基于DirectShow和Modbus的雪茄烟晾制数据采集系统构建与应用

杨志吉，张拯源，沈俊儒，唐旭兵

研究简报

基于DirectShow和Modbus的雪茄烟晾制数据采集系统构建与应用

杨志吉，张拯源，沈俊儒，唐旭兵

云南香料烟有限责任公司，云南省保山市建设路174号 678000

【目的】为构建与应用雪茄烟晾制数据采集系统，获取雪茄烟晾制过程关键数据。【方法】架构以1个控制单元和若干检测单元组成的数据采集系统。控制单元由工控机和Delphi环境下开发的采集程序组成；检测单元由USB摄像头、温湿度传感器、重量传感器组成。采集程序利用DirectShow技术，实现USB摄像头视频取帧，获取雪茄烟叶图片；利用Modbus通信协议，通过串口通信采集温度、湿度、烟叶重量数据。并对温湿度及重量数据进行均值分析，对烟叶图片进行RGB值分析【结果】构建的数据采集系统采集了雪茄烟晾制过程图片与温湿度、重量数据，分析发现晾房第4～6层适宜于雪茄烟晾制，烟叶入棚1～8 d为变黄、定色关键期，第8 d后颜色将不再变化；入棚14 d后烟叶重量恒定。【结论】雪茄烟晾制数据采集系统达到设计要求，满足实用性，具有在不同种植区域推广的价值；通过系统采集数据可建立雪茄烟晾制工艺数据库，为雪茄烟的自动化晾制提供基础。

数据采集；DirectShow；Modbus；雪茄烟；晾制

晾制是雪茄烟烟叶生产中品质形成的关键环节，但我国雪茄烟研究工作起步晚，受品种资源及晾制技术等因素的影响，国产优质雪茄原料匮乏，难以满足烟草工业企业的需求[1-2]。国外雪茄烟晾制技术主要是传统经验和习惯的总结，相关参数及方法均未在专利及期刊文献中详细介绍[3-4]。近年来，物联网、无线通信、无线网络等技术广泛应用于烤烟调制过程数据采集中[5]。过伟民等[6]运用物联网技术采集了河南3个产烟区烘烤温湿度数据，分析烘烤过程的历时和温湿度指标，并结合国内外烘烤工艺进行对比分析，合理优化烟叶烘烤工艺参数；张伟等[7]提出一个采用无线技术组建烤烟房温湿度数据采集系统的方案：现场采集数据通过无线信道传送到PC，并以VB6.0设计开发实时监测平台，降低布线成本，对烤房的温湿度进行实时监测；李志强等[8]设计并开发了一种以全球移动通讯系统（GSM）无线网络为核心进行远程监控的烟叶烘烤系统：由单片机将温湿度数据通过GSM模块以短信方式传送给监控系统通信终端，并储存于数据库中便于远程监控。但雪茄烟调制不同于烤烟烘烤，以晾制为主，周期长，烟叶变化缓慢，受自然环境因素影响大，在分析温湿度数据的同时，还需同步了解烟叶重量及颜色变化，目前尚无集成化的系统适用于雪茄烟晾制过程数据采集。因此，本文旨在构建一种数据采集系统，能按设定的时间间隔，采集雪茄烟晾制过程温湿度、重量数据及图片。

1 系统设计

1.1 系统构成

基于采集需求及晾房结构，采集系统整体结构如图1所示，系统由控制单元和检测单元组成，1个控制单元可连接1～10个检测单元。控制单元以工控机为核心，在Windows 7下开发Delphi语言采集控制程序；检测单元由通过USB接口与控制单元连接的图像采集模块和通过RS485接口与控制单元连接的数据采集模块组成。

图1 整体结构图

系统硬件结构如图2所示，控制单元硬件为工控机，检测单元图像采集模块硬件为USB摄像头，数据采集模块为支持Modbus协议的温湿度和重量传感器。

图2 硬件结构图

1.2 技术实现

雪茄烟晾制过程的图像采集基于DirectShow开发。通过编程将DirectShow内不同功能的Filter（过滤器）放置在Filter Graph中进行调用，实现流媒体的获取、解码、输出[9-11]。本系统采用Delphi应用程序开发工具及第三方控件DSPack来编程控制USB摄像头实现图片采集，其中DSPack控件代码集成了Direct Show技术。

雪茄烟晾制过程数据采集通过基于Modbus协议的串口通信实现。将工控机定义为Client（主站），各类Modbus传感器定义为地址唯一的Server（从站）。Client（主站）与Server（从站）通过报文接收与处理，实现数据采集[12-13]。本系统采用Delphi应用程序开发工具及第三方串口通信控件Spcomm编程实现串口控制，完成数据采集。

2 应用效果

2.1 试验设计

以雪茄烟品种“云雪1号”为原料，在德宏州芒市遮放镇开展试验，雪茄烟叶的采收、编杆、晾制严格按照当地生产技术规范执行。第1～2层分3个不同时间挂入鲜烟叶；第3层分2个不同时间挂入鲜烟叶；第4～7层仅挂入1次鲜烟叶。

按图3的方式，从下到上，在晾房每层安装1个数据检测单元，设定的数据采集间隔为5 min，采集烟叶图片及距离烟叶5 cm处的环境温度、相对湿度。温度测量范围0℃～50℃，精度±0.5℃；相对湿度测量范围0～80%，精度±0.1%。

图3 系统安装方式

2.2 数据分析

2.2.1 晾房内温湿度

晾房内温度变化如图4所示。从7时开始温度逐渐升高，到14～15时达到最高温度40.44℃。从16时开始逐渐降低，到6～7时达到最低温度19.96℃，温差20.48℃；第1～2层温度变化趋于一致，其余各层从7时开始出现温差，层数越高，温度越高，在13时第7层与第1层间出现最大温差11.23℃，22～7时层间温度差异不明显；第4～6层的温度从11～21时保持在25℃以上，38℃以下。

图4 晾房各层温度变化图

晾房内湿度变化如图5所示。从7时开始湿度逐渐降低，到14～15时达到最低湿度27.94%。从16时开始湿度逐渐升高，到6～7时达到最高湿度84.48%，湿度差56.54%；晾房各层湿度，从7时开始出现差异，随着层数的升高，湿度越低。22～7时，层间湿度差异不明显；第4～7层13～19时，湿度保持在27.94%以上，50%以下。

图5 晾房各层湿度变化图

晾房第1～3层的低温、高湿造成烟叶变黄、脱水不及时烟叶出现部分腐烂；第7层高温、低湿造成烟叶灼伤；以上结果表明第4～6层烟叶晾制效果最佳，将进一步对其重量及颜色变化进行分析。

2.2.2 晾制过程烟叶重量变化

将晾房内第4～6层烟叶的重量变化进行统计，如表1所示。可以看出雪茄烟进入晾房时的平均重量为2.61 kg，下架时烟叶平均重量为0.27 kg，平均干鲜比为9.71，平均去除水分2.34 kg，平均干烟占比10.33%，平均去除水分占比89.67%。

表1 烟叶重量变化表

Tab.1 The weight change of cigar leaves

将第4～6层每层烟叶的当日重量平均值除以入烟重量，得出晾制过程重量比，如图6所示。每层烟叶入棚1～7 d重量比下降速度较快，7～12 d重量比下降平缓，从14 d开始除第6层出现波动外，第4～5层进入稳定的状态，达到下架时的干烟占比平均值10.33%。以上结果表明，烟叶1～7d失水最快，7～12 d失水变缓，入棚14 d后烟叶水分保持恒定。

图6 雪茄烟晾制过程重量比图

2.2.3 晾制过程烟叶颜色RGB值变化

运用NI Vision Assistant视觉采集与图像处理软件将入棚1～12 d采集到的第4～6层烟叶图片进行Histogram功能函数计算，统计图片在RGB颜色模式下，一定区域内R、G、B的平均值，并绘制RGB值变化图，如图7所示。在1～2 d，R、G、B值均减小；2～3 d，G值小幅下降，R升高，B值减小；3～4 d，G，R、B值小幅升高；4～8 d，R、G、B值均趋于稳定，同时R、G值接近，从第8 d开始，R、G、B值变化趋于一致。以上结果表明，烟叶入棚1～8 d为变黄、定色关键期，第8 d后颜色将不再变化。

图7 雪茄烟晾制过程烟叶颜色RGB值变化图

3 讨论和结论

本研究以工控机、USB摄像头、支持Modbus协议的温湿度、重量传感器为硬件，利用Delphi开发环境，基于DirectShow和Modbus技术开发采集控制程序，构建适用于雪茄烟晾制的烟叶图像、温度、湿度、重量同步采集、同步记录系统，较烤烟烘烤温湿度数据采集[6-8]或重量数据采集[14]系统功能更完善，对数据的收集更全面[1-2]，达到全面分析雪茄烟的晾制过程及效果。本研究总结出雪茄烟晾房晾制基本特点：晾房第4～6层适宜于雪茄烟晾制；烟叶入棚1～8 d为变黄、定色关键期，第8 d后颜色将不再变化；入棚14 d后烟叶重量恒定，此时可采用人工措施干燥烟叶，以防烟叶再次回潮。系统实用性强，可直接应用于其他晾晒烟的晾制技术研究中。

下一步将在不同的雪茄烟种植区域推广使用本系统，以丰富雪茄烟晾制过程参数数据库，为提升雪茄烟晾制技术，实现自动化晾制打牢基础。

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Construction and application of data acquisition system in the cigar air-curing based on DirectShow and Modbus

YANG Zhiji*, ZHANG Zhengyuan, SHEN Junru, TANG Xubing

Yunnan Oriental Tobacco Co., Ltd, Baoshan 678000, China

[] In this study, a data acquisition system for cigar air-curing is developed to obtain the key data during the cigar air-curing process. [] The data acquisition system is integrated into a control unit and several detection units. The control unit consists of industrial computer and acquisition program developed in Delphi environment ;The detection unit is composed of a USB camera, a temperature and humidity sensor and a weight sensor. The acquisition program uses DirectShow technology to capture frames from USB camera video and obtain cigar tobacco pictures; Temperature, humidity and tobacco weight data were collected through serial communication using Modbus communication protocol. The mean value of temperature, humidity and weight data was analyzed, and the RGB value of cigar pictures was analyzed. [] The pictures, temperature, humidity and weight data of cigar tobacco during air-curing process were collected by the constructed system. The results show that the 4～6 floors of the curing room were more suitable for the air-curing of cigar. The key period of yellowing and color fixing was 1～8 d after cigar leaves entered the curing room, and the color would not change after 8 d. After 14 d of curing, the weight of cigar leaves remained constant. [] The data acquisition system for cigar curing process meets the design and actual requirements, which is worth of being poplularized in different planting areas. The data collected by the system can be used to establish the database of cigar air-curing process, which provides the basis for automatic air-curing of cigar.

data acquisition; DirectShow; Modbus; cigar; air-curing

. Email：nirvanayang@126.com

杨志吉，张拯源，沈俊儒，等.基于DirectShow和Modbus的雪茄烟晾制数据采集系统构建与应用[J]. 中国烟草学报，2022，28（5）.

YANG Zhiji, ZHANG Zhengyuan, SHEN Junru, et al. Construction and application of data acquisition system in the cigar air-curing based on DirectShow and Modbus[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(5).

10.16472/j.chinatobacco. 2021.T0128

中国烟草总公司云南省公司科技计划项目“以品牌为导向的德宏优质雪茄烟叶开发及应用”（No. 2021530000242028）

杨志吉（1983—），研究生，工程师，主要从事烟草适用机械研发，Tel：0692-2391246，Email：nirvanayang@126.com

2021-08-16；

2022-03-07