张保全 张波 张瑞亚 马留军 郑登峰 曹廷茂 刘琼 吴飞跃

摘 要：为进一步优化传统密集烘烤技术，增加烘烤安全性、稳定性、方便性，笔者引入基于物联网设计的一种温湿度实时监测系统，采用串联方式将其安装于烤房中，实时监测烘烤过程中的温湿度并将数据传送至后台，用户可根据其与设定值的对比对烘烤过程进行精准调控。试验通过对安装物联网温湿度实时监测系统的密集烤房与传统密集烤房烘烤过程中温湿度的变化和烤后烟叶外观质量进行对比分析，结果表明，安装物联网温湿度实时监测系统的烤房干湿球温度变化的稳定性及烤后烟叶外观质量均优于传统烤房，说明该系统对提高烘烤的稳定性和安全性以及改善烟叶质量具有促进作用。

关键词：烤房；温度；湿度；物联网；烟叶质量

中图分类号：S572 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.10.015

Abstract： To further optimize the traditional bulk curing technology and increase the safety， stability and convenience of baking， a real-time temperature and humidity monitoring system based on the internet of things were introduced， and installed in a roasting room by series method. The system could monitor the temperature and humidity in the tobacco leaf baking process in real time and send the data to the background， which users could accurately control the baking process according to the comparison with the set values. The contrastive experiment was conducted to compare the internet of things barn and traditional bulk curing barn， and the contrastive indices included the changes of temperature and humidity during the curing process and appearance quality of tobacco leaves after roasting. The results showed that the stability of drying and wetting bulb temperature， and also the appearance quality of flue-cured tobacco leaves in the curing barn with real-time temperature and humidity monitoring system was better than the traditional curing barn， indicating that the system could enhance the stability and safety of baking， and improve the quality of tobacco leaves.

Key words： flue-curing barn； temperature； humility； internet of things； tobacco quality

煙叶是一种经济作物，其质量优劣决定着烟农收益，而烘烤环境的动态变化与烟叶生理生化变化关系密切，通过影响酶活性改变烟叶的品质和质量[1-3]。传统烘烤是通过人工不定时对控制器进行调节，以达到控制密集烤房温湿度变化的目的，其难以实现对温湿度的及时准确控制[4]。随着通信技术的发展，目前无线通信技术在农业生产上运用的已经较多[5-11]，在烟叶生产上也有一定的应用。谢守勇等[12]通过GPRS网络，利用点对点等方式对烤房温湿度数据实现远程传送，为智能化烘烤提供了基础；刘志壮等[13]利用RS485总线网络设计，以上位机和下位机对烘烤过程中的温湿度进行远程监控及调控，解决了不同地域和时间的烟叶烘烤的需要；王桂梅等[14]通过对密集烤房的控制仪进行改造，控制助燃风机和循环风机等，达到对温湿度的调控，提高了烟叶烘烤质量；刘军等[15]通过在原有烤房的基础上进行改造，增加了智能温度控制系统，能在根据原有工艺实时调整，实现对烘烤工艺的精准控制。这些烘烤应用的无线技术均能达到智能控制的目的，但存在安装复杂、造价维护较贵等问题，在实际生产中不能很好地推广。

本研究以上述技术为基础构建了以单片机、电源模块和GPRS远程通信模块组成的设备，在无需改造烤房的情况下，采用串联式安装方式，实现了“物联网”和“大数据”的管理模式，使“云计算”和烟叶烘烤完美结合，提高了对烘烤温湿度控制的精度和烘烤质量，降低了劳动强度。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试烟叶品种为K326。试验田土壤肥力中等，田间管理按优质烟叶栽培生产技术进行，选取正常落黄、成熟度一致中部叶（10～12叶位）为试验材料。烤房为气流上升式烤房，烤房规格为8.0 m×2.7 m，装烟3层。

1.2 物联网设备介绍

1.2.1 设备内部构造及安装 本系统由单片机STM800L、电源模块和GPRS远程通信模块3个部分组成（设备引自西南大学）。其中，单片机和烤房控制仪同步采集干湿球温度计的温湿度数据，再通过GPRS模块将数据远程发送回信息平台，供用户实时查询烘烤的干湿球温度变化，及时调整烘烤工艺；电源模块和密集烤房控制器的电源接在一起，为单片机和GPRS模块运行供电（图1）。

本系统的数据采集器采用串联式安装方式（图2），兼容国内大多数厂家的控制仪，无需更换控制仪或改造烤房，即插即用，安装简单、兼容性强、无人值守、信号强大、传输稳定、安装和维护都很简单。

1.2.2 物联网设备的系统结构 烟叶烘烤物联网管理系统将每座烤房的温湿度数据通过GPRS网络远程传输回服务器，用“物联网”和“大数据”的管理模式取代了传统模式，实现了“云计算”和烟叶烘烤的完美结合。传回的数据存储在后台服务器，用户可用手机和电脑实时查询，反馈到后台实时数据低于或高于设定温湿度值，后台系统会通过短信的方式在5 min以内通知到用户，系统结构如图3所示。

1.3 试验处理

试验于2017年在云南省曲靖市罗平县羊者窝烘烤工厂进行。试验设2个处理：T1，传统的密集烤房；T2，安装物联网的密集烤房。2种装烟方式的烤房按标准方式进行装烟，其装烟量均为3 000 kg，每个处理的烤房分别装烟3座作为3个重复，烘烤工艺均按照行业标准三段式烘烤工艺进行烘烤[16]。

1.4 测定项目及方法

烘烤过程中烤房内温湿度的变化情况，物联网烤房通过后台数据进行监测和记录，而传统的密集烤房通过密集烤房控制器进行监测和记录，每处理的三座烤房结果取平均值。根据国家烤烟分级标准GB 2635—1992，由专业分级技术资质人员对烤烟颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分、色度等外观品质因素进行打分，结果取平均值。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010和SigmaPlot 12.5软件对数据进行统计和作图。

2 结果与分析

2.1 不同烤房烘烤温湿度状况

物联网烤房远程监测温湿度是每隔5 min发送1次数据至后台，后台根据数据与设定值自动比较，与设定值差别较大时，通过手机短信的方式及时反馈到农户手机以便及时调整工艺。为研究安装物联网密集烤房的温湿度情况，对烟叶烘烤过程变黄期、定色期以及干筋期的温湿度状况进行分析（图4～6）。结果表明，在变黄期，传统密集烤房的干球温度呈现忽高忽低的趋势，变化不稳定，而采用“物联网”的烤房，其干球温度变化较为稳定，升温稳温准确而持续；2个处理的湿温变化较为一致。在定色期，T1处理干温呈现出极不稳定的趋势，出现了降温现象且降温持续时间较长（85～90 h），而T2处理烤房变化较为稳定，也出现了降温现象但持续时间较短（95～97 h）；2个处理的湿温变化较为一致。在干筋期，与T2处理烤房相比，T1干温出现了2次降温现象且持续时间较长（139～143 h、151～157 h），2个处理湿温的变化较为一致。综合而言，T1处理的烤房在整体烘烤过程中，干温变化较不稳定，在某时刻容易出现降温且时间持续较长的问题，极易造成烟叶出现挂灰等杂色问题影响烘烤质量，安装物联网的烤房对温湿度进行实时监测，有利于对温度准确控制，确保烘烤的安全性。

2.2 不同烤房烘烤后烟叶外观质量对比

由表1可知，不同处理的烤房烤后烟叶外观质量存在差别。与T1处理烤房相比，T2处理烤房烤后烟叶的颜色以桔黄-柠檬黄为主，烟叶组织结构疏松，油分多且色度强；2个处理烤后烟叶的成熟度、身份无差异。T2处理烤房在烘烤过程中其干球温度变化较为平稳，烟叶失水与变黄较为协调，烟叶的外观质量较优，说明安裝物联网的烤房对烤后烟叶外观质量的形成具有一定的促进作用。

3 讨论与结论

物联网设备在原有烤房的基础上，通过串联的方式与烤房内的温湿度传感器连接，无需其他配套设备。在开始烘烤后通过GPRS模块每隔5 min发送1次数据至后台数据库，并将数据存储在数据库，用户可通过扫描二维码或登录http网址使用手机和电脑实时查询，下载数据，反馈到后台的数据再与密集烤房设定温湿度值进行简单对比，超过或低于设定值时，后台系统会通过短信的方式在5 min以内通知到用户，方便了烘烤操作人员对烘烤情况及时控制。物联网在烟叶烘烤中的应用极大地方便了烘烤人员的管理，对提升烘烤操作具有一定的改善作用[17]。

本研究通过试验对比分析，安装物联网的烤房在烘烤变黄期、定色期及干筋期干球温度变化较为稳定，未出现大幅度、长时间降温及升温的现象，这与实时监测及时控制有关；在此监测下，烤后烟叶的外观质量优于传统的密集烤房，这与烘烤环境的稳定关系密切。综合说明物联网在烟叶烘烤中的应用提高了烟叶的烘烤质量，增加了烘烤的安全性。

参考文献：

[1]李富强， 宋朝鹏， 宫长荣， 等. 烤烟烘烤环境条件对烟叶品质影响研究进展[J]. 中国烟草学报， 2007（4）： 70-74.

[2]宫长荣， 袁红涛， 陈江华. 烘烤过程中环境湿度和烟叶水分与淀粉代谢动态[J]. 中国农业科学， 2003（2）： 155-158.

[3]王能如， 徐增汉， 尹永强， 等. 烤烟烘烤温湿度与相关酶活性关系的研究进展[J]. 广东农业科学， 2013， 40（19）： 14-16.

[4]蔡剑华， 熊锐， 黄国玉. 基于无线传输的烤房温湿度远程监测系统[J]. 烟草科技， 2016， 49（10） ：81-86.

[5]LI H， MIAO L， KAI Z， et al. Intelligent monitoring system for laminated henhouse based on Internet of Things[J]. Transactions of the Chinese society of agricultural engineering， 2015：210-215. [6]江凤莲， 魏龙华， 张晓梅. 基于物联网的节能型烤烟系统[J]. 赤峰学院学报（自然科学版）， 2016， 32（17）： 26-27.

[7]王胜雷， 陈顺辉， 吴祖仁， 等. 烤烟烘烤测控系统的设计与实现[J]. 农机化研究， 2007（4）： 73-75.

[8]李瑾， 郭美荣， 高亮亮. 农业物联网技术应用及创新发展策略[J]. 农业工程学报， 2015， 31（S2）： 200-209.

[9]江儒秀， 林开颜， 吴军辉， 等. 基于ZigBee技术的温室群控系统的研究与设计[J]. 上海交通大学学报（农业科学版）， 2008， 26（5）： 440-444.

[10]李志强， 黄明英， 郭华新. 基于GSM的烟叶烘烤远程监控系统设计[J]. 安徽农业科学， 2010， 38（34）： 19852-19853.

[11]余国雄， 王卫星， 谢家兴，等. 基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统[J]. 农业工程学报， 2016， 32（20）： 144-152.

[12]谢守勇， 王靖， 罗舒. 基于GPRS的烟叶烘烤温湿度远程监控系统[J]. 中国农机化学报， 2016， 37（6）： 118-121.

[13]刘志壮， 张文昭. 基于RS485总线网络的烤烟集中监控系统[J]. 吉首大学学报（自然科学版）， 2006， 27（1）： 43-46.

[14]王桂梅， 张振兴， 张令. 基于STM32的智能烤烟房温湿度控制仪的设计[J]. 中国农机化学报， 2015， 36（2）： 280-282.

[15]刘军， 马建辉， 乔伟杰， 等. 烟叶烘烤过程智能控制系统研究[J]. 河南科技大学学报（自然科学版）， 2007， 28（6）：68-70.

[16]宫长荣，周义和，杨焕文. 烤烟三段式烘烤导论[M].北京： 科学出版社， 2006.

[17]何国文. “互联网+”在烟叶专业化烘烤中的应用[J]. 农家科技旬刊， 2017（5）：264.