基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棉籽儲存溫度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了1套棉籽儲存溫度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和應(yīng)用端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端包括電阻溫度傳感器、基于CC2530開發(fā)板的采集終端模塊和協(xié)調(diào)器。服務(wù)器端為本地部署的云服務(wù)器，建立有PostgreSQL數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用端為基于ThingsBoard平臺開發(fā)的交互軟件。電阻溫度傳感器將采集到的信號發(fā)送至蜂舞協(xié)議（ZigBee）無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器通過第4代移動通信技術(shù)信號將檢測到的數(shù)據(jù)上傳至本地云服務(wù)器，訂閱用戶可在應(yīng)用終端查看溫度變化情況。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠有效地實(shí)現(xiàn)棉籽儲存溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測，可為棉籽儲存溫度監(jiān)測提供重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；棉籽儲存；溫度監(jiān)測；ZigBee；數(shù)據(jù)傳輸

Monitoring system for cottonseed storage temperature based on Internet of Things technology

Yang Xiao， Zhang Xueliang， Zhou Dongli， Zhang Yang， Shi Wenjie*

中國是世界上棉花主產(chǎn)國和最大的棉花消費(fèi)國，棉籽作為棉花的副產(chǎn)品，中國每年產(chǎn)量達(dá)上千萬噸[1]，2021年僅新疆的棉籽產(chǎn)量就達(dá)750萬t左右。棉籽的應(yīng)用價值高，進(jìn)一步加工可以得到棉籽蛋白、棉籽油、棉酚、棉籽多糖及短絨等多種產(chǎn)品，應(yīng)用前景廣闊[2]。棉花收獲和加工具有季節(jié)性，因此棉籽往往也需要在同一時間內(nèi)完成大量收購。在棉籽儲存過程中，由于棉籽本身含有豐富的油脂和蛋白質(zhì)，保存不當(dāng)容易發(fā)生霉變、發(fā)熱甚至自燃，不僅會導(dǎo)致棉籽品質(zhì)下降，造成食品安全隱患，還可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故[3]，因此棉籽的妥善儲存技術(shù)研發(fā)尤為重要?，F(xiàn)有的測溫技術(shù)常采用測溫儀手動進(jìn)行采集，存在實(shí)時監(jiān)測能力不足、系統(tǒng)集成性差、缺乏遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力等短板，因此棉籽儲存溫度的實(shí)時、準(zhǔn)確監(jiān)測成為了重要的研究方向。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things， IoT）是指通過網(wǎng)絡(luò)連接各種傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息交換和協(xié)同工作，使其能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息共享和智能化處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在智能家居、智慧城市、智能交通、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)智能化等領(lǐng)域，常見的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network， WSN）、射頻識別（radio frequency identification， RFID）、蜂舞協(xié)議（ZigBee）、無線保真（wireless fidelity， Wi-Fi）、藍(lán)牙（bluetooth）、第4代移動通信技術(shù)（fourth generation of mobile communication technology， 4G）、遠(yuǎn)距離無線電（long range radio， LoRa）等[7-13]。

ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持星型、樹型和網(wǎng)狀型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的自組網(wǎng)和自愈功能[11]，以其低功耗、低成本的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于智能家居和工業(yè)自動化領(lǐng)域。然而，ZigBee的通信距離相對較短，通常在100 m左右，且穿透能力差，應(yīng)對遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男Ч^差。4G技術(shù)則可提供更廣的覆蓋范圍和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，它基于長期演進(jìn)技術(shù)（long-term evolution， LTE）標(biāo)準(zhǔn)，能夠支持高速的數(shù)據(jù)傳輸，適用于需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊?G網(wǎng)絡(luò)的普及使得遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時數(shù)據(jù)處理成為可能，但其功耗相對較高，不適用于需要長時間運(yùn)行的低功耗設(shè)備[14-15]。ThingsBoard是開源物聯(lián)網(wǎng)平臺，能夠支持多種通信協(xié)議，包括超文本傳送協(xié)議（hypertext transfer protocol， HTTP）和消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（message queuing telemetry transport， MQTT），還支持規(guī)則鏈和組態(tài)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、搭建簡單，并且部署靈活、擴(kuò)展性好，現(xiàn)場實(shí)施也相對簡單[16]。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了1套棉籽儲存溫度監(jiān)測系統(tǒng)，為棉籽儲存提供1種高效、可靠且經(jīng)濟(jì)的溫度監(jiān)測解決方案，以保障棉籽的儲存安全[14-20]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和應(yīng)用端構(gòu)成（圖1）。數(shù)據(jù)采集端包括電阻溫度傳感器、基于CC2530開發(fā)板的采集終端模塊和協(xié)調(diào)器。服務(wù)器端為本地部署的云服務(wù)器，建立有PostgreSQL數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用端為基于ThingsBoard平臺開發(fā)的交互軟件。

采集終端模塊通過電阻溫度傳感器采集棉籽垛溫度數(shù)據(jù)，并傳送至就近的路由器，協(xié)調(diào)器匯總所有路由器數(shù)據(jù)，并通過4G信號把檢測到的數(shù)據(jù)上傳至支持MQTT協(xié)議的本地云服務(wù)器。服務(wù)器上建有PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，訂閱用戶可以在應(yīng)用終端查看溫度變化情況，并實(shí)現(xiàn)棉籽儲存溫度的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電阻測溫桿

電阻測溫桿傳感器（圖2）為MF58玻璃封裝二極管熱敏電阻，溫度范圍為－45 ℃～250 ℃，額定零功率電阻值范圍（R25）為0.1 k～1 000 kΩ，R25允許偏差范圍為±2%。MF58型高精度熱敏電阻器是一種得到廣泛應(yīng)用且精度較高的溫度傳感檢測元件[21]。測溫桿長3 m，平均分布有4個測溫點(diǎn)。使用時將測溫部分插入棉籽垛中，漏出插頭部分連接數(shù)據(jù)采集端（圖3A）。

2.2 采集終端模塊

基于CC2530單片機(jī)開發(fā)的采集終端模塊集成了模數(shù)變換器（analog-to-digital converter， AD）采樣電路、數(shù)據(jù)處理單元以及ZigBee無線傳輸功能（圖3B）。該模塊通過AD采樣電路實(shí)現(xiàn)對模擬信號的精確采集，數(shù)據(jù)處理單元則負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最后通過ZigBee無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，CC2530作為ZigBee控制電路模塊的主要控制芯片，其核心8051的特點(diǎn)是功耗低，性能好。同時具有5種工作方式、5通道DMA（direct memory access）控制器、6個定時/計(jì)數(shù)器、電池監(jiān)控器、溫度傳感器、安全協(xié)處理器和21個常用的輸入輸出（input/output， I/O）管腳。本設(shè)計(jì)中以2節(jié)1.5 V電池進(jìn)行供電，可使用時間達(dá)半年以上。圖4為該設(shè)計(jì)的線路連接示意圖。

2.3 協(xié)調(diào)器和路由器

協(xié)調(diào)器主要由供電單元、STM32H750VBT6單片機(jī)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)單元以及4G網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成（圖3C）。其中，供電單元為協(xié)調(diào)器提供穩(wěn)定可靠的電源保障；STM32H750VBT6單片機(jī)作為核心控制單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器工作流程的調(diào)度與控制，同時實(shí)現(xiàn)ZigBee和4G協(xié)議的轉(zhuǎn)換；無線單元采用先進(jìn)的無線通信技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸；而4G單元則利用成熟的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。路由器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以增加數(shù)據(jù)的通信距離。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成?；赯-Stack協(xié)議棧首先進(jìn)行各采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的ZigBee組網(wǎng)。各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊每5 s向傳感器發(fā)送符合通信規(guī)約的問詢幀，傳感器接收到正確的問詢幀后會響應(yīng)給CC2530所需的應(yīng)答幀；CC2530進(jìn)一步通過串口回調(diào)的方法獲取溫度對應(yīng)的應(yīng)答幀，并通過進(jìn)制轉(zhuǎn)換將應(yīng)答幀中的數(shù)據(jù)區(qū)提取出來，最后將數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。ZigBee網(wǎng)關(guān)匯聚其他終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以及16位短地址和接收信號強(qiáng)度指示器（received signal strength indicator， RSSI）信號強(qiáng)度；并將這些數(shù)據(jù)格式化為JSON（javascript object notation）數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送給4G模塊。4G模塊在進(jìn)行路由配置后會自動通過MQTT協(xié)議連接到服務(wù)器上，推送串口接收到的數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

3.2 溫度的計(jì)算

數(shù)據(jù)端從電阻測溫桿采集到的為模擬量Rt，需要通過上位機(jī)進(jìn)行換算，溫度計(jì)算公式：

Rt＝R×EXP[B×（■－■）] 。 " "（1）

式中：T1和T2指的是開爾文溫度，T1為待求的測溫點(diǎn)溫度，T2的值為（273.15＋25） K，對標(biāo)為25 ℃的常溫；Rt是熱敏電阻在T1溫度下的電阻值；R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱電阻值，R＝100 kΩ；EXP是e的n次方；B是熱敏電阻的材料系數(shù)，B值越大溫度敏感指數(shù)越大，溫度曲線越陡，熱敏電阻越靈敏，屬于熱敏電阻的重要參數(shù)，一般廠家手冊會寫明，本研究所用的mf58熱敏電阻的B值為3 950 K。

通過轉(zhuǎn)換可以得到溫度T1與電阻Rt的關(guān)系式：

T1＝1/（■＋■）。 " " " （2）

3.3 基于ThingsBoard的交互頁面開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)對棉籽垛溫度的實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，在本設(shè)計(jì)中，服務(wù)器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將其儲存于PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，確保數(shù)據(jù)的持久化與安全性。隨后，結(jié)合ThingsBoard強(qiáng)大的可視化功能，開發(fā)了應(yīng)用端界面（圖5），為用戶提供直觀、友好的操作體驗(yàn)。通過該界面，用戶不僅能夠?qū)崟r查看棉籽垛的溫度數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步利用ThingsBoard的數(shù)據(jù)分析功能對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對棉籽儲存環(huán)境的精準(zhǔn)管理與優(yōu)化。

4 檢測效果驗(yàn)證

針對上述開發(fā)的硬件及軟件產(chǎn)品進(jìn)行多輪測試，主要測試其數(shù)據(jù)采集、傳輸穩(wěn)定性和整體的應(yīng)用效果。

4.1 傳輸穩(wěn)定性測試

4G模塊進(jìn)行不同距離的信號傳輸測試，在無障礙情況下以及有建筑阻擋的情況下分別測試相隔50 m、100 m、200 m的信號傳輸效果，在以上距離分別發(fā)送100個數(shù)，測試結(jié)果見表1?？梢姡?G信號能夠進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸。

4.2 棉籽儲存溫度測試數(shù)據(jù)及其應(yīng)用

同時對不同儲存位置的棉籽進(jìn)行溫度監(jiān)測，可以讀取到每個監(jiān)測點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度值，結(jié)果示例見表2。把測溫桿與棉籽儲存位置相對應(yīng)，就可以很方便地找到溫度升高的棉籽位置，并采取相應(yīng)措施。

4.3 測溫效果展示效果

不同測溫點(diǎn)的溫度歷史數(shù)據(jù)保存在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中，通過關(guān)鍵字的查詢可以查看不同儲存位置棉籽垛內(nèi)的溫度變化曲線，示例見圖6。

5 結(jié)論

本研究基于溫度傳感器、ZigBee、4G及ThingsBoard平臺，設(shè)計(jì)了1套高效的棉籽儲存溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過部署溫度傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集與傳輸，利用ZigBee技術(shù)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷凸?，?G網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)距離、高速傳輸能力，并通過ThingsBoard平臺增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理與用戶交互體驗(yàn)。通過測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，克服了現(xiàn)有測溫技術(shù)實(shí)時監(jiān)測能力不足、系統(tǒng)集成性差、缺乏遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力等缺陷，提高了棉籽儲存溫度管理的自動化水平，可為棉籽的安全儲存提供保障。

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（責(zé)任編輯：楊子山" " 責(zé)任校對：秦凡）

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中國棉花 · 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棉籽儲存溫度監(jiān)測系統(tǒng) · 2024， 51（7）：48－53

https：//doi.org/10.11963/cc20240044

收稿日期：2024-03-11" " " " "第一作者簡介：楊嘯，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)樵诰€檢測、機(jī)器視覺，2289186476@qq.com。*通信作者：石文杰，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)、儀器儀表工業(yè)、化學(xué)，shiwenjiekey@126.com