，發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)計

5.3.1Web終端整體功能設(shè)計

Web終端采用B/S(Brower/Server，瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)設(shè)計模式，其終端模塊功能設(shè)計如圖4所示，通過自主定制開發(fā)的界面和后臺服務(wù)端程序，對接第三方云平臺OneNET的數(shù)據(jù)接口API，構(gòu)建一個集數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能于一體的Web上位機。

圖4　Web終端模塊功能設(shè)計圖

5.3.2Web終端前端界面設(shè)計

Web終端前端UI頁面主要使用HTML+CSS調(diào)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(jiān)控系統(tǒng)Web頁面布局，然后使用HTML+CSS調(diào)節(jié)具體網(wǎng)頁視圖，編寫JavaScript用于提交表單、各個處理函數(shù)、監(jiān)聽事件等腳本。系統(tǒng)的Web上位機由用戶登錄頁面、系統(tǒng)首頁、果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)測、催化裝置遠程控制、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、管理員信息共6個頁面組成。

登錄界面是管理員跳轉(zhuǎn)果蔬保鮮監(jiān)測和遠程控制管理主頁的必經(jīng)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(jīng)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(huán)境監(jiān)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(gòu)成，每個環(huán)境參數(shù)組件需要綁定對應(yīng)的數(shù)據(jù)流，實時顯示各個傳感器采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和動態(tài)化監(jiān)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(huán)境參數(shù)，以便對果蔬保鮮參數(shù)及時做出調(diào)節(jié)。若設(shè)備實時在線狀態(tài)顯示為OFF關(guān)閉狀態(tài)，則儀表盤的指針和動態(tài)圖表的折線會停留在設(shè)備離線前最后一次上傳采集數(shù)據(jù)時的狀態(tài)。

圖5　果蔬儲藏環(huán)境監(jiān)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(guān)(降溫、干燥、加濕、光催化乙烯)和各個開關(guān)對應(yīng)的功能說明文字組成，4個開關(guān)組件也需要和環(huán)境參數(shù)組件一樣綁定對應(yīng)的數(shù)據(jù)流，才可以上傳繼電器開關(guān)的實時狀態(tài)，對頁面顯示的開關(guān)狀態(tài)進行校驗。該頁面會實時顯示開關(guān)當前的狀態(tài)，只要設(shè)備在線，即可點擊開關(guān)按鈕下達命令對多路繼電器開關(guān)進行手動遠程控制，從而控制智能光催化裝置的指定開關(guān)；若為警戒值觸發(fā)自動控制，則開關(guān)狀態(tài)會自行切換。

圖6　催化裝置遠程控制界面

歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢頁面包含了多個傳感器數(shù)據(jù)點的集合，不僅可以在線查看數(shù)據(jù)表格，點擊左上方的導(dǎo)出為Excel文檔按鈕，還可以導(dǎo)出Excel表格文檔離線下載查看，以便對果蔬儲藏環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析。

6　結(jié)論

針對當前果蔬儲藏室保鮮人工監(jiān)控調(diào)節(jié)方式存在的繁瑣復(fù)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計理念，結(jié)合光催化技術(shù)、遠程監(jiān)測與控制技術(shù)、并融合OneNet第三方物聯(lián)網(wǎng)云平臺的果蔬保鮮遠程監(jiān)控上位機與下位機系統(tǒng)設(shè)計了一款智能光催化果蔬保鮮遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在感知層搭建環(huán)境數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用OneNET設(shè)備云平臺及EDP協(xié)議傳輸，在應(yīng)用層構(gòu)建Web終端/手機APP終端雙重監(jiān)控的信息查詢監(jiān)控平臺，通過果蔬儲藏環(huán)境參數(shù)的自動化遠程監(jiān)測和智能化控制光催化裝置的保鮮調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了果蔬的長時間保質(zhì)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(zhì)，對果蔬行業(yè)的發(fā)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(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(S202110537051)； 湖南省農(nóng)機裝備創(chuàng)新研發(fā)項目(湘財農(nóng)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(xué)本科，主要研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)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(shè)備研究。

責(zé)任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立