劉福強 雷峻皓 張姣

1、銅仁職業(yè)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(xiāng)居民特別是農(nóng)村居民的相對貧困問題。推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興是解決農(nóng)村相對貧困的必然選擇，而產(chǎn)業(yè)振興是鄉(xiāng)村振興的核心動力。在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中一直都占據(jù)著重要地位的茶產(chǎn)業(yè)的振興，對于實現(xiàn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)振興，助推鄉(xiāng)村振興具有積極意義。

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017~2020年間，我國已成為全球最大的種茶國和產(chǎn)茶國。但同時，占農(nóng)作物種植面積1.83%的茶葉市場成交額僅占農(nóng)產(chǎn)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(chǎn)品質量普遍不高且參差不齊、茶葉產(chǎn)業(yè)集群化程度不高[1]、茶葉生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍不大、茶葉生產(chǎn)成本過高等。其中茶葉產(chǎn)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(chǎn)品質量的眾多因素中，茶葉生產(chǎn)設備落后是一個重要原因。

近年來，各茶葉生產(chǎn)企業(yè)越來越重視提高茶葉生產(chǎn)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(fā)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(nóng)業(yè)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(tǒng)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(shù)優(yōu)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(tǒng)[9]，付磊提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PID溫度控制系統(tǒng)[10]，張士康提出了“智慧樹”概念[11]。

調研表明，企業(yè)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(tǒng)研究和設計較為缺乏。

鑒于此，筆者采用基于CPS的系統(tǒng)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(tǒng)。

1 CPS概述

CPS（Cyber-Physical System，信息物理系統(tǒng)）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(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)。它通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。其本質是由信息空間和物理空間的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行的數(shù)據(jù)自動流動閉環(huán)系統(tǒng)[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(tǒng)設計

2.1 茶葉加工工藝流程

不同種類茶產(chǎn)品的加工工藝各有不同。本文以產(chǎn)量最大的茶產(chǎn)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(chǎn)品檢測入庫

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)需要實現(xiàn)功能包括：對茶青原料、茶葉產(chǎn)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(shù)的實時監(jiān)控與調整，對茶葉生產(chǎn)各種歷史數(shù)據(jù)的綜合分析和管理等。

2.2 基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設計

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設計的基本思路是通過搭建無線傳感網(wǎng)絡，將各工藝環(huán)節(jié)予以聯(lián)通，使用無線感知模塊實時采集茶葉加工過程的工藝參數(shù)，由生產(chǎn)管理中心對工藝參數(shù)進行監(jiān)控、分析、異常反饋與控制。

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)的架構圖如圖2所示。

圖2 基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)架構圖

2.2.1 系統(tǒng)物理執(zhí)行層設計

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)物理執(zhí)行層需要執(zhí)行各工藝子系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡模型構建數(shù)據(jù)感知采集單元。

無線傳感網(wǎng)絡（WSN）是由眾多的節(jié)點組成的網(wǎng)絡模型，包括數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)收發(fā)匯聚、主干網(wǎng)絡管理等節(jié)點[14]。其模型如下：

圖3 無線傳感網(wǎng)絡模型

數(shù)據(jù)的感知模塊主要采用以下4類技術：數(shù)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(shù)量感知采用基于以太網(wǎng)的PLC數(shù)據(jù)采集技術，智能設備關鍵參數(shù)的在線采集技術。

指令執(zhí)行模塊的構建是基于原有執(zhí)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(tǒng)網(wǎng)絡傳輸層的設計

網(wǎng)絡傳輸層負責完成數(shù)據(jù)的在線傳輸，一般包括存儲媒介傳輸、總線傳輸和網(wǎng)絡傳輸?shù)确绞?。根?jù)各種在線傳輸?shù)奶攸c和茶葉加工現(xiàn)場環(huán)境較為復雜、網(wǎng)絡需要覆蓋的面積較大、數(shù)據(jù)的采集需求差異性較大的特點本系統(tǒng)中采用異構網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線傳輸。

2.2.3 系統(tǒng)應用服務層設計

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

在本系統(tǒng)中，采用通用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)對封裝后數(shù)據(jù)的接收和傳輸。數(shù)據(jù)的解析包括對封裝數(shù)據(jù)的結構（頭幀、尾幀、校驗位）判斷、數(shù)據(jù)解析和指定存儲區(qū)域（數(shù)據(jù)庫的不同區(qū)域）。

數(shù)據(jù)庫以源數(shù)據(jù)的類型進行區(qū)分。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設計中，不同來源的數(shù)據(jù)以包含不同ParamID的字段來進行區(qū)分，每一種類型的數(shù)據(jù)都用兩張表格來進行記錄與維護：一張用于記錄該數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)，該表只保留最新接收的數(shù)據(jù)，表中原有數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)覆蓋替換；另一張表用于記錄該數(shù)據(jù)的所有歷史數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)在原表中追加。為保證數(shù)據(jù)的真實可靠，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)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(xiàn)。

系統(tǒng)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(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)庫訪問層。

系統(tǒng)的算法服務平臺采用基于RPC架構算法設計。為提高系統(tǒng)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(tǒng)像調用本地服務一樣調用遠程服務，跨平臺性能良好。系統(tǒng)算法接口采用Java語言來實現(xiàn)DH-Elman神經(jīng)網(wǎng)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(tǒng)跨平臺性能。

3 結語

本文基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設計，是基于茶葉加工生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)實需求，通過信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，有效改變了茶葉加工企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程控制的管理智能化、監(jiān)督控制實時化，能夠實現(xiàn)企業(yè)資源的有效整合和靈活配置，提高了茶葉加工企業(yè)生產(chǎn)的柔性，且系統(tǒng)具有較好的兼容性和擴展性，為茶葉加工企業(yè)的技術升級和產(chǎn)品創(chuàng)新提供了一種可行的途徑。