初烟仓储管理温湿度监测系统研究
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摘要：采用新型温湿度采集器对烟垛内温湿度数据进行自动采集，通过无线传输、协议解析，建立温度模型分析确定数据采集点，并通过无线组网方式建立一套完整的初烟实时温湿度监测系统平台，形成一套集烟垛内温湿度数据存储、分析、预警等功能为一体的监测预警系统。
关键词：温度场；初烟仓储管理；温湿度监测系统；无线采集；温度模型 文献标识码：A
中图分类号：TP277 文章编号：1009-2374（2016）09-0059-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.09.028
烟叶在投入生产前有一段仓储时期，期间内若管理不好，烟叶将会发生霉变、自燃等质变产生，无形受损变质，而引起的原因很多，但是温度和湿度是重要的因素。初烟仓储管理过程中，对垛内温度、湿度的监测和控制是一个重要的环节。传统的方法是采用金属探头进行对烟垛内的温度、湿度进行采集、收集、记录，周期一般比较长，大部分复烤厂一周一次到一月一次不等，有要求高的一天检测记录一次，但也无法做到实时、方便、快捷地对每个烟垛进行监测和管理。而基于温湿度采集器的初烟养护监测系统平台的研究就是针对这一情况而研发的一套监测管理系统。
温湿度监测系统是利用垛内无线传输自校验温度采集器主动采集上报温度数据包穿透至垛外，现场中继采集设备将数据包接收并发送至IE网关管理中心，与温湿度监测软件建立连接，软件界面显示采集点位温度数值、温度曲线、超温报警等功能，实现软件、硬件组成烟垛温湿度监测网关系统平台和综合信息软件平台。
1 系统方案思路
（1）论证数据采集点位置；（2）温湿度监测系统的构成。主要由温湿度传感及解码模块、无线收发射模块、数字报警模块、ITU软件等组成。温湿传感模块主要实现对外界温湿度信息进行采集编解码，无线收发射模块与中继收发器进行数据交换并将数据信息传输至IE智能网关至监测平台，ITU软件温度数据超过设定值，数字报警模块下发报警指令，如图1所示：
图1 系统构成总体框图
2 方案论证
2.1 温湿度采集点确立的论证过程及设备、材料
2.1.1 论证步骤：步骤一：准备3堆垛标准存储烟包；步骤二：采用普通热敏电阻温度探头的测试实验确定温度场；步骤三：根据温度场确定温湿度采集点的数量和位置；步骤四：采用新型温湿度采集器搭建系统平台监测。
2.1.2 实验的设备及材料：货场烟垛3垛（现场垛号0292、0293、0402），热敏电阻测温探头1500只（每个都编号，便于测试分析），测温仪器3个，电脑3台，服务器1台，新型温湿度采集器若干，网关2套，中继收发器若干，其他材料电线、电缆若干。
2.2 温度场模型建立
2.2.1 各测试点探头唯一编码。
2.2.2 规范化堆码烟包：为了数据的真实性和可分析性，现场选取3个烟垛进行试验，每包烟包的规格大约是长×宽×高=950mm×600mm×250mm，烟垛支撑平台为4000mm×8000mm，每个烟垛堆码均为600包烟包，为确保实测数据的准确性，需对烟包各层的堆码进行唯一
编码。
2.3 烟垛内模拟温度测试点分布
测试装置由热敏电阻及导线构成，600包烟分别安置于单个烟包中心部位。
2.4 结果及分析
数据采集分为两次：第一次为烟垛密封完好以后进行；第二次为第一次测试结束60天后。以0293为例：
60天前0293烟垛层间 60天后0293号烟垛内
温度曲线图 层间平均温度曲线图
图2
结论分析：
2.4.1 由于受气候温度影响，外表温度高于内部温度，光照射面温度高于背光温度，除表层烟包受天气气温影响的因素，内部烟包较高温区主要分布于3～9层，受阳光照射层温度偏高。
2.4.2 从数据分析来看，上层受阳光直射处温度明显高于未照射处，当烟包摆放1～2周后，烟垛内温度趋于一致（除上层烟包受阳光照射温度高外），根据总数据得出，温度采集器放置于第6层、第9层的中心位置较佳。
原因有：（1）从第二次测量出的数据显示，6层平均温度相对较低，且位于烟垛中心部位，其层中烟包是最不受控制；（2）9层是受外界影响温度转变层，其层温度相差（除烟包温度）较大，相差3.8℃。
2.4.3 每垛烟中，烟包的堆放成金字塔形分布，最底层到最顶层烟包数量隔层逐层递减，每层除去边上烟包（边上烟包受外界环境因素影响最大）外，内部的烟包一般都是分布在从第二层开始到第九层，共8层，每包烟包的规格大约是长×宽×高=950mm×600mm×250mm，烟垛支撑平台为4000mm×8000mm，也就是说内部烟包的摆放是在从第2层开始到第9层之间的大约长6m、宽2m、高2m的一个空间区域范围内。
3 新型温湿度采集器设计
采用高精度唯一ID自校验温湿度采集器对烟垛内各个设定点进行温湿度监测，分别放置烟垛内的温度偏高核心区域，通过无线收发方式（2.450MHz）将带有ID及温、湿度的数据包经Zigbee网络传输至智能网关。采集器为一种防护等级IP68的密封自校验温、温湿度传感器，采温面为不锈钢片，加装了二维识别码，其余为抗摔耐压塑料。内置集成式自校验温度传感器由变送器、Zigbee信号发送器、高能电池、专用天线等集成。
4 新型温湿度采集器系统软件结构设计
4.1 采集模式设计
结合复烤企业现场测试流程及管理，设计出仓储管理温湿度监测平台模式如图3所示：
图3 温湿度监测系统原理模式
4.2 软件设计
自动完成烟垛中的温、湿度数据收集、数据处理、数据主动上载与物联网对接，在监控中心内通过物联网和计算机网络相结合，利用计算机软件技术对采集器上报的温、湿度数据进行存储、监测、显示、预警。
4.3 趋势曲线
将被监视点的多个数据记录以曲线图或文本的形式显示，并存档于数据库内，其数据库可被办公应用软件兼容。
4.3.1 在软件界面上点击每个烟堆垛后出现温、湿度曲线界面，可以实时监控每天的温、湿度变化，也可以查询历史温度、湿度数据。
4.3.2 用户可根据历史数据针对当前温、湿度变化趋势，排除外界温度影响后如温度、湿度趋势是逐渐增长的，可断定垛内霉变发生，应立即进行翻垛处理防止霉变。
4.4 库存变动记录
以文本的形式，显示库存使用与需求情况。
4.4.1 文本存档于数据库内，其数据库可被办公应用软件兼容。
4.4.2 可以在软件界面上表述出来，例如烟叶的入库时间、品级、保管负责人等信息等。
4.4.3 确保用户能够及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存，有利于提高仓库管理的工作效率。
4.5 ITU监测软件设计
实现功能包括数据包验证、解析、下发指令、ID分组、数据存储、数值显示、曲线及报表生成、预警判别等功能。
界面设计：软件界面采取金字塔设计方式，由一级区域界面、二级区域界面、数据显示界面、数据分析界面等组成。
图4
一级区域界面：显示整个堆场监测的区域点；二级区域界面：显示一级区域点烟垛及编号分布情况；数据显示界面：显示单垛监测点的实时温湿度值；数据分析界面：被监视点的数据生成K线图并保存、显示，可实时监控监测点温湿度值及能耗值的变化。用户可根据温度、湿度值的变化趋势来断定垛内霉变的发生，及时进行翻垛处理措施防止霉变。
5 实验结果综合分析
（1）根据温度场实验得出每个烟垛的温湿度采集器不少于5个，均分布于每垛第5至第6层之间，或者放置不少于6个，每垛第4层和第7层，每层3个；（2）最终形成的初烟仓储管理温湿度采集系统平台的结构模式如下：管理PC数据服务器TCP数据网关Zigbee温湿度采集器。
6 研究结论
6.1 初烟养护温湿度监测系统研究成功的意义
初烟养护温湿度监测系统研究的成功是无线信号采集传输在烟草行业生产实践中的重大应用，这是目前国内外初烟养护监测技术上的首次突破，代替传统行业人工监测，实现自动化管理，在设备成本、人力投入方面大大降低，更能方便、快捷、实时地反映初烟烟堆内部温湿度的变化情况，方便管理人员监测和管理，并对出现的情况做出相应的应对之策。
6.2 系统的先进性及创新点
6.2.1 研发成功了自校验温湿度采集器，引入了Zigbee无线信号传输技术，替代有线布网方式，增强了组网的多样性、灵活性及可扩展性。
6.2.2 数据传输的排队理论应用，使得自校验温度采集器具有自动休眠功能，既解决了网络传输数据量大而引起网络堵塞问题，又解决了自校验温、湿度采集器长时间工作的功耗问题。
6.2.3 实时监测超限预警，使管理者能及时、准确地锁定库区内温度、湿度异常的烟垛位置，便于及时
处理。
6.2.4 大容量数据处理和存储能力，多种趋势分析方式，不仅可实时掌握烟垛状态，而且可提前预测烟垛内温湿度走势；进行高效、准确的数据采集，提高作业效率及管理能力。
6.2.5 大容量数据处理和存储能力，多种趋势分析方式不仅可实时掌握烟垛状态，而且可提前预测烟垛内温湿度走势。
6.2.6 高效、准确的数据采集，提高作业效率及管理能力。
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作者简介：张孝刚，男，云南弥勒人，云南烟叶复烤有限责任公司工程师，研究方向：技术管理。