基于CPS的茶叶加工系统设计

刘福强 雷峻皓 张姣

1、铜仁职业技术学院 2、湖南城市学院 3、铜仁广播电视大学

前言

随着精准扶贫政策的成功实施，我国全面建成了小康社会。接下来要解决的是城乡居民特别是农村居民的相对贫困问题。推进农业现代化、实现乡村振兴是解决农村相对贫困的必然选择，而产业振兴是乡村振兴的核心动力。在农业经济中一直都占据着重要地位的茶产业的振兴，对于实现农村产业振兴，助推乡村振兴具有积极意义。

根据国家统计局发布的数据，2017~2020年间，我国已成为全球最大的种茶国和产茶国。但同时，占农作物种植面积1.83%的茶叶市场成交额仅占农产品市场成交额的1.51%，每公斤茶叶的平均出口单价仅5.19美元（约合人民币34.50元），整体平均市场交易单价更低至10.68元，明显偏低。且不同种类、不同品牌的茶叶价格从几美元到上百万美元/每公斤不等，差距巨大。

造成这种茶叶交易单价偏低、不同种类品牌的茶叶价格差距巨大的原因是多方面的，如茶叶产品质量普遍不高且参差不齐、茶叶产业集群化程度不高[1]、茶叶生产企业规模普遍不大、茶叶生产成本过高等。其中茶叶产品质量普遍不高且参差不齐是一个重要原因。而影响茶叶产品质量的众多因素中，茶叶生产设备落后是一个重要原因。

近年来，各茶叶生产企业越来越重视提高茶叶生产加工过程的科技含量，不断加大投入，对茶叶加工工艺和设备进行研究，学界也对此进行了大量的研究，并取得了不少的成果。比如湖北天池机械股份公司2017年研发了一种新型电磁杀青机[2],钟应富等设计了一种6CRK-40X型行车式茶叶自动揉捻机组[3]，郑鹏程等研制了一款新型鲜叶摊青机[4]，福建省农业机械化研究所研制出SPY-100型旋抛式摇青机[5],李剑勇等设计了一种新型传动结构以解决传统理条机传动柄造成底座来回摇晃的问题[6]，王小勇等对理条机连杆式传动结构进行了参数优化，提高了传动性能和理条效果，降低了茶叶理条过程中的振动和噪音[7]，吴结明设计了一种理条机的锅槽结构[8]，傅杰等设计了一种基于模糊算法、模糊PID控制技术及单片机的茶叶理条机双模糊控制系统[9]，付磊提出一种基于BP神经网络的PID温度控制系统[10]，张士康提出了“智慧树”概念[11]。

调研表明，企业和学界对茶叶加工机械（茶机）和工艺工程进行的研究更多侧重于单一的工序工艺、设备，对于茶叶加工流程的研究相对较少，而对于茶叶加工全过程的系统研究和设计较为缺乏。

鉴于此，笔者采用基于CPS的系统架构，尝试设计一种用于茶叶加工全过程控制的智能加工系统。

1 CPS概述

CPS（Cyber-Physical System，信息物理系统）的概念最早由美国科学基金会于2006年提出[12]。一般认为，CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。它通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。其本质是由信息空间和物理空间的状态感知、实时分析、科学决策和精准执行的数据自动流动闭环系统[13]。其组成可用下图所示模型表示：

图1 CPS的基本组成模型

2 基于CPS的茶叶加工系统设计

2.1 茶叶加工工艺流程

不同种类茶产品的加工工艺各有不同。本文以产量最大的茶产品绿茶的加工工艺为研究和分析对象。其基本工艺流程如下：

原材料入库→萎凋→杀青→揉捻→干燥→筛选→茶产品检测入库

基于CPS的茶叶加工系统需要实现功能包括：对茶青原料、茶叶产品的信息管理，对萎凋和杀青过程的温度、湿度、闷抛强度、冷却方式与时间的信息管理，揉捻过程的揉捻方式和强度的信息管理，对干燥过程的翻炒频率、温度、时间等参数的实时监控与调整，对茶叶生产各种历史数据的综合分析和管理等。

2.2 基于CPS的茶叶加工系统设计

基于CPS的茶叶加工系统设计的基本思路是通过搭建无线传感网络，将各工艺环节予以联通，使用无线感知模块实时采集茶叶加工过程的工艺参数，由生产管理中心对工艺参数进行监控、分析、异常反馈与控制。

基于CPS的茶叶加工系统的架构图如图2所示。

图2 基于CPS的茶叶加工系统架构图

2.2.1 系统物理执行层设计

基于CPS的茶叶加工系统物理执行层需要执行各工艺子系统数据的实时采集任务和响应决策层给出的各种控制指令。本设计采用无线传感网络模型构建数据感知采集单元。

无线传感网络（WSN）是由众多的节点组成的网络模型，包括数据感知、数据收发汇聚、主干网络管理等节点[14]。其模型如下：

图3 无线传感网络模型

数据的感知模块主要采用以下4类技术：数量感知采用RFID技术，温湿度感知采用电子温湿度传感器，含水量、加水量的数量感知采用基于以太网的PLC数据采集技术，智能设备关键参数的在线采集技术。

指令执行模块的构建是基于原有执行设备，并应用PLC、变频器、触摸屏等技术，对其进行自动化、智能化改造。

2.2.2 系统网络传输层的设计

网络传输层负责完成数据的在线传输，一般包括存储媒介传输、总线传输和网络传输等方式。根据各种在线传输的特点和茶叶加工现场环境较为复杂、网络需要覆盖的面积较大、数据的采集需求差异性较大的特点本系统中采用异构网络实现数据的在线传输。

2.2.3 系统应用服务层设计

基于CPS的茶叶加工系统的应用服务层设计的主要任务是解决数据的接收、存储与解析、数据库的建立、数据（信息）的处理、平台的架设等方面的问题。

在本系统中，采用通用TCP/IP协议实现对封装后数据的接收和传输。数据的解析包括对封装数据的结构（头帧、尾帧、校验位）判断、数据解析和指定存储区域（数据库的不同区域）。

数据库以源数据的类型进行区分。在系统数据库的设计中，不同来源的数据以包含不同ParamID的字段来进行区分，每一种类型的数据都用两张表格来进行记录与维护：一张用于记录该数据的实时数据，该表只保留最新接收的数据，表中原有数据被新数据覆盖替换；另一张表用于记录该数据的所有历史数据，新的数据在原表中追加。为保证数据的真实可靠，数据库数据真实性、完整性的维持不采用物理外键，而是用逻辑外键通过代码来实现。

系统应用服务层的软件设计采用可进行分布式信息处理、具有较强扩展性和多平台兼容性的B/S架构（Browser/Server Architecture）。该架构包括了MPC（Model模型—界面—控制器）层、业务逻辑层和数据库访问层。

系统的算法服务平台采用基于RPC架构算法设计。为提高系统的扩展性，将DH-Elman算法作为远程服务来进行调用。RPC（远程过程调用）是一种计算机进程通信方式[15]，它允许系统像调用本地服务一样调用远程服务，跨平台性能良好。系统算法接口采用Java语言来实现DH-Elman神经网络构建，支持多客户端、多用户的同时连接和使用，提高了系统跨平台性能。

3 结语

本文基于CPS的茶叶加工系统设计，是基于茶叶加工生产过程控制的现实需求，通过信息系统和物理系统的深度融合，有效改变了茶叶加工企业的传统生产模式，实现了生产过程控制的管理智能化、监督控制实时化，能够实现企业资源的有效整合和灵活配置，提高了茶叶加工企业生产的柔性，且系统具有较好的兼容性和扩展性，为茶叶加工企业的技术升级和产品创新提供了一种可行的途径。