◎ 郭亞麗，程 科，周 娜，謝 健，邵秋雨，宋少云，戴智華，王 彪，牛家鐸

（1.國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430079；2.武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430023；3.衢州市庫米賽諾糧食機械制造有限公司，浙江 衢州 324000）

在稻谷加工過程中，由于無法及時根據(jù)生產(chǎn)狀況對加工設(shè)備進行實時調(diào)節(jié)等原因，導(dǎo)致出米率只能達到在65%左右，這造成了很大的浪費[1-2]。如何減少調(diào)整操作的所用時間，減少因主觀判斷造成的誤差，提高碾米機的加工效率是急需解決的問題。

為解決上述問題，路志明等[3]設(shè)計了一款光電檢測碾米機性能的在線檢測系統(tǒng)，華欽等[1]設(shè)計了一款以PLC控制為主的碾米機精度智能控制系統(tǒng)，印錦政等[4]對米機自動壓坨技術(shù)進行了探討。上述研究使得碾米機的自動化技術(shù)取得了一定的成果，但對基于云端的碾米機智能化改造的研究還尚未見報道。

本文對基于云端的碾米機智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究，取得了初步結(jié)果，下文將闡述本文提出的基于云端的碾米機智能監(jiān)控系統(tǒng)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)研究進展進行說明。

1 基于云端的碾米機智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺[5-6]，再結(jié)合碾米機監(jiān)控系統(tǒng)的需求，得到基于云端的碾米機智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 云端碾米機智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

在碾米機監(jiān)控區(qū)域安裝測報主控站點，在進料口安裝測進口流量的傳感器；在碾白室安裝溫度、壓力傳感器以及測主電機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器；在噴風(fēng)裝置以及吸糠裝置中安裝風(fēng)壓檢測傳感器；在出料口安裝出口壓力傳感器以及檢測裝置對加工產(chǎn)品進行檢測。然后將采集到的各種類型感知層信息按照云平臺的數(shù)據(jù)格式進行封裝，通過傳輸協(xié)議上傳到云平臺，云服務(wù)器對傳來的實時數(shù)據(jù)進行儲存以及分析，在用戶端進行顯示，并形成決策信息，即對碾米機各部分的控制信息，最終將決策信息傳遞回工業(yè)現(xiàn)場對各部分設(shè)備進行精細化調(diào)制，使加工工藝達到預(yù)期。

智能碾米控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，其依據(jù)碾米機加工工藝效果對碾米機的控制要素進行調(diào)整。直接影響碾米加工工藝效果的控制元素為碾米機的控制要素，對控制要素的調(diào)整與碾米工藝效果之間有著高度的輸入輸出關(guān)系，碾米機的控制要素為碾米壓力，工藝效果主要為碾磨程度和加工精度[7]。下文主要對碾米機出口壓力部分的智能化控制進行詳細闡述。碾米機出口壓力的智能化控制系統(tǒng)主要包括測控平臺的硬件搭建、軟件設(shè)計以及云端開發(fā)3個部分，其拓撲圖如圖2所示。

該智能碾米系統(tǒng)即為一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，通過從碾米機的出料口部分抽取樣品，在檢測平臺進行檢測獲取稻米品質(zhì)的信息，將實際檢測得數(shù)據(jù)通過通信系統(tǒng)傳給中心云平臺對采集信息進行儲存以及分析處理，然后將分析結(jié)果傳遞給控制系統(tǒng)，對碾米機出口壓力進行精細化調(diào)整。

2 工業(yè)現(xiàn)場測控平臺的硬件設(shè)計

硬件平臺的搭建是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及發(fā)送，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線進行收發(fā)，然后根據(jù)MQTT協(xié)議實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的上云。下面主要闡述其中的基于出口壓力的監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方式（圖3）。該監(jiān)控系統(tǒng)包括取樣裝置、米粒分離裝置、圖像采集裝置和出料口壓力控制裝置。

2.1 取樣裝置

在智能檢測系統(tǒng)中，取樣部分的取樣過程必須自動完成，不能使用人工操作，因此取樣裝置采用電動推桿直驅(qū)物料承接槽，利用控制系統(tǒng)在相同的時間間隔內(nèi)，使電動推桿驅(qū)動承接槽伸入出料口進行取樣，并將樣品送至傳送帶檢測平臺。

2.2 米粒分離裝置

取樣裝置取出來的樣品一般為堆狀，所以在圖像采集裝置和取樣裝置之間設(shè)置米粒分離裝置。米粒分離裝置采用3個滾刷依次排列，并與傳送帶之間保持著逐漸減小的間隙，米粒行進到滾刷與傳送帶之間的間隙時被逐漸鋪平，最終成單層米粒平鋪在傳送帶上并被運送到圖像采集區(qū)域。

2.3 圖像采集裝置

為從傳輸帶上捕獲圖像，獲取碾米機加工工藝效果，設(shè)置了圖像采集裝置。該裝置使用了一個彩色攝像機，一臺用于顯示圖像的個人計算機以及一個照明系統(tǒng)。

2.4 出料口壓力控制裝置

在碾米機的傳統(tǒng)設(shè)計中，機器的出口部分的壓力由杠桿和配重機構(gòu)手動調(diào)節(jié)。但在智能檢測系統(tǒng)中，出口部分的壓力調(diào)節(jié)必須自動完成，不能使用人工操作。因此，將出料口壓力控制擋板的操作桿通過聯(lián)軸器與步進電機連接，通過步進電機控制擋板的開度達到控制出口壓力的目的。

3 工業(yè)現(xiàn)場測控平臺的軟件設(shè)計

本文闡述了基于碾米機出口壓力的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。出口壓力的采集主要由壓力傳感器完成，碾米工藝效果的采集由智能檢測系統(tǒng)完成。

智能檢測系統(tǒng)通過攝像頭對取出來的樣品進行拍照，然后通過算法將圖片信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，進行傳遞。圖像處理算法是在Anaconda軟件的Python和Opencv中開發(fā)的，該算法的運算順序如下。①在尺寸和顏色深度沒有任何變化的情況下，對每幅圖像進行裁剪，以忽略失真的可能影響。②將裁剪后的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像進行強度分析。通過基于強度因子設(shè)置閾值，將內(nèi)核與背景區(qū)分開來[8]。③使用局部閾值的大津算法將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值化圖像，接著形態(tài)學(xué)去噪，開運算去噪。④得出圖像的強度分析結(jié)果和每顆米粒的數(shù)量和面積。圖像經(jīng)過初步處理后的示例如圖4、圖5所示。兩個定性指標，即碾磨度（Degree of Milling，DOM）和碎米率（Broken Rice Rate，BRR）被認為是測定稻米品質(zhì)的主要指標。DOM的值是通過計算每幅圖像中核強度的平均值得到的，而碎米率（BRR）則是通過計算每顆米粒的面積與碎米設(shè)定值的比較得到的。

圖4 米粒圖像的灰度化圖

圖5 米粒圖像的二值化圖

將圖片處理過得到的碾白度以及碎米率和壓力傳感器采集到的出口壓力通過串口和傳輸協(xié)議傳遞到Labview以及云端進行顯示，在云端建立數(shù)據(jù)庫并進行預(yù)設(shè)置，將現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)傳遞到云平臺進行儲存，建立數(shù)學(xué)模型，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)及原料屬性進行預(yù)定義。實時傳來的數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型進行比對并對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行更新，分析后形成決策信息，云端將決策信息返還給工業(yè)現(xiàn)場。在Labview端進行圖形化編程，將云端的決策信息作為輸入量傳遞給Labview，轉(zhuǎn)化為控制PLC輸出量，再通過PLC控制與出料口擋板連接的步進電機，以達到改變出口壓力的目的。

4 云端功能設(shè)計方案

在碾米智能控制系統(tǒng)中，云平臺（本文使用的是阿里云平臺）為這個系統(tǒng)的核心樞紐。該平臺的主要功能是對碾米機的數(shù)據(jù)進行采集并儲存、對碾米機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、歷史碾米數(shù)據(jù)的儲存以及Web端數(shù)據(jù)供給。云平臺對碾米機端數(shù)據(jù)的采集是利用碾米機端設(shè)備根據(jù)MQTT協(xié)議對數(shù)據(jù)集進行采集；云平臺接收到數(shù)據(jù)后，將實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，通過Web網(wǎng)頁對數(shù)據(jù)進行檢測。云平臺在整個系統(tǒng)中承擔數(shù)據(jù)的收發(fā)、分析、儲存和數(shù)據(jù)庫的實時讀寫以及MQTT的代理和客戶端功能，其功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 云端功能結(jié)構(gòu)圖

在云平臺對碾米機進行監(jiān)控的監(jiān)控平臺為Web頁面。云平臺的Web數(shù)據(jù)庫功能集成在云端，在IoT Studio平臺可以基于B/S結(jié)構(gòu)搭建Web監(jiān)控平臺。Web頁面系統(tǒng)分為用戶系統(tǒng)和管理員系統(tǒng)，用戶系統(tǒng)中，用戶通過登錄界面進入系統(tǒng)，然后輸入原料信息之后啟動碾米機，在顯示頁面顯示碾白度、碎米率及出口壓力。該系統(tǒng)還將操作分為自動和手動兩種方式。在用戶系統(tǒng)中還設(shè)置了急停按鈕，在出現(xiàn)意外時使碾米機及時停止工作。管理員系統(tǒng)中，管理員登錄之后，可以對數(shù)據(jù)庫信息進行更改，進行數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，同時還能對用戶系統(tǒng)的顯示頁面以及用戶信息進行更改。其系統(tǒng)設(shè)計如圖7所示。

圖7 Web開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計圖

5 結(jié)論

傳統(tǒng)稻米加工在碾米階段浪費較大，為使寶貴的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為食品和經(jīng)濟優(yōu)勢，本文設(shè)計了一種基于云端的碾米機智能控制系統(tǒng)。云端控制系統(tǒng)與碾米機的結(jié)合，進一步為稻谷加工廠家在技術(shù)層面提高了競爭力，使得稻谷加工設(shè)備的科技含量以及生產(chǎn)能力得到更大的進步，并為稻谷加工企業(yè)的技術(shù)進步與創(chuàng)新提供了空間。