基于EMQ的禽蛋监测系统

李红岩，张嘉伟，任泓易，施元徽，王 浩，师 龙

（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054）

0 引 言

禽蛋是人们日常生活中的必需品，极大的需求量使得越来越多的企业采用自动化生产方式进行禽蛋生产。企业的流水线生产缺乏对禽蛋数量的监测和管理，当企业禽蛋供应大于市场需求时，导致禽蛋大量堆积，且由于存储时间有限，一旦禽蛋变质将无法出售，致使企业遭受巨大的经济损失。

基于EMQ的禽蛋监测系统可以收集实时禽蛋产量数据和库房禽蛋储备数据，并将这些数据传输到云端，由云端处理后存储在平台上。企业用户可通过电子设备查看每月、每季度、每年的生产数据和不同库房的禽蛋存储量，软件也会提供基本的数据分析和统计结果，便于企业随时掌握禽蛋储存情况，最大限度避免损失[1-2]。

1 系统总体组成

本课题设计的基于EMQ的禽蛋监测系统主要由禽蛋计数系统与数据传输处理系统组成。禽蛋计数系统通过VL53L0X模块实现禽蛋的计数功能，将采集的数据通过串口通信的方式发送给STM32F1主控制器进行计算，得到禽蛋数量。系统将主控制器处理后得到的结果通过串口通信模块上传到云端处理、储存，通过上位机可随时随地查看上传的数据[3-4]。禽蛋监测系统总体结构如图1所示。

图1 禽蛋监测系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 禽蛋运输装置

2.1.1 装置结构

运输装置由直流减速电机、转轴、联轴器、皮带组成。运输装置通过直流减速电机带动转轴转动从而带动皮带移动，实现禽蛋运输[5]。禽蛋运输装置结构如图2所示。

图2 禽蛋运输装置结构

2.1.2 驱动方式

运输履带由直流减速电机JGY-370驱动，该电机扭矩大、功率高，通过该直流减速电机带动转轴转动，能够使传送带保持正常稳定的运行。并且该电机所需驱动电压小，通过改变驱动电压便可改变电机转速，使用便利[6]。直流电机实物如图3所示。

图3 直流电机实物

2.2 禽蛋计数装置

禽蛋计数装置由多个VL53L0X激光测距模块构成。VL53L0X激光测距模块应用广泛，具有激光测距、避障检测、一维手势识别等功能。该模块对环境光的免疫性好，能提供精确的距离测量值。激光测量原理如图4所示。

图4 激光测量原理

3 系统软件设计

3.1 禽蛋计数原理

VL53L0X激光测距模块采用940 nm垂直腔面发射激光器发射激光，其精度达2 mm，激光碰到障碍物后反射回来，被VL53L0X接收元件接收。通过测量激光在空气中的传播时间，进而得到距离，借助I2C通信将数据传输到STM32主控制器打印。

激光测距模块放置于传送皮带上方，每间隔100 ms向传送带进行一次激光发送、接收流程，传送带的运动速度约为0.13 m/s。无禽蛋通过时，每个测距模块返回的值为模块到履带表面的距离，当有禽蛋通过时，测距模块的测量值会发生变化。设备工作时，保证每个禽蛋至少有3组测量数据，通过对变化值的处理分析得出履带上经过禽蛋的个数[7]。其检测原理及计数算法流程如图5、图6所示。

图5 禽蛋检测原理

图6 计数算法流程

3.2 数据传输原理

本系统针对数据采集、传输及控制部分进行改造，将监控系统与传感器间的有线传输改造为ZigBee无线网络传输。系统主控模块采用STM32单片机，各节点按要求布置。采集的数据均传送给单片机处理，由无线收发模块通过MQTT通信协议形成无线传输网络，将数据传输到EMQ云平台，用户通过上位机访问EMQ平台便可查看禽蛋的数量、质量等数据。当工作向前推进时，通过增加、减少节点，调整节点距离的方式满足监测要求，从而克服有线监测系统在使用中的弊端，使监测系统在监测范围、灵活性、可靠性等方面得到进一步改善。数据传输结构如图7所示。

图7 数据传输结构

3.3 禽蛋完整度检测原理

采用OpenCV对传送带上的禽蛋进行检测。OpenCV将采集的图像交由树莓派进行滤波、图像轮廓识别等处理，再与数据库中完好禽蛋的图像进行像素对比，若差值在设定范围内，则认为该禽蛋完好，否则即为破损蛋。STM32接收树莓派发送的判断结果，将判断结果经收发模块传输到EMQ云平台[8-9]。

禽蛋完整度检测效果如图8所示。

图8 禽蛋完整度检测效果

4 系统总体测试

为验证禽蛋计数的准确性及禽蛋监测系统的实用性，通过对大量禽蛋进行测量并建立数据库对测量数据进行储存分类。系统利用Simhash算法，在进行测量时把实际测量值与数据库中的数值进行快速比较，从而提高禽蛋计数的准确率。

系统上电后，各部分正常工作，上位机数据显示界面如图9所示，系统运行效果测试如图10所示。

图9 上位机数据显示界面

图10 系统运行效果测试

5 结 语

本文设计的基于EMQ的禽蛋监测系统通过搭建模拟工厂生产线的禽蛋运输装置，利用传感器对禽蛋数目、禽蛋完好度等数据进行采集，利用无线网络将数据传输到搭建的EMQ云平台，实现对禽蛋信息的监测。考虑到禽蛋计数的精确度问题，该方案使用多个测量模块，大大提高了禽蛋计数的精确度。同时利用节点式数据采集、传输方式，可实现对多个地方数据的采集、汇总。该系统装置结构简单、计数方案可行，可用于大规模、大数量的禽蛋监测[10]。