基于OneNet云平台的光催化果蔬保鲜监控系统设计

刘俊波，张雅蓉，李绍康，龚　涛，熊佳弘，李　普，季　邦,4*

基于OneNet云平台的光催化果蔬保鲜监控系统设计

刘俊波1，张雅蓉1，李绍康2，龚涛1，熊佳弘1，李普3，季邦1,4*

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学信息与智能科学技术学院，湖南 长沙 410128；3.湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151；4.湖南省智能农机装备重点实验室，湖南 长沙 410128)

由于果蔬具有季节性、地域性等特点，合理应用保鲜库能够有效减少果蔬贮藏过程中的损失。为降低果蔬保鲜库运行成本，保持果蔬储藏的最佳环境，结合光催化技术、远程监测与控制技术、OneNet物联网云平台技术设计了一种光催化果蔬保鲜监控系统，重点完成了保鲜库环境信息采集以及设备控制的软硬件设计，并对果蔬保鲜库的各项气体参数变化进行远程动态实时监控。采用OneNet云平台的开源EDP协议进行温湿度、乙烯浓度、二氧化碳浓度和氧气浓度等数据的传输和控制命令的下达，应用上位机对光催化装置进行远程控制并对指定环境参数进行调节，达到对保鲜库内关键环境因子实时远程监控的目的，有利于延长果蔬保鲜期，实现保鲜效果的最优化。

光催化降解；OneNet云平台；果蔬保鲜；远程监控系统

我国是物流大国也是农副产品大国，随着人们生活水平的提高，新鲜果蔬在物流领域所占比重的增加，对果品的新鲜度也提出了新的要求，果蔬贮藏和运输环境的监测与控制对果蔬的品质和货架期有着极为重要的影响[1-3]。在光化学氧化基础上发展起来的光催化技术具有操作简单、对污染物没有选择性、反应条件温和、反应速率快等优点，在能源、环境治理、药物化学等领域深受欢迎，成为近年来的研究热点[4-6]。通过利用光催化降解污染物的特性，探索将光催化技术应用于呼吸跃变型果蔬保鲜，以净化贮藏环境，延长果蔬货架期。

农业物联网是采用无线传感技术和设计协议，将农业系统中的各种环境监控设备通过物联网进行连接，从而实现对农业环境信息的监测、控制和管理。其优点在于可实现远距离的监控，并具有实效性，能更好地为管理服务，提高管理水平和效率[7-9]。物联网云平台为网络层和应用层提供了一套完整强大的云端服务，开发者可以依靠它迅速连接智能硬件及开发终端应用，当前国内比较热门的物联网设备云平台有OneNET、机智云、Yeelink等。本系统选用的OneNET物联网云平台，具有多种开源通讯协议可供挑选，成熟稳定，数据信息传递更加准确及时，终端界面UI可定制开发，官方技术文档详尽齐全，对I0T开发者比较友好等优点。

目前，大多数果蔬保鲜库各类气体的测量通常采用人工定点巡检和有线的系统环境监控，这两种环境监测控制方法不但存在操作繁琐、自动化智能化，效率低下等问题，而且使系统布线复杂繁琐、不易拓展、维护管理成本高。为了实现复杂储藏环境下的果蔬保鲜，并满足智能化监测果蔬储藏环境和自动化调节气体指标的需求，结合光催化技术、远程监测与控制技术、OneNet物联网云平台技术设计了一种光催化果蔬保鲜监控系统。

1　总体方案构思与设计

总体方案设计方案如图1所示，采用Cortex-M3为处理器核心，基于第三方物联网设备云平台OneNET的开源EDP传输协议，通过应用物联网的设计概念，采用分层架构(感知层、网络层、应用层)的思想，建立一种集果蔬储藏室环境数据采集、终端数据可视化、人机交互控制、高效气体催化、智能果蔬保质保鲜多项功能为一体的果蔬保鲜远程监控系统。

图1　系统总体设计方案图

2　系统的软硬件设计

2.1　硬件设计

智能光催化果蔬保鲜远程监控系统在硬件选择时综合考虑功耗、成本和实用性等实际因素，选用STM32F103C8T6为主控芯片的核心开发板，辅以各种环境气体参数传感器，结合无线WiFi模块ESP8266，实现实时数据上传与接收下达命令的智能硬件端系统设计。系统接入电源后，各个环境气体参数传感器开始工作，实时采集果蔬储藏室内环境指标对应的数值，并通过无线WiFi模块ESP8266联网并传送到设备云平台OneNET。云平台经过数据分析下达控制命令，单片机通过ESP8266接收命令并解析，控制光催化装置的开启和关闭，当储藏室的某项参数超过警戒值时，会自动触发装置的开关，从而实现果蔬保鲜系统的自动化数据采集和智能化远程监控。

2.2　软件设计

2.2.1下位机软件设计

下位机系统程序设计逻辑如图2所示，软件整合了多个传感器的驱动程序和例程，最终组合进main主程序中。各类传感器采集数据的通讯协议涵盖了IIC、UART、ADC。在主程序中编写了一个主循环，用于所有硬件引脚初始化和各个模块初始化之后，每隔3秒循环读取传感器采集到的各项数据和继电器开关的状态，并通过EDP协议上传到OneNET云平台，同时接收云平台是否下发控制命令，有则解析命令对光催化装置进行指定控制。

图2　下位机系统程序设计逻辑图

2.2.2上位机软件设计

上位机软件设计如图3所示，分为Web终端和手机APP终端，以满足用户不同使用场景(桌面办公或移动办公)的需求。为实现感知数据的一致性和实时性，上位机的设计依赖于强大的OneNET云平台服务，直接对接平台API接口。前端界面采用组件化思想，搭建出简洁美观、人性化的页面布局，后台上位服务端程序采用模块化编程思想，拆分为数据监测和远程控制两大部分并拓展实用功能，实现需求定制化，开发出一套完整的数据可视化人机交互式上位机。

图3　上位机软件设计图

3　感知层的设计

3.1　感知层设计方案概述

感知层是整个物联网系统的数据来源基础，它解决了数据的获取问题。感知层包括各种传感器设备和控制设备等智能硬件，通过在设备上运行的下位机程序，获取感知数据，为进一步上传和处理数据提供了可靠的硬件基础和精确的数据支撑。感知层的设计主要通过对果蔬保鲜机理(物理因素、化学因素、生物学因素)的仔细探究，得出与果蔬保鲜储藏息息相关的各项环境参数，并利用感知层传感器设备对果蔬储藏密闭环境进行实时监测。

3.2　环境参数感知系统

3.2.1温湿度监测模块

系统中的温湿度监测模块使用的SHT20传感器属于新一代Sensirion温度和湿度传感器，可将信号变换、湿度监测、温度监测、模数转化几个功能集成到一个芯片上，同时采集温度和湿度2个环境参数指标，与DHT11温湿度模块相比，虽然成本更高，但稳定性和精确性优越，相对湿度检测量程为0至100%，温度检测量程为-40℃至+125℃。

3.2.2乙烯浓度监测模块

系统中的乙烯浓度监测模块使用MQ-2传感器，该传感器采用双路信号输出(0～5V模拟电压信号输出及TTL电平信号输出)，能够检测大多数可燃性气体，具有成本低、使用寿命长等优点。当乙烯(C2H4)浓度检测模块放置空间中含有可燃气体如乙烯时，该模块的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，模块采集的模拟电压信号通过STM32的模拟通道ADC转化为数字电压信号，然后通过标定的电压范围可得出匹配的乙烯浓度。

3.2.3氧气浓度监测模块

系统中的氧气浓度监测模块采用重庆洁豪电子商务有限公司生产的40XV CiTiceL型号氧气传感器，该装置为电化学气敏传感器装置，故使用寿命有限。氧气探头需要配合氧气信号处理板才能正常采集氧气浓度数据，信号处理板采集到的模拟电压信号经过单片机12bit精度的ADC通道转换为数字电压信号。通常空气中的实际氧气浓度约为20.9%，通过氧气浓度检测模块检测到的实际氧气浓度与输出模拟电压数值呈线性比例关系，因此通过线性关系方程可算出氧气的实际浓度。

3.2.4二氧化碳浓度监测模块

系统中的二氧化碳浓度监测模块使用CCS811空气质量传感器，该模块为一款超低功耗数字气体传感器，集成了MOX(金属氧化物)气体传感器，可通过集成的微控制器单元检测二氧化碳浓度和VOC(挥发性有机化合物)，用于室内空气质量监测。 MCU由ADC(模数转换器)和IIC接口组成，它基于ams独特的微型热板技术，为低功耗的气体传感器提供了高度可靠的解决方案。

4　网络层设计方案概述

网络层是架设于物联网系统的中间桥梁，用于感知层和应用层的互联互通，将感知层收集的数据经过网络层的指定协议和网络承载媒介(有线或无线)转发到应用层，或将应用层下达的命令数据传达到感知层，从而实现短距离或长距离的双向数据通信。本系统网络层的设计基于OneNET云平台，采用官方开源EDP协议，使用ESP8266通过WiFi接入互联网，连接云平台服务器，将数据上传到云平台和接收控制命令。

OneNET云平台支持的通信协议有EDP、MQTT、HTTP等。EDP (Enhanced Device Protocol，增强设备协议)是基于TCP/IP的长连接协议。在MQTT协议基础上自主研发的开源通讯协议EDP，可以实现两个设备的数据转发，即点与点的通信。它采用数据加密传输，安全可靠，并支持多种数据点类型。开发时需到GitHub上下载EDP协议的开源SDK，整合进Keil5的Project工程中，根据EDP协议封装数据包上传数据，并解析响应数据包格式，提取控制命令类型。

系统通过ESP8266模块(直接插入开发板的8孔引脚座即UART2)接入无线网络，通过api-key和设备ID进行鉴权，然后与OneNET云平台服务器建立通信，采用EDP协议进行数据的收发传递，采集监测数据和继电器开关状态统一通过UART2再经过ESP8266发送到云平台，接收命令数据也是先经过UART2接收再触发单片机相关操作。

5　应用层的设计与开发

5.1　应用层设计方案概述

应用层属于上层终端应用的范畴，是处理、展示、分析来自感知层数据的平台，是物联网系统的最终环节，体现了感知数据的真正价值，分为硬件应用和软件应用2部分。其中硬件应用部分为多路继电器开关控制智能光催化装置(上位机开关远程控制和警戒值触发自动控制)，软件应用部分为Web终端远程在线监控和手机APP终端移动在线监控。

5.2　智能光催化装置

智能光催化装置集降温、干燥、加湿、光催化降解乙烯功能于一体，在整个系统中对果蔬保鲜效果起着决定性作用，实现对果蔬保鲜储藏室的环境指标条件的高灵敏调节。在密闭的果蔬储藏室空间内，智能光催化果蔬保鲜装置配合环境监测下位机和远程监控上位机工作，三者协同合作、优势互补，结合多种技术实现对果蔬储藏环境的综合治理，发挥延长果蔬保鲜周期、抑制果蔬腐烂的最大功效。

5.3　远程监控系统上位机设计

5.3.1Web终端整体功能设计

Web终端采用B/S(Brower/Server，浏览器/服务器)架构设计模式，其终端模块功能设计如图4所示，通过自主定制开发的界面和后台服务端程序，对接第三方云平台OneNET的数据接口API，构建一个集数据监测、远程控制、历史数据查询等功能于一体的Web上位机。

图4　Web终端模块功能设计图

5.3.2Web终端前端界面设计

Web终端前端UI页面主要使用HTML+CSS调样式和布局，同时使用JavaScript语言进行脚本编写。采用当下比较主流的前端开源组件框架LayUI，搭建智能光催化果蔬保鲜远程监控系统Web页面布局，然后使用HTML+CSS调节具体网页视图，编写JavaScript用于提交表单、各个处理函数、监听事件等脚本。系统的Web上位机由用户登录页面、系统首页、果蔬储藏环境监测、催化装置远程控制、历史监测数据查询、管理员信息共6个页面组成。

登录界面是管理员跳转果蔬保鲜监测和远程控制管理主页的必经页面，管理员通过验证姓名和密码进入主页面。管理员个人信息存入后台程序的user.properties键值对属性文件中，密码经过MD5不可逆算法加密，就算知道密文密码，也无法逆向解密得到明文密码。

果蔬储藏环境监测页面如图5所示，主要是由多个仪表盘和折线图表组件构成，每个环境参数组件需要绑定对应的数据流，实时显示各个传感器采集的数据，实现数据的可视化和动态化监控。简洁直观、人性化的界面可以让管理员及时掌控当前密闭果蔬储藏室的各项环境参数，以便对果蔬保鲜参数及时做出调节。若设备实时在线状态显示为OFF关闭状态，则仪表盘的指针和动态图表的折线会停留在设备离线前最后一次上传采集数据时的状态。

图5　果蔬储藏环境监测界面

催化装置远程控制页面如图6所示，主要由四个智能光催化装置远程控制开关(降温、干燥、加湿、光催化乙烯)和各个开关对应的功能说明文字组成，4个开关组件也需要和环境参数组件一样绑定对应的数据流，才可以上传继电器开关的实时状态，对页面显示的开关状态进行校验。该页面会实时显示开关当前的状态，只要设备在线，即可点击开关按钮下达命令对多路继电器开关进行手动远程控制，从而控制智能光催化装置的指定开关；若为警戒值触发自动控制，则开关状态会自行切换。

图6　催化装置远程控制界面

历史监测数据查询页面包含了多个传感器数据点的集合，不仅可以在线查看数据表格，点击左上方的导出为Excel文档按钮，还可以导出Excel表格文档离线下载查看，以便对果蔬储藏环境数据进行分析。

6　结论

针对当前果蔬储藏室保鲜人工监控调节方式存在的繁琐复杂、自动化智能化不足、无法实时远程观测和操控、工作效率低下等问题，基于物联网系统的设计理念，结合光催化技术、远程监测与控制技术、并融合OneNet第三方物联网云平台的果蔬保鲜远程监控上位机与下位机系统设计了一款智能光催化果蔬保鲜远程监控系统。该系统在感知层搭建环境数据采集监测系统，在网络层应用OneNET设备云平台及EDP协议传输，在应用层构建Web终端/手机APP终端双重监控的信息查询监控平台，通过果蔬储藏环境参数的自动化远程监测和智能化控制光催化装置的保鲜调节，实现了果蔬的长时间保质保鲜储藏，有利于保证果蔬在长时间物流运输中和销售存储时的品质，对果蔬行业的发展有着重要意义。

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Photocatalytic fruit and vegetable preservation monitoring system based on OneNet cloud platform

LIU Junbo1, ZHANG Yarong1, LI Shaokang2, GONG Tao1, XIONG Jiahong1, LI Pu3, JI Bang1,4*

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China; 2. College of Information and Intelligence, Hunan Agricultural University, Changsha,Hunan 410128, China; 3. Hunan Mechanical Electrical Polytechnic, Changsha,Hunan 410151, China; 4. Hunan Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery Equipment, Changsha ,Hunan 410128, China)

Because fruits and vegetables have seasonal and regional characteristics, the preservation warehouse can effectively reduce the loss in the process of fruit and vegetable storage.The purpose of this paper is to reduce the operating costs of fruit and vegetable preservation warehouses and maintain the optimal environment for fruit and vegetable storage. A photocatalytic fruit and vegetable preservation monitoring system was designed by combining photocatalytic technology, remote monitoring and control technology, and OneNet Internet of Things cloud platform technology. Focus on the completion of the preservation of environmental information collection and equipment control of the software and hardware design, and the fruit and vegetable preservation warehouse gas parameters changes for remote dynamic real-time monitoring, the use of OneNet cloud platform of the open source EDP protocol for temperature and humidity, ethylene concentration, carbon dioxide concentration and oxygen concentration and other data transmission and control commands issued, the host computer of the photocatalytic device remote control and then the specified environmental parameters to adjust, to achieve the purpose of real-time remote monitoring of key environmental factors in the preservation library, Thus extending the freshness period of fruits and vegetables and optimizing the preservation effect. The study provides a certain reference for the design of the monitoring system of fruit and vegetable preservation warehouse.

photocatalytic degradation; OneNet cloud platform; fruit and vegetable preservation; remote monitoring system

S23

A

2096–8736(2022)03–0027–07

湖南省大学生创新训练计划项目(S202110537051)； 湖南省农机装备创新研发项目(湘财农指2021—47号)； 湖南省重点实验室开放基金项目。

刘俊波(2002—)，男，湖南岳阳人，大学本科，主要研究方向为农业机械设计。

通信作者：季邦(1990—)，男，湖南岳阳人，博士，讲师，主要从事果蔬采后保鲜设备研究。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：吴志立