基于物联网的智慧烟叶数据采集与控制系统

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为推进烟叶生产信息化、智慧化同向发展,本课题基于“宁安智慧烟叶平台系统”项目,设计了一套基于物联网(Internet of Things,IoT)的智慧烟叶数据采集与控制系统(以下简称智慧烟叶系统),对烟草农业全流程生产过程进行数据采集,最终形成烟草农业大数据,并基于实时及历史数据实现生产环节的自动控制。主要研究内容及工作如下:

(1)设计了用于各生产流程的数据采集终端。为解决烤房内高温高湿环境下弱光成像的问题,设计了一款可在高温高湿环境下使用的专用摄像头。采用半导体制冷及加热装置调控温度,采用LED(Light Emitting Diode)阵列光源及亚克力透光材料实现平面补光,设计了专用的结构解决热传导及镜片防雾问题。图像数据可通过4G模块传送到服务器,也可通过RS485总线传送到本地接收端或中继器。为了实时监测烘烤过程中烟叶内部水分变化,设计了烟叶含水率采集装置,通过分析水分与重量变化的关系,构建状态方程与测量方程,采用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法对烟叶内部含水率进行状态估计。

(2)设计了适用于农业现场的多网融合物联网系统。采用LoRa(Long Range Radio)及WiFi(Wireless Fidelity)构建了现场局域网(Local Area Network,LAN),通过4G模块、路由器和交换机实现与服务器的连接,确保在任一种网络出现故障的情况下,数据采集及实时控制功能均能可靠运行。在通用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)协议的基础上,参照TCP(Transmission Control Protocol)通信协议的标准,设计了一个基于MQTT的图像数据传输协议,利用事件上报的形式完成图像数据的分包上传。相关物联网系统及数据采集终端在黑龙江省牡丹江市进行了现场实施及应用功能测试,大棚育苗、烟田管理及烟叶烘烤环节的数据采集及实时控制功能均能可靠实现,初步完成智慧烟叶生产系统的构建。

智慧烟叶系统可实现烟叶生产过程的数据采集,技术人员可根据相关数据实现远程参数调节及自动控制,减少人员工作量。数据累积可构成烟叶生产大数据,可进一步作数据处理与挖掘,利用AI(Artificial Intelligence)赋能烟叶生产,提高当前烟草农业的技术水平。

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