劉福強(qiáng) 雷峻皓 張姣

1、銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2、湖南城市學(xué)院 3、銅仁廣播電視大學(xué)

前言

隨著精準(zhǔn)扶貧政策的成功實(shí)施，我國全面建成了小康社會(huì)。接下來要解決的是城鄉(xiāng)居民特別是農(nóng)村居民的相對貧困問題。推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興是解決農(nóng)村相對貧困的必然選擇，而產(chǎn)業(yè)振興是鄉(xiāng)村振興的核心動(dòng)力。在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中一直都占據(jù)著重要地位的茶產(chǎn)業(yè)的振興，對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)振興，助推鄉(xiāng)村振興具有積極意義。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017~2020年間，我國已成為全球最大的種茶國和產(chǎn)茶國。但同時(shí)，占農(nóng)作物種植面積1.83%的茶葉市場成交額僅占農(nóng)產(chǎn)品市場成交額的1.51%，每公斤茶葉的平均出口單價(jià)僅5.19美元（約合人民幣34.50元），整體平均市場交易單價(jià)更低至10.68元，明顯偏低。且不同種類、不同品牌的茶葉價(jià)格從幾美元到上百萬美元/每公斤不等，差距巨大。

造成這種茶葉交易單價(jià)偏低、不同種類品牌的茶葉價(jià)格差距巨大的原因是多方面的，如茶葉產(chǎn)品質(zhì)量普遍不高且參差不齊、茶葉產(chǎn)業(yè)集群化程度不高[1]、茶葉生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍不大、茶葉生產(chǎn)成本過高等。其中茶葉產(chǎn)品質(zhì)量普遍不高且參差不齊是一個(gè)重要原因。而影響茶葉產(chǎn)品質(zhì)量的眾多因素中，茶葉生產(chǎn)設(shè)備落后是一個(gè)重要原因。

近年來，各茶葉生產(chǎn)企業(yè)越來越重視提高茶葉生產(chǎn)加工過程的科技含量，不斷加大投入，對茶葉加工工藝和設(shè)備進(jìn)行研究，學(xué)界也對此進(jìn)行了大量的研究，并取得了不少的成果。比如湖北天池機(jī)械股份公司2017年研發(fā)了一種新型電磁殺青機(jī)[2],鐘應(yīng)富等設(shè)計(jì)了一種6CRK-40X型行車式茶葉自動(dòng)揉捻機(jī)組[3]，鄭鵬程等研制了一款新型鮮葉攤青機(jī)[4]，福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出SPY-100型旋拋式搖青機(jī)[5],李劍勇等設(shè)計(jì)了一種新型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以解決傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)傳動(dòng)柄造成底座來回?fù)u晃的問題[6]，王小勇等對理?xiàng)l機(jī)連桿式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，提高了傳動(dòng)性能和理?xiàng)l效果，降低了茶葉理?xiàng)l過程中的振動(dòng)和噪音[7]，吳結(jié)明設(shè)計(jì)了一種理?xiàng)l機(jī)的鍋槽結(jié)構(gòu)[8]，傅杰等設(shè)計(jì)了一種基于模糊算法、模糊PID控制技術(shù)及單片機(jī)的茶葉理?xiàng)l機(jī)雙模糊控制系統(tǒng)[9]，付磊提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID溫度控制系統(tǒng)[10]，張士康提出了“智慧樹”概念[11]。

調(diào)研表明，企業(yè)和學(xué)界對茶葉加工機(jī)械（茶機(jī)）和工藝工程進(jìn)行的研究更多側(cè)重于單一的工序工藝、設(shè)備，對于茶葉加工流程的研究相對較少，而對于茶葉加工全過程的系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)較為缺乏。

鑒于此，筆者采用基于CPS的系統(tǒng)架構(gòu)，嘗試設(shè)計(jì)一種用于茶葉加工全過程控制的智能加工系統(tǒng)。

1 CPS概述

CPS（Cyber-Physical System，信息物理系統(tǒng)）的概念最早由美國科學(xué)基金會(huì)于2006年提出[12]。一般認(rèn)為，CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)。它通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。其本質(zhì)是由信息空間和物理空間的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)[13]。其組成可用下圖所示模型表示：

圖1 CPS的基本組成模型

2 基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 茶葉加工工藝流程

不同種類茶產(chǎn)品的加工工藝各有不同。本文以產(chǎn)量最大的茶產(chǎn)品綠茶的加工工藝為研究和分析對象。其基本工藝流程如下：

原材料入庫→萎凋→殺青→揉捻→干燥→篩選→茶產(chǎn)品檢測入庫

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)功能包括：對茶青原料、茶葉產(chǎn)品的信息管理，對萎凋和殺青過程的溫度、濕度、悶拋強(qiáng)度、冷卻方式與時(shí)間的信息管理，揉捻過程的揉捻方式和強(qiáng)度的信息管理，對干燥過程的翻炒頻率、溫度、時(shí)間等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整，對茶葉生產(chǎn)各種歷史數(shù)據(jù)的綜合分析和管理等。

2.2 基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是通過搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將各工藝環(huán)節(jié)予以聯(lián)通，使用無線感知模塊實(shí)時(shí)采集茶葉加工過程的工藝參數(shù)，由生產(chǎn)管理中心對工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、分析、異常反饋與控制。

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2.1 系統(tǒng)物理執(zhí)行層設(shè)計(jì)

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)物理執(zhí)行層需要執(zhí)行各工藝子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集任務(wù)和響應(yīng)決策層給出的各種控制指令。本設(shè)計(jì)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建數(shù)據(jù)感知采集單元。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由眾多的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)模型，包括數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)收發(fā)匯聚、主干網(wǎng)絡(luò)管理等節(jié)點(diǎn)[14]。其模型如下：

圖3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型

數(shù)據(jù)的感知模塊主要采用以下4類技術(shù)：數(shù)量感知采用RFID技術(shù)，溫濕度感知采用電子溫濕度傳感器，含水量、加水量的數(shù)量感知采用基于以太網(wǎng)的PLC數(shù)據(jù)采集技術(shù)，智能設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的在線采集技術(shù)。

指令執(zhí)行模塊的構(gòu)建是基于原有執(zhí)行設(shè)備，并應(yīng)用PLC、變頻器、觸摸屏等技術(shù)，對其進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造。

2.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的在線傳輸，一般包括存儲媒介傳輸、總線傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞?。根?jù)各種在線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和茶葉加工現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋的面積較大、數(shù)據(jù)的采集需求差異性較大的特點(diǎn)本系統(tǒng)中采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線傳輸。

2.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計(jì)

基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解決數(shù)據(jù)的接收、存儲與解析、數(shù)據(jù)庫的建立、數(shù)據(jù)（信息）的處理、平臺的架設(shè)等方面的問題。

在本系統(tǒng)中，采用通用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對封裝后數(shù)據(jù)的接收和傳輸。數(shù)據(jù)的解析包括對封裝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)（頭幀、尾幀、校驗(yàn)位）判斷、數(shù)據(jù)解析和指定存儲區(qū)域（數(shù)據(jù)庫的不同區(qū)域）。

數(shù)據(jù)庫以源數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行區(qū)分。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，不同來源的數(shù)據(jù)以包含不同ParamID的字段來進(jìn)行區(qū)分，每一種類型的數(shù)據(jù)都用兩張表格來進(jìn)行記錄與維護(hù)：一張用于記錄該數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該表只保留最新接收的數(shù)據(jù)，表中原有數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)覆蓋替換；另一張表用于記錄該數(shù)據(jù)的所有歷史數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)在原表中追加。為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)真實(shí)性、完整性的維持不采用物理外鍵，而是用邏輯外鍵通過代碼來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層的軟件設(shè)計(jì)采用可進(jìn)行分布式信息處理、具有較強(qiáng)擴(kuò)展性和多平臺兼容性的B/S架構(gòu)（Browser/Server Architecture）。該架構(gòu)包括了MPC（Model模型—界面—控制器）層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫訪問層。

系統(tǒng)的算法服務(wù)平臺采用基于RPC架構(gòu)算法設(shè)計(jì)。為提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，將DH-Elman算法作為遠(yuǎn)程服務(wù)來進(jìn)行調(diào)用。RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）是一種計(jì)算機(jī)進(jìn)程通信方式[15]，它允許系統(tǒng)像調(diào)用本地服務(wù)一樣調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)，跨平臺性能良好。系統(tǒng)算法接口采用Java語言來實(shí)現(xiàn)DH-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，支持多客戶端、多用戶的同時(shí)連接和使用，提高了系統(tǒng)跨平臺性能。

3 結(jié)語

本文基于CPS的茶葉加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是基于茶葉加工生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)實(shí)需求，通過信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，有效改變了茶葉加工企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程控制的管理智能化、監(jiān)督控制實(shí)時(shí)化，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)資源的有效整合和靈活配置，提高了茶葉加工企業(yè)生產(chǎn)的柔性，且系統(tǒng)具有較好的兼容性和擴(kuò)展性，為茶葉加工企業(yè)的技術(shù)升級和產(chǎn)品創(chuàng)新提供了一種可行的途徑。